DE2226918A1 - Raumthermostat fuer elektroheizung - Google Patents

Description

Fabrik elektrotechnischer Bedarfsartikel Ernst Dreefs/GmbH, 8641 Unterrodach im Prankenwald,

Raumthermostat für Elektroheizung

Die Erfindung betrifft einen Thermostaten, bestehend aus einem Schaltkontakt zum Ein- und Ausschalten einer Elektroheizung und einem diesen Schaltkontakt beeinflussenden Temperaturfühler, dessen Ausdehnung oder'Verformung sich unter dem Einfluß einer Temperaturänderung ändert. In seiner einfachsten Form ist ein solcher Temperaturfühler ein gerader Streifen aus Thermobimetall, dessen Volumen der aufzubringenden Schaltarbeit angepaßt ist. Im Interesse leicht verständlicher Zeichnungen soll in der späteren Erläuterung des Erfindungsgedankens der Temperaturfühler immer als ein solcher gestreckter Streifen aus Thermobimetall dargestellt werden, obwohl die Erfindung auch bei formtechnisch komplizierten Temperaturfühlern wie z.B. Schleifen oder Spiralen in gleicher Weise zur Anwendung kommen kann.

Ein Raumthermostat hat die .Aufgabe, die Durchschnittstemperatur eines Raumes möglichst konstant zu halten, unabhängig davon wie groß der Wärmebedarf des Raumes ist. Der oder die Bewohner des Raumes stellen den Thermostaten auf einen Temperaturwert ein, der ihnen das Gefühl der Behaglichkeit vermittelt. Geringfügige Schwankungen der Temperatur um einen Mittelwert stören das Behaglichkeitsgefühl nicht. Deshalb kann die zur Aufrechterhaltung der Raumtemperatur benötigte Wärme in zeitlich begrenzten

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Quanten der gesamten Heizleistung zugeführt werden. Bei einer Elektroheizung, bei der ein Thermostat einen oder auch mehrere im Raum verteilte Heizkörper ein- und ausschaltet, erzielt man eine wenig aufwendige und trotzdem befriedigende Temperaturregelung, wenn man dafür sorgt, daß die durch die portionsweise Wärmezufuhr, bedingten Warmeschwankungen nicht zu groß werden. Theoretisch kann das erreicht werden, wenn man die konstruktionsbedingte Schaltdifferenz genügend klein hält. Der dafür notwendige Aufwand ist jedoch relativ hoch, da bei gleichbleibender Schaltarbeit das Birnetallvolumen um so höher sein muß, je kleiner die Temperaturdifferenz ist. Weiter in von Nachteil, daß Änderungen der Schaltdifferenz infolge von unvermeidlichem Kontaktverschleiß sich umso mehr störend bemerkbar machen, je kleiner die Schaltdifferenz eines Thermostaten mit neuwertigen Kontakten ist.

Ein Mittel, die Schaltdifferenz künstlich zu verkleinern, ist die thermische Rückführung, auch Beschleunigung oder Acceleration genannt. Ein entsprechend dimensionierter Widerstand, der mit dem Temperaturfühler in thermischem Kontakt steht, wird gleichzeitig mit der Heizung eingeschaltet. Gleichzeitig mit dem durch das Einschalten der Heizung bedingten Anstieg der Temperatur steigt auch die Temperatur dieses Widerstandes und täuscht dem Temperaturfühler eine Abschalttemperatur vor, die um einige Temperaturgrade über der Raumtemperatur liegt.

unterliegt Außer dieser beabsichtigten Beschleunigung/jeder Thermostat einer weiteren thermischen Rückkopplung durch Wärmestrahlung und -leitung vom Heizgerät her.

Sie ist am stärksten bei Geräten mit eingebautem Thermostaten, und dies ist bei den meisten elektrischen Raumheizgeräten der Fall. Diese thermische Rückkopplung kann durch geschickte Konstruktion niedrig und in der Serie gleichmäßig gehalten werden, sie ist jedoch niemals, auch nicht bei Heizungen mit getrennt angeordnetem

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Temperaturregler, auszuschalten. In ihrer Auswirkung auf die Regeleigenschaften eines Thermostaten addiert sie sieh näherungsweise zu der vorher besprochenen Beschleunigung. Bei der Betrachtung der Wirkungsweise eines Thermostaten und der ihn beeinflussenden Größen kann man diese bejcen Faktoren zu einem einzigen zusammen· fassen. Wenn im folgenden von thermischer Rückführung die Rede ist, so soll darunter die Summe der beiden beschriebenen Größen verstanden sein.

Die thermische Rückführung, die nur in den Heizzeiten auf den Thermostaten einwirkt, hat einen Nachteil, der am augenfälligsten in Erscheinung tritt, wenn man als Extremfälle ansieht, daß der Wärmebedarf des zu regelnden Raumes einmal 0$ und zum anderen 100$ beträgt. Im Fall 1 - Wärmebedarf = 0% - ist, die Heizung überhaupt nicht eingeschaltet, somit auch keine thermische Rückführung vorhanden, am Temperaturfühler liegt die Raumtemperatur an. Im Fall 2 - Wärmebedarf = 100$ - ist die Heizung ständig eingeschaltet und mit ihr auch die thermische Rückführung, und der Temperaturfühler wird von der Summe von Raumtemperatur + Rückführung beaufschlagt. Die Arbeitstemperatur des Temperaturfühlers, als Mittelwert von Ein-, und Ausschalttemperatur angenommen, bleibt aber in beiden Fällen gleich. Somit sinkt bei steigendem Wärmebedarf die Raumtemperatur mehr und mehr gegenüber der Arbeitstemperatur ab und bei 100$ Wärmebedarf erreicht die Absenkung den Wert der thermischen Rückführung, der je nach Gerätekonstruktion und Heizleistung der Beschleunigung bis zu 10 C betragen kann. Der Thermostat erfüllt damit nicht seine Aufgabe, die Temperatur des zu regelnden Raumes unabhängig von äußeren Einflüssen konstant zu halten, sondern läßt ein Absinken der Raumtemperatur bei steigendem Wärmebedarf zu, d.h. seine Einstellung muß ständig der Außentemperatur angepaßt werden, wenn man im Raum immer gleiche Temperaturbedingungen haben will. Da aber der Wärmebedarf innerhalb kurzer Zeiträume sich stark verschieben kann, z.B. an klaren Wintertagen mit Sonneneinstrahlung bei Tage

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und starkemNachtfrost, ist ein fortwährendes Anpassen der Thermostateinsteilung ausgesprochen lästig und unzumutbar, zumal eine in Temperaturgraden eingeteilte Einstellskala für den Verstellknopf nur für einen bestimmten Prozentbetrag des Wärmebedarfs mir der.tatsächlichen Raumtemperatur übereinstimmen kann und in allen anderen Fällen die günstigste Einstellung empirisch ermittelt werden muß. Der Laie, dem die warmetechnischen Zusammenhänge nicht klar sind, wird eine Regelanlage, die er öfter von Hand nachstellen muß, als unvollkommen oder schlecht bezeichnen und ablehnen.

Um den oben geschilderten Nachteil auszugleichen, muß man eine Kompensation einfügen, die den Temperaturfühler stets mit der gleichen Abweichung von der Raumtemperatur beaufschlagt, ob nun eine Abweichung durch thermische Rückführung vorhanden ist oder nicht. Da nur der Mittelwert der durch die thermische Rückführung verursachten Abweichung kompensiert werden muß, die schnellen Temperatüränderungen der Acceleration hingegen voll zur Geltung kommen sollen, muß die thermische Zeitkonstante der Kompensation wesentlich größer sein als die der thermischen Rückführung. Bekannt ist eine Kompensation, bei der ein Widerstand zur Erzielung einer großen Zeitkonstante in einen Block aus kermaischem Werkstoff eingebettet ist, der seinerseits im Grundkörper eines Thermostaten mit Bimetallfühler und von diesem beaufschlagten Schnappschalter untergebracht ist. Ein weiterer Widerstand ist mit einer Klammer am Bimetallfühler angebracht, mit dem er in engem thermischen Kontakt steht und als Acceleration dient. Der Kompensationswiderstand wird in den Heizpausen an Spannung gelegt. Er verursacht dadurch -eine durchschnittliche thermische Mißweisung in Abhängigkeit vom Wärmebedarf, deren Höhe von der Heizleistung des Widerstandes abhängig ist. Durch Wahl eines entsprechenden Widerstandswertes kann man die Mißweisung durch die thermische Rückführung hinreichend

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genau auskompensieren. Aus Platzgründen kann man den Kompensationsblock nicht beliebig groß machen. Bei der gewählten Größe liegt die Halbwertzeit bei 2...3 Minuten, ist also klein im Vergleich zu einem Heiztakt.. Da die Kompensation naturgemäß gegenläufig zur Acceleration arbeitet., ist bei der niedrigen Zeitkonstante der Kompensation eine verringernde Rückwirkung auf die Acceleration unvermeidlich.

Es sind weitere Methoden der Kompensation bekannt, die mit einem temperatürabhängigen Widerstand (NTC oder PTC) arbeiten, wobei dieser seinen Widerstandswert in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Heizleistung ändert, z.B. durch Abfühlen der Heizkörpertemperatur und durch Rückwirkung auf den Accelerationswiderstand, dessen Funktion im Sinne einer Kompensation beeinflußt wird. Da die Temperatur bei elektrischen Heizkörpern stark schwankt, ist es schwierig, durch entsprechende Wärmespeicherung einen nur geringfügig schwankenden Durchschnittswert der Heizkörpertemperatur zu-bilden, denn auch hier wirken sich Temperaturschwankungen, die synchron mit· den Heiztakten verlaufen,· ungünstig auf die Wirkungsweise der Acceleration aus.

Nachstehend wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, bei dem die bekannten Unzulänglichkeiten weitgehend ausgeschaltet sind. In einer weiteren Ausarbeitung des Erfindungsgedankens soll dargelegt werden, daß es möglich ist, eine Kompensation nach Installation den Verhältnissen des Heizgerätes und des Raumes anzupassen.

Fig. 1 zeigt einen Raurathermostaten mit erfindungsgemäßer Kompensationseinrichtung in Seitenansicht,

Fig. 2 zeigt das gleiche Gerät unter anderen Betriebsbedingungen, Fig. 3, 4 und 5 geben verschiedene elektrische Stromlaufplane

eines Heizgerütes mit erfindungsgemäßem Thermostaten wieder,

Fig. 6 zeigt in einem Diagramm den Temperaturverlauf in Abhängigkeit vom Wärmebedarf.

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Es sei angenommen, daß sich der in Fig.l dargestellte Thermostat in einem Zustand befindet, bei dem der Wärmebedarf des geregelten Raumes annähernd 0$ beträgt, beispielsweise auf der Linie A von Pig.β.

Die parallel zur Abszisse verlaufende Linie χ entspricht der idealen Raumtemperatur. Infolge kurzer Heizimpulse, die den Wärmebedarf decken, schwankt die Raumtemperatur in geringen Grenzen um den Punkt Al. Bei Erreichen der oberen Grenze dieser Temperaturschwankung ist das als Temperaturfühler dienende Thermobimetall durchgebogen, wie gestrichelt gezeichnet, der Schaltkontakt 3 hat geöffnet und den Heizstromkreis unterbrochen. Mit der Kurve 2 ist der Thermostat auf die gewünschte Raumtemperatur eingestellt. Der Accelerationswiderstand 4 ist unmittelbar am Temperaturfühler angebracht. Infolge der nur kurzzeitig einwirkenden thermischen Rückkopplung ist die durch sie verursachte durchschnittliche Auslenkung des Temperaturfühlers gering. Nimmt der Wärmebedarf zu und damit die Einwirkung der thermischen Rückführung, so vergrößert sich die durchschnittliche Auslenkung des Temperaturfühlers, und ohne Kompensation würde der Thermostat bei tieferer Raumtemperatur regeln (Linie Y in Fig.6). Fig.2 gibt den Zustand bei annähernd 100$ Wärmebedarf, entsprechend der Linie B in Fig.6, wieder. Die Raumtemperatur würde um den Punkt B 1 pendeln. Die Kompensationseinrichtung gemäß der Erfindung, bestehend aus einer einseitig am Thermostatsockel 5 befestigten Thermobimetallschleife 6, einem Heizwiderstand 7 und einer wärmespeichernden, den Raum zwischen Widerstand 7 und Bimetallschleife 6 ausfüllenden elastischen Masse 8, gleicht die erhöhte durchschnittliche Auslenkung des Temperaturfühlers wieder aus, so daß sein Arbeitspunkt, der Anlagepunkt am Schaltetößel 9, immer auf dem gleichen Niveau gehalten wird. Material und Dimensionen der Bimetallschleife 6 sind so gewählt, daß von außen einwirkende Einflüsse nur eine geringe Auslenkung verursachen, im Vergleich zu der im Widerstand 7 erzeugten und in der Masse 8 gespeicherten Wärme. Da diese Wärme ebenfalls in Abhängigkeit vom Wärmebedarf des Raumes erzeugt wird, kann man sie und

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damit die Auslenkung der Bimetallschleife so dimensionieren, daß eine vollständige Kompensation der thermischen Rückführung erfolgt. Die Auswirkung der Kompensation auf den Thermostaten ist durch' die Linie ζ in Fig.6 dargestellt. Addiert man die Temperaturgrade dieser Linie zu denen der Linie Y, so erhält man als Resultat die waagerecht verlaufende Linie x, die der idealen Raumtemperatur entspricht. Grundsätzlich ist es möglich, den Kompensationswiderstand 7 in einen Körper aus keramischer oder Kunststoff-Masse hinreichender Größe einzubetten, der im Inneren der Bimetallschleife 6 so untergebracht wird, daß deren Auslenkung dadurch nicht behindert wird. Das Wärmespeichervermögen ist für beide Materialien annähernd gleich. Wesentlich bessere Ergebnisse erzielt man, wenn der Kompensationswiderstand 7 in einen elastischen geschäumten Kunststoff eingebettet wird, der das Innere der Bimetallschleife vollständig ausfüllt. Die Wärmedämmung und damit auch das Wärmespeichervermögen ist um ca. eine Zehnerpotenz höher als bei festen Materialien. In einer weiteren Ausarbeitung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, die gesarate Kompensationseinrichtung so in elastischen Schaumstoff zu betten, daß auch die Außenseite der Bimetallschleife davon umgeben ist, wie in Fig.2 gezeichnet. Damit lassen sich Einflüsse" der Umgebungstemperatur auf das Kompensationselement weitgehend ausschalten. Herstellungstechnisch bedeutet es keinen Unterschied, ob nur der Innenraum der Schleife oder gleichzeitig ein sie umgebender Mantel ausgeschäumt wird.

An der Wirkung der Kompensation ändert sich nichts, ob ihr Widerstand in den Heizphasen oder in den Heizpausen eingeschaltet ist. In den Stromlaufplanen Fig.3 und 4 ist letzteres der Fall. In Fig.3 liegt der Kompensationswiderstand in Reihe mit der Heizung und wird durch den Schaltkontakt J kurzgeschlossen. Da der Widerstandswert der Heizung gering ist im Vergleich zu dem des Kompensationswiderstandes, spielt er bei der Bemessung der

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Kompensation keine Rolle. In Fig.H- dient ein im Thermostat vorhandener Ruhekontakt 5 zum Einschalten der Kompensation. In beiden Fällen muß das Kompensationsbimetall 6 so angeordnet werden, daß es bei Erwärmung den Temperaturfühler 1 zum Schalter hin verstellt. In Fig.5 liegt die Kompensation elektrisch parallel zur Heizung 10 und Acceleration 4 und wird damit während der Heizphasen eingeschaltet. Die Arbeitsrichtung des Kompensationsbimetalls 6 ist umgekehrt, d.h. der Temperaturfühler 1 wird bei Erwärmung der Kompensation vom Schalter weg verstellt. Diese Anordnung hat gegegenüber dem vorher beschriebenen den Vorteil, daß die Einwirkung der Kompensation bei der E-ichung des Thermostaten unberücksichtigt bleiben kann. Im Stromlaufplan Fig.5 liegt in Reihe mit dem Kompensationswiderstand 7 ein einstellbarer Widerstand 11, dessen Zweck nachfolgend erläutert werden soll.

Der Wärmebedarf eines Raumes wird von verschiedenen Faktoren bestimmt. Vor allen Dingen sind dies das Wetter, also die Außentemperatur, und die gewünschte Innentemperatur, die je nach Art der Nutzung des Raumes, beispielsweise ob es sich um einen Wohn- oder Schlafrauraoder um einen wenig begangenen Lagerraum handelt, in weiten Grenzen schwanken kann. Ferner wird der Wärmebedarf beeinflußt durch die Lage des Raumes im Gebäude, die Bauweise und die Temperatur der Nachbarräume. Als Störfaktoren kommen andere Geräte, die intermittierend Verlustwärme abgeben, beispielsweise Beleuchtungskörper oder Geräte der Unterhaltungselektronik, sowie unterschiedliche Anzahl der Bewohner in Betracht. Selbst wenn man diese Störfaktoren, die sich wegen ihrer Unregelmäßigkeit nicht kompensieren lassen, unberücksichtigt läßt, wird es nicht möglich sein, ein Heizgerät auf dem Markt zu finden, das für den vorgesehenen Raum hinreichend genau kompensiert ist. Dies ist nur möglich durch Einsatz eines Heizgerätes, dessen Thermostat unterkompensiert ist und das eine Möglichkeit besitzt, die Wirkung der Kompensation zu reduzieren, z.B. durch einen Serienwiderstand im Stromkreis der Kompensation, der nach der Installation des Heizgerätes und Feststellung

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des Wärmebedarfs entweder als austauschbarer Festwiderstand oder als regelbarer Widerstand ständig im Gerät verbleibt, wobei letzteres, falls er dem Raumbenutzer zugängig ist und verstellt werden kann, diesem die Möglichkeit gibt, die Heiζcharakteristik seinen individuellen Wünschen anzupassen, beispielsweise durch Überkompensation zu erreichen, daß die Raumtemperatur ansteigt, je mehr die Außentemperatur absinkt. Diese gegenläufige Abhängigkeit der Innen von der Außentemperatur kann vor allen Dingen für Räume, die nicht ständig genutzt werden und deren Temperatur üblicherweise niedriger ist als die von Wohnräumen, wünschenswert sein. Der Einsatz des einstellbaren Widerstandes 11 ist nicht auf die Schaltung gemäß Fig.5 beschränkt. Er läßt sich in allen Fällen anwenden, in denen eine thermoelektrische Kompensation vorhanden ist.

Patentansprüche

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Claims (11)

Patentansprüche

1. ^thermostat für Elektroheizungen mit einem Schnappschalter und

einem Thermobimetailstreifen als Temperaturfühler, dessen Mittelpunkt über einen Stößel in Wirkverbindung mit dem Schnappschalter steht und dessen Enden Auflager haben, von denen eines zum Zweck der Temperatüreinsteilung verstellbar ist,

dadurch gekennzei chnet, daß das der Verstellvorrichtung gegenüberliegende Auflager von einer etwa kreis- oder U-förmig gebogenen Schleife (6) aus Thermobimetall gebildet wird, deren eines Ende am Thermostatsockel (5) befestigt ist und das andere Ende kraftschlüssig mit dem Temperaturfühler (1) verbunden ist, daß sich im Zentrum der Schleife (6) ein Widerstand (7) befindet, der in einen Körper aus wärmespeicherndem Material (8) eingebettet ist.

2. Thermostat nach Anspruch 1,

dadurch gekennzei chnet, daß als wärmespeicherndes Material ein geschäumter elastischer Kunstharz dient, der den Widerstand (7) vollständig einhüllt und den Innenraum der Schleife (6) ausfüllt.

3. Thermostat nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzei chnet , daß die Schleife (6) außen von dem gleichen Material umkleidet ist, das das Innere ausfüllt.

4. Thermostat nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (7) elektrisch den Schaltkontakt (3) des Thermostaten überbrückt.

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5· Thermostat nach Anspruch 1, ·

dadurch gekennzeichnet,

daß der Widerstand (7) einerseits an die nicht geschaltete Phase des Versorgungsnetzes, andererseits an einen Ruhekontakt des Schalters im Thermostaten angeschlossen ist.

6. Thermostat nach den Ansprüchen 1 und 5 oder 6, dadurch gekennzei chnet, daß die Komponente höherer spezifischer Ausdehnungder Schleife (6) außen angeordnet ist.

7. Thermostat nach Anspruch 1,

dadurch gekennzei chnet , daß der Widerstand (7) elektrisch parallel zum Heizkörperwiderstand (10) geschaltet ist.

8. Thermostat nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente höherer spezifischer Ausdehnung der Schleife (6) innen angeordnet ist.

9. Thermostat nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis des Widerstandes (7) und mit diesem in Reihe liegend ein weiterer Widerstand (11) angeordnet ist, dessen Verlustwärme den Thermostaten nicht beeinflußt.

10. Thermostat nach den Ansprüchen 1 und 9» dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Widerstand (11) ein einstellbarer Widerstand ist.

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11. Thermostat nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet ,

daß am Temperaturfühler (1) ein elektrisch dem Heizkörperwiderstand (10) parallelgeschalteter Widerstand (4) in engem thermischen Kontakt mit dem Temperaturfühler (1) angeordnet ist.

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