DE2229115A1 - Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Wärmeübertragers - Google Patents

Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Wärmeübertragers

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Elmer R. North Reading Mass. Jones (V.St.A.)
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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  • Control Of Temperature (AREA)

Description

Bremen, den 12„ Juni 1972 Seh/B.
Anmeldung zum Patent und Hilfsgebrauchsmuster
ANMELDER:
Wakefield Engineering, Ine, Wakefield, Mass. USA
ERFINDER:
Elmer R. Jones, North Reading, Mass,
BEZEICHNUNG:
Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Wärmeübertragers
KENNWORT:
Wakefi eld/w/Ooo1-Pose
JOURNAL-NR.: 72.16
209853/0795
Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Wärmeübertragers
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Wärmeübertragers mit einer Flüssigkeit als Wärmeträger, die nach Abkühlung im Wärmeübertrager über einen der Kühlung des Wärmeträgers dienenden Wärmeaustauscher und eine wenigstens zum Teil tiefer als der Wärmeübertrager angeordnete Heizeinrichtung in geschlossenem Kreislauf zum Wärmeübertrager zurückfließt, insbesondere zur Thermostatierung von Leistungstransistoren oder sonstigen elektronischen Einrichtungen.
Die bekannten Vorrichtungen dieser Art haben sowohl bauliche als auch betriebliche Nachteilej insbesondere sind sie verwickelt und kostspielig. So ist es bekannt, den zur Kühlung des Wärmeträgers dienenden Wärmeaustauscher so auszubilden» daß er, gesteuert durch die Temperatur des Wärmeübertragers, mit Kühlflüssigkeit beschickt wird, wenn die Temperatur des Wärmeübertragers eine vorgegebene Temperaturschwelle überschreitet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß alle Teile des Kreislaufes auf im we-
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sentlichen der gleichen hohen Temperatur arbeiten wie der thermostatierte Wärmeübertrager. Dadurch ergeben sich unerwünscht hohe ¥ärmeVerluste; insbesondere aber ist es schwierig, dem "Wärmeaustauscher die zur Kühlung dienende Kühlflüssigkeit in der für einen ordnungsgemäßen Ablauf des Vorgangs erforderlichen Art zuzuführen. Liegt beispielsweise die gewünschte Temperatur des Wärmeübertragers bei 1500C, so muß das Kühlwasser mit entsprechendem Überdruck in den Wärmeaustauscher eingeführt werden, um ein Ver— dämpfen des Kühlwassers zu vermeiden und es muß die Kühlwassermenge so dosiert werden, daß eine vollständige Kondensation des von der Heizeinrichtung über den Wärmeübertrager in den Wärmeaustauscher gelangenden Dampfes vermieden wird. Es ist ferner bekannt, mit einem vollständig flüssigkeitsgefüllten Zwangskreislauf zu arbeiten; auch ein solches System erfordert, ganz abgesehen davon, daß der Kreislauf durch eine&esondere Pumpe aufrechterhalten werden muß, komplizierte und störanfällige Regeleinrichtungen, wenn, wie bei der Thermostatierung elektronischer Geräteteile, eine hohe Temperatur konstant gefordert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, welche die beschriebenen Nachteile der bekannten Vorrichtungen ver-
Q · . 4
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_ 4 —
meidet und insbesondere bei einfachem Aufbau und einfache Betriebsweise eine zuverlässige Thermostatierung hoher Genauigkeit gewährleistet.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch geßst worden, daß in einer Vorrichtung mit den eingangs bezeichneten Merkmalen dem Wärmeaustauscher ein wenigstens zum Teil höher als der Wärmeübertrager liegender Flüssigkeitsspeicher und ein Strömungsregler für die Menge der zur Heizeinrichtung zurückgeführten, im Wärmeaustauscher gekühlten Flüssigkeitsmenge zugeordnet ist. Auf diese Weise ergibt sich ein wirksamer Flüssigkeitskreislauf ohne die Notwendigkeit einer Umwälzpumpe, das vakuumdicht auch mit Unterdruck und bei niedrigen Temperaturen arbeiten kann. Von der Heizeinrichtung aufsteigende Dampfblasen gelangen über den Wärmeübertrager in den Wärmeaustauscher und werden dort in einem kontinuierlichen Kühlvorgang kondensiert. Dabei wird ein intensiver Wärmeübergang im Wärmeübertrager erzielt. Durch den Strömungsregler wird eine feinfühlige Dosierung der gekühlten Flüssigkeitsmenge mit hoher Genauigkeit bis auf Bruchteile von 0,010C erreicht. Des weiteren besteht der Vorteil, daß im Kreislauf erhebliche Temperaturdifferenzen, insbesondere zwischen dem Wärmeübertrager und dem Wärmeaustauscher aufrechterhalten werden, welche die Arbeitsweise und Wirksamkeit des Kreislaufes wesentlich begünstigen.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es zeigt
Figo 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung in einer ersten Ausführungsform und
Fig ο 2 eine Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 1, in Teildarstellung.
Fig„ 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Temperaturregelung nach der Erfindung» Das System besteht im wesentlichen aus einem geschlossenen Kreislauf 20 mit Heizeinrichtung 10, Speicher 12, Wärmeaustauscher 14 und einem temperaturgesteuerten Ventil 16„ Der Stromkreis 20 kann aus einem oder mehreren parallelgeschalteten Kreisen bestehen. Die Vorrichtung dient zur Regelung der Temperatur eines "Wärmeübertragers 22, beispielsweise in Form einer Platte als Träger für zu thermostatierende elektronische Elemente wie beispielsweise Leistungstransistoren.
Die Heizeinrichtung 10 kann aus einem Rohrsystem mit 3" Rohren bestehen; sie ist mit einem Eingang 24 und Ausgang 25 sowie einem elektrischen, an eine HO-Volt-Wechselspannungsquelle angeschlossenen Heizkörper 10 versehen.
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In einem ersten Leitungsabschnitt 2OA, der sich vom Ausgang 25 der Heizeinrichtung 10 bis zum Eingang 30 des Speichers 12 erstreckt, ist der Wärmeübertrager 22 angebracht, der vorzugsweise aus einem halbzylindrischen Kanal besteht (nicht dargestellt) und in thermischem Kontakt mit der entsprechend ausgeführten Leitung 2OA steht„
Der thermostatierte Wärmeübertrager 22 trägt eine Anzahl elektronischer Geräteteile 32, die mit ihm ebenfalls in engem thermischem Kontakt stehen. Diese elektronischen Geräteteile 32 stehen zur dynamischen Zusammenwirkung mit elektronischen Geräten in Verbindung, Ein Temperaturfühler 34 ist am Wärmeübertrager 22 angebracht und über eine Leitung 36 mit einem Temperatur-Steuergerät 38 verbunden, dessen Ausgang über eine Leitung 40 an den Eingang des temperaturgesteuerten Ventils 16 führt.
Der Leitungsabschnitt 2OA ist mit einer Abzweigung 2OB zu einem Überdruckventil 42 verbunden, das öffnet, wenn der Druck im geschlossenen Kreislauf eine vorgegebene Druckschiene überschreitet.
Der Speicher 12 kann aus 3"-Rohren bestehen und wird mit einem Flüssigkeitsspiegel L betrieben, wie in Fig. 1 veranschaulicht ist. An den Dampfraum des Speichers ist oben
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am Ausgang 44 ein Leitungsabschnitt 20 C angeschlossen, der zum Eingang 48 des Wärmeaustauschers 14 führte Auch der Wärmeaustauscher 14 kann aus 3"-Rohren aufgebaut sein und eine Kühlschlange 54 mit Eingang 56 und Ausgang 58 für eine Kühlflüssigkeit enthalten,, Von der Heizeinrichtung aufsteigender Dampf gelangt in Form von Dampfblasen über den Leitungsabschnitt 2OA, den Speicher 12 und den Leitungsabschnitt 2OC in den Wärmeaustauscher 14, wird dort kondensiert und bildet bei geschlossenem Ventil 16 eine Kondensatmenge 50, deren Spiegel im Verlauf des Regelvorganges mehr oder weniger hoch ansteigen kann, ehe das Ventil 16 öffnet und das Kühlkondensat über den Leitungsabschnitt 2OD und 2OF zur Heizeinrichtung 10 abfließen läßt β Der Leitungsabschnitt 2OD verbindet den Ausgang des · Wärmeaustauschers 14 mit dem Eingang 60 des Ventils 16, während der Leitungsabschnitt 2OF die Rückflußleitung vom Ventil 16 zur Heizeinrichtung 10 darstellt. An den Leitungsabschnitt 2OD ist eine Abzweigung 2OE zu einem Fülleinlaß 65 angeschlossen, Dieser Fülleinlaß kann geöffnet werden, um Flüssigkeit ins System einzuführen oder je4ach Wunsch auch ein Vakuum im System zu erzeugen„
Vom Temperatur-Steuergerät 38 wird über die Leitung 40 das Ventil 16 geöffnet oder geschlossen, je nachdem die
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Temperatur des Wärmeübertragers 22 eine vorgegebene Temperaturschwelle über- oder unterschreitet» Dadurch ist es möglich, bei Überschreiten der vorgegebenen Temperaturschwelle eine abgemessene Menge von Kühlflüssigkeit 50 in die Heizeinrichtung 10 einzuspeisen.
Nach Inbetriebnahme der Vorrichtung durch Einschalten des Heizstromkreises steigen Dampfblasen aus der Heizeinrichtung auf und gelangen über den Leitungsabschnitt 2OA in den Speicher 12. Dabei ist zunächst das Ventil 16 geschlossen, so daß keine kalte Flüssigkeit über die Rücklaufleitung 2OF in die Heizeinrichtung eingespeist wird.
Wenn der Wärmeübertrager 22 und die mit ihm verbundenen elektronischen Elemente die vorgegebene Temperatur von beispielsweise 150 C erreicht haben, öffnet das Ventil 16. Während des AufheizVorganges gelangt ein Teil der Flüssigkeit des Systems als Dampf in den Wärmeaustauscher 14. Dabei steigt der Wasserspiegel L im Wärmeaustauscher 14, während der Wasserspiegel L im Speicher 12 absinkt.
Der Wärmeaustauscher 14 kann durch irgendein Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser über die Kühlschlange 54 kontinuierlicfygekühlt werden, so daß der gesamte, vom Speicher 12 zum Wärmeaustauscher 14 überströmende Dampf kondensiert wird.
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Dieses Kondensat sammelt sich im Wärmeaustauscher 14 an, bis bei Überschreiten der gewünschten Temperatur von 15O°C das Ventil 16 öffnet. Beim Öffnen des Ventils 16 wird durch das plötzliche Überströmen der angesammelten Kondensatmenge eine verhältnismäßig schnelle Kühlung der Flüssigkeit 50 in der Heizeinrichtung 10 und im Leitungsabschnitt 2OA herbeigeführt. Infolgedessen wird nach verhältnismäßig kurzer Zeitspanne über die TemperaturSteuereinrichtung 34» 38 das Ventil 16 wieder geschlossen und damit der Zustrom von kühlem Kondensat zur Heizeinrichtung unterbrochen. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch in Abhängigkeit von den Temperaturschwankungen des Wärmeübertragers 22, dessen Temperatur nach dem Schließen des Ventils 16 ansteigt und nach dem Öffnen des Ventils 16 abfällt.
Für die Arbeitsweise der Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn der Speicher 12 ein größeres Fassungsvermögen aufweist als der Wärmeaustauscher 14. Dies ist insbesondere wichtig, damit eine genügende Flüssigkeitsmenge im Leitungsabschnitt 2OA erhalten bleibt, so daß der Leitungsabschnitt 2OA standigAit Wasser gefüllt ist; beim Abfallen des Wasserspiegels bis in den Bereich des Leitungsabschnittes 2OA würde sich eine ungleichmäßige Erwärmung des Wärmeübertragers 22 ergeben.
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Im dargestellten System ist es vorteilhaft, wenn die Rückführleitung 2OF für die gekühlte Flüssigkeit im Bodenbereich an die Heizeinrichtung 10 angeschlossen ist, um zu verhindern, daß Dampfblasen aus der Heizeinrichtung in die Rückführleitung 2OP aufsteigen.
Es ist wichtig für die gute Wirksamkeit des Systems, daß die von der Heizeinrichtung 10 aufsteigenden Dampfblasen eine intensive Bewegung des Wärmeträgers im Leitungsabschnitt 2OA hervorrufen und dadurch eine gute Wärmeleitung zum Wärmeübertrager sicherstellen. Ferner ist es für die Wirksamkeit der Vorrichtung von Bedeutung, daß der den Wärmeaustauscher 14 enthaltende Teil des Kreislaufes unter wesentlich niedrigerer Temperatur betrieben wird als der Leitungsabschnitt mit dem Wärmeübertrager 22. Beispielsweise kann bei einer konstanten Temperatur des Wärmeübertragers 22 von 1500C der Wärmeaustauscher 14 auf 40 - 500C oder im wesentlichen auf Raumtemperatur gehalten werden.
Der Wärmeaustauscher 14 arbeitet somit als eine Quelle für periodisch abgemessene Kühlwassermengen im Kreislauf, und zwar nicht, wie in der oben beschriebenen bekannten Einrichtung,durch Abmessung der die Kühlschlange 54 durchströmenden Kühlflüssigkeit,sondern durch Dosierung des sich in ihm zyklisch sammelnden kühlen Kondensats, das
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dann über das Ventil 16 unmittelbar im Kreislauf 20 mit umläuft.
Die niedrige Temperatur im Wärmeaustauscher 14 hat zur Folge, daß der Wärmeaustauscher aus einer einfachen Kühlwasserquelle betrieben werden kann und nicht Kühlwasser unter hohem Druck erfordert.
Die Vorrichtung nach der Erfindung kann über einen weiten Temperaturbereich und insbesondere auch bei niedrigen Temperaturen arbeiten. Für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen kanntöber die Abzweigung 2OE ein Vakuum im System erzeugt werden. Dabei ist es möglich, den Wärmeträger in der Heizeinrichtung 10 bei 40 - 50°6 zum Kochen zu bringen.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung mit anderer Anordnung von Speicher 12 und Wärmeaustauscher 14. Dabei ist der Leitungsabschnitt 2OA vom Wärmeübertrager 22 unmittelbar sowohl an den Speicher 12 als auch den Wärmeaustauscher 14 angeschlossen und der Strömungsregler 16 führt das im Wärmeaustauscher 14 sich ansammelnde Kondensat in den Speicher 12, während der Speicher 12 unmittelbar mit der Rückführleitung 2OF zur Heizeinrichtung 10 verbunden ist. In dieser Ausführungsform bleibt der Speicher 12 auf im wesentlichen der gleichen Temperatur vie der Wärmeübertrager
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und die Rückführleitung 2OF ist ständig mit Wasser gefüllt, Die durch Übergabe der kühlen Kondensatmengen in den Speicher sich ergebenden Temperaturschwankungen des Wassers im Speicher sind zwar kleiner als die Temperaturschwankungen bei unmittelbarer Überleitung des kühlen Kondensats in die Heizeinrichtung, bewirken aber im Prinzip die gleichen Regelvorgänge wie sie für die Ausführungsform nach Figo 1 beschrieben sind,,
Im Rahmen der Erfindung sind noch mancherlei Abänderungen und andere Ausführungen möglicho So könnte der Strömungsregler 16, statt zyklisch zu öffnen und zu schließen, auch mit geregelter Drosselung der Kondensat— überströmung arbeiten. Ferner wäre es möglich, den Strömungsregler mit gesteuerter oder fester Frequenz zu öffnen und zu schließen und dabei das Impulslängenverhältnis vom Temperaturfühler aus zu steuern. Ferner können mehrere Leitungsabschnitte 2OA mit mehreren Wärmeübertragern in das System eingeschaltet werden.
- Patentansprüche -
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Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE:
    (1 Λ Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Wärmeübertragers mit einer Flüssigkeit als Wärmeträger, die nach Abkühlung im Wärmeübertrager über einen der Kühlung des Wärmeträgers dienenden Wärmeaustauscher und eine wenigstens zum Teil tiefer als der Wärmeübertrager angeordnete Heizeinrichtung in geschlossenem Kreislauf zum Wärmeübertrager zurückfließt, insbesondere zur Thermostatierung von Leistungstransistoren oder sonstigen elektronischen Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß dem
    Wärmeaustauscher (14) ein wenigstens zum Teil höher als der Wärmeübertrager (22) liegender Flüssigkeitsspeicher (12) und ein Strömungsregler (16) für die Menge der zur Heizeinrichtung (10) zurückgeführten, im Wärmeaustauscher gekühlten Flüssigkeitsmenge zugeordnet ist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Rückführleitung (20F) für die gekühlte Flüssigkeit im Bodenbereich an die Heizeinrichtung (1O) angeschlossen ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (14) im Kreislauf einen brückenförmigen Bogen bildet.
    ... 14
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    4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf (20) an den Ausgang (44) des Speichers (12) oben mit einer Leitung (20C) angeschlossen ist»
    5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Wärmeaustauscher (14) mit einer ständig von einem Kühlmittel durchflossenen Kühlschlange (54) versehen ist»
    ο Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsregler (16) von einem Temperaturfühler (34) am Wärmeübertrager (22) gesteuert ist und die Leitung (20D) vom Wärmeaustauscher (14) zur Heizeinrichtung (10) vorübergehend öffnet, wenn eine vorgegebene Temperaturschwelle überschritten wird.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Kreislaufes (20) aus dem Wärmeübertrager (22) an den Eingang (30) des Speichers (12) und den Eingang (48) des Wärmeaustauschers (14) angeschlossen ist.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsregler (16) ausgangsseitig an den Speicher (12) und der Speicher ausgangsseitig an die Heizeinrichtung (1O) angeschlossen ist.
    ... 15
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    Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf (20) im Wärmeübertrager (22) aus mehreren wärmeübertragenden Prallelzweigen (20A) gebildet ist,
    ΙΟ» Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (14) mit einem Wasserspiegel (L) arbeitet, der von Leistung und Temperaturschwelle des Wärmeübertragers (22) abhängig ist.
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