DE2620052A1

DE2620052A1 - Verfahren und vorrichtung zur anzeige des beginns einer physikalischen zustandsaenderung

Info

Publication number: DE2620052A1
Application number: DE19762620052
Authority: DE
Inventors: Michael James Baker
Original assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Current assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Priority date: 1975-05-05
Filing date: 1976-05-04
Publication date: 1976-11-25
Also published as: GB1501963A; DE2620052C3; FR2310563A1; FR2310563B3; DE2620052B2

Description

Meissner & Meissner

PATE NTAN WALTS BÜRO

BERLIN — MÜNCHEN

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. W. MEISSNER (BLN) DIPL.-ING. P. E. MEISSNER (MCHN) DIPL-ING. H.-J. PRESTING (BLN)

1 BERLIN 33, HERBERTSTR. 22

Ihr Zeichen Ihr Schreiben vom Unser Zeichen

Fall Hd 26934/Hk

Berlin, den

k. Mai 1976

Hawker Siddeley Dynamics Limited Manor Road

Hatfield, Hertfordshire, AL1O 9LL England

Verfahren und Vorrichtung zur Anzeige des Beginns einer physikalischen Zustandsänderung"

609848/0621

BORO MÖNCHEN:	TELEX:	TELEGRAMM:	TELEFON:	BANKKONTO:	POSTSCHECKKONTO:
8 MÖNCHEN 22	1-856 44	INVENTION	BERLIN	BERLINER BANK AG.	W. MEISSNER, BLN-W
ST. ANNASTR. 11	INVEN d	BERLIN	030/885 60 37	BERLIN 31	122 82-109
TEL.: 089/22 35 44			030/886 23 82	3695716000

Verfahren und Vorrichtung zur Anzeige des Beginns einer physikalischen Zustandsänderung

Die Erfindung betdfft ein Verfahren zum Erhalt einer Anzeige über den beginn einer Änderung im physikalischen Zustand, beispielsweise Gefrieren oder Sieden, eines fließenden ^trömungsmittels oder eines Bestandteils eines solchen fließenden Strömungsmittels und eine Vorrichtung, insbesondere Warnvorrichtung, zur Anzeige des Beginns einer solchen Zustandsänderung.

Erfindungsgegenstand ist insbesondere - jedoch nicht ausschließlich - anwendbar, um eine Warnung über Vereisungszustände in Flugzeug-Klimaanlagen zu liefern.

■fc-s gibt zwei grundsätzliche Verfahren zur Überwachung der Zustände in einem Luftstrom, um eine Warnung über Eisbildung zu geben. Bei dem einen "Verfahren werden fortlaufend die relative Luftfeuchtigkeit und die Lufttemperatur überwacht, ^s erfolgt eine Warnung, wenn die relative Luftfeuchtigkeit sich dem Wert 100$ und die Lufttemperatur sich dem ^wert 0° nähert. Das andere Verfahren sieht vor, beispielsweise die '-i-'emperatur irgendeiner geeigneten Oberfläche zu erniedrigen und irgendeine physikalische Eigenschaft, die bei Vorhandensein von Eis an dieser Oberfläche geändert wird, zu überwachen. -Üiese auf Grund von Eisbildung auftretende Eigenschaftsänderung muß von Änderungen, die durch andere -^eaktionsmittel, wie z.-B. Wasser und Schmutz, hervorgerufen werden, unterscheidbar sein. Von dieser Art der überwachung wird beim Erfindungsgegenstand Gebrauch gemacht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches, technisch einwandfrei und zuverlässig arbeitendes Verfahren und System anzugeben, mit dem Änderungen im physikalischen Zustand eines fließenden Strömungsmittels überwacht und gemeldet werden können.

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-^rfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in den Ansprüchen angegebenen Mitteln und Maßnahmen gelöst.

Gemäß der Erfindung kommt eine thermo-elektrische Wärmepumpe zur Anwendung, um eine kalte Oberfläche in dem Luftstrom zu erreichten, die auf irgendeiner annähernd festen Temperaturdifferenz At unterhalb der allgemeinen temperatur des Luftstroms ist. Dies kann in typischer Weise erreicht werden, indem ein 'J-'hermoelement mit seiner einen Verbindung in innigen thermischen Kontakt mit der kalten Oberfläche gebracht wird, während die andere Verbindung so angeordnet wird, daß sie die allgemeine temperatur des Luftstroms abfühlt, ^er Ausgang dieses Thermoelements dient dann dazu, einen Verstärker zu steuern, dessen Ausgang wiederum bildet ein Mittel, um die thermo-elektrische Wärmepumpe zu betreiben, während die Steuerung des Verstärkers in einer derartigen Weise vorgenommen wird, daß die Temperaturdifferenz Δ t annähernd konstant gehalten wird.

Die durch den Verstärker zugeführte Energie soll klar auf die vom Luftstrom auf die kalte Oberfläche übertragene Wärme bezogen sein. Da die Temperaturdifferenz Δ t annähernd konstant ist, schließt das ein, daß der Verstärkerausgang zu dem allgemeinen Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen dem Luftstrom und der kalten Oberfläche in Beziehung stehen muß.

Verschiedene Faktoren können eine merkbare Änderung im Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen Luftstrom und kalter Oberfläche bewirken. Die Kondensation von Wasser oder die Bildung von Eis auf der kalten Oberfläche und die daraus folgende Freigabe von latenter Wärme lassen den allgemeinen Wärmeübertragungskoeffizienten - und insofern den Verstärkerausgang- ansteigen. Es ist jedoch ohne eine tatsächliche Temperaturmessung nicht möglich, zwischen diesen Erscheinungen zu unterscheiden. Ein derartiger Anstieg im Verstärkerausgang sollte deshalb unbeachtet bleiben. Auf das anfängliche Gefrieren von Eis auf der kalten Oberfläche folgt der Beginn des Aufbauens einer Eisschicht, -^iese isoliert teilweise die kalte

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Oberfläche gegen den Luftstrom und führt somit zu einer Verminderung in der Wärmeübertragung auf die kalte Oberfläche und folgliche rweise zu einer Verminderung des Verstärkerausgangs. JJiese Wirkung kann gesteigert werden, indem die kalte Oberfläche so angeordnet wird, daß ein Aufbau von -^is auf dieser Fläche zu einer Verminderung des in Berührung mit dem Luftstrom stehenden Eis-Oberflächenbereichs führt. Wenn beispielsweise die kalte Oberfläche die Innenseite einer engen Röhre bildet, durch die man eine Luftprobe strömen läßt, so kann das Aufbauen von -Eis zu einem vollständigen Blockieren der Röhre führen und insofern einen Abfall des Verstärkerausgangs auf einen sehr niedrigen Wert bewirken. Ein solcher Abfall im Verstärkerausgang kann als Anzeige dafür genommen werden, daß sich -^is an der kalten Oberfläche gebildet hat, und kann zur -Erzeugung eines "teuersignals herangezogen werden, von dem das Flugzeug-Klimaanlagensystem abhängig ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des ^rfindungsgegenstandes wird die kalte Oberfläche nicht als Röhre, sondern als schmaler Schlitz gebildet. -Das hat zum Ergebnis, daß er schnell, z.B. auf Grund von Vereisung, blockiert wird, so daß ein scharfer Rückgang in der Strömung hervorgerufen wird, welcher eine schnelle Änderung in der Wärmeübertragung bewirkt, um die Zustandsänderung zu melden. · Die Vorrichtung kann in zweckdienlicher ^weise aus einem Plattenstapel aufgebaut werden, wobei der Schlitz durch einen Spalt zwischen benachbarten Platten gebildet wird.

Eine gemäß der Erfindung aufgebaute thermo-elektrische Wärmepumpe die beispielsweise in einem Eiswarnsystem einer Flugzeug-Klimaanlage zur Anwendung kommen kann, ist Gegenstand der folgenden Beschreibung, aus der der Fachmann wesentliche Merkmale und Vorteile des ^rfindungsgegenstandes entnehmen wird.

Fig. 1 ist eine Explosionsdarstellung eines die Wärmepumpe bildenden Plattenstapels.
Fig. 2 zeigt eine Frontansicht.

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Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf die Wärmepumpe, wobei in der unteren Hälfte die Deckplatte weggelassen worden ist.

Fig. 4 zeigt den elektrischen bchaltkreis, an den die Wärmepumpe angeschlossen ist.

Die thermo-elektrische Wärmepumpe nach den ^lf'ig. 1 bis 3 besteht aus einem Stapel von durch (nicht gezeigte) Schraubenbolzen zusammengehaltenen Platten 11, 12, 13, 14 und 15. Die Platten 11 bzw. 15 sind die Boden- bzw. Deckplatten, zwischen die in Sandwich-Bauart stärkere Platten 12 und 14, die die Wärmepumpen-Halbleiterelemente 16, 17 tragen, eingefügt sind. Die Platte oder -Folie 13 ist eine dünne Abstands- oder ^eilageplatte (von denen auch mehr als eine vorhanden sein können) zwischen den Platten 12, 14. •^ie als Blöcke ausgebildeten Wärmepumpen-Halbleiterelemente 16,17 sind innig haftend in rechteckige Aussschnitte 18 der Platten 12,14 eingesetzt. Die Ausschnitte 18 sind länger als die Blöcke 16 und 17, so daß offene -Kechteckräume 19 neben den -"locken innerhalb des Stapels verbleiben, die eine innere Kammer bilden, ^ie Blöcke 16, 17 sind mit elektrisch leitenden Elektrodenflächen 2o an ihren Ober- und Unterseiten versehen, mit welchen elektrische Leiter verbunden sind. Die Elektrodenflächen sind durch Überstreichen mit Lack isoliert.

Die Beilageplatte oder -platten I3 trennen die Platten 12, 14 voneinander und damit die Wärmepumpenblöcke 16, 17 mit einem Schlitz von etwa 0,051 mm, und sie haben einen Ausschnitt 22, der in seiner Lage und Ausdehnung mit den Ausschnitten 19 in den Platten 12, 14 übereinstimmt. Damit wird zwischen den Blöcken 16, I7 ein Schlitz 23 zum -hinströmen (oder Ausströmen) von Luft oder eines anderen Strömungsmittels in die (oder aus der) von den Räumen 19 gebildete innere Kammer in %chtung des Pfeils A (oder diesem entgegen) gebildet. Ein Ausströmen aus der inneren Kammer (oder ein Einströmen) erfolgt durch die Rohrleitung 24, die mit der Bodenplatte 11 fest verbunden ist, in ^Richtung des Pfeüs B (oder diesem entgegen).

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wenn die Vorrichtung in betrieb ist, wird Wärme von der durch den Schlitz 23 strömenden Luft mittels der thermo-elektrischen Blöcke 16, 17 abgepumpt, und irgendeine %ldung von -^iskristallen blockiert den engen Schlitz sehr schnell, wodurch also ein schneller Rückgang in der °trömung durch die ^vorrichtung hervorgerufen wird, ^ie -^oden- und Deckplatten 11 bzw. I5 haben usschnitte 25, die mit den blöcken 16, 17 übereinstimmen, um eine gute Kühlung der -Blockoberflächen denen die Wärmepugepumpt wird, zu ermöglichen.

»"""ie -⁰Ig. 4 zeigt, ist der Ausgang eines ^verstärkers 30 zum Antrieb der Wärmepumpe an deren Zuleitungen 21 angeschlossen, -^er Verstärker 3o erhält seine Energie von der .Stromquelle 31; die Eingangssteuersignale, die von zwei Thermoelemente kommen, liegen an den -L-eitungen 33. ^as eine Thermoelement befindet sich an einer Stelle, an der es die Temperatur der kalten Oberfläche im Schlitz 23 der Wärmepumpe abfühlt, während sich das andere ¹hermoelement an einer Stelle befindet, an der es die allgemeine 'J-'emperatur des Luftstroms - entfernt von der Beeinflussung durch die kalten Oberflächen der Wärmepumpe erfaßt. Auf diese «'eise stellt das am Verstärker 3o liegende Eingangssignal die vorher erwähnte Temperaturdifferenz Δ t dar.

Der Verstärker ist derart; aufgebaut, daß sein Ausgang geregelt wird, um das Eingangssignal At imjwesentlichen konstant zu halten. Das heißt, wenn ^t abnimmt, so steigt der Verstärkerausgang an und umgekehrt. Ist der Wärmepumpen schlitz 23 mit -^is blockiert, so wird die Wirkung der die kalten Oberflächen erwärmenden Luftströmung aufgehoben, und die Temperaturdifferenz At neigt dazu, schnell anzusteigen, wodurch die Ausgangsleistung des Verstärkers schnell verkleinert wird, wie Höhe der Ausgangsleistung des Verstärkers 3o wird durch einen Meßsender oder Prüfgenerator 32 überwacht, der eingangsseitig an die Leiter 21 angeschlossen ist. Der Prüfgenerator selbst erzeugt ein Ausgangssignal, wenn der Ausgang des Verstärkers auf einen vorbestimmten «ert abfällt; dieses Signal kann beispielsweise im Steuersystem einer Klimaanlage oder zur auslösung einer Warnvorrichtung verwendet werden.

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Ein ^vorteil des Erfindungsgegenstandes liegt u.a. darin, daß bei Blockieren des Schlitzes mit Eis die ichtung des thermo-elektri sehen Wärmepumpens umgekehrt werden kann, um das Eis zu schmelzen und den ^Dchlitz schnell freizumachen.

Wenn die -Erfindung auch im Zusammenhang mit einer Klimaanlage, insbesondere der eines Flugzeugs, beschrieben worden ist, so ist jedoch klar, daß es viele andere Gebiete gibt, bei der sie mit Nutzen und Vorteil angewendet werden kann, wie z.B. die Lieferung einer Warnung der Ausfällung irgendwelcher Fraktionen aus Rohöl in Pipelines.

Wenn andererseits ein Anstieg in der Verstärkerleistung zur Erzeugung eines passenden Signals verwendet wird, so entsteht eine Warnvorrichtung, die zur Lieferung einer Warnung über die Kondensation irgendeiner Fraktion in einem Gasstrom dienen kann.

Wenn ferner die Sichtung der Wärmepumpe umgekehrt wird, so daß die in Berührung mit dem fließenden Strömungsmittel stehende Oberfläche (stehenden Oberflächen) heißer ist (sind) und nicht kühler als die allgemeine Strömunganitteltemperatur, und wenn die Temperaturdifferenz zwischen der heißen Oberfläche und dem strömenden Mittel in einer ^weise gesteuert wird, die der bei der Steuerung der -^iS-Warnvorrichtung beschriebenen gleichartig ist, dann kann eine resultierende Erhöhung im Verstärkerausgang dazu verwendet werden, ein entsprechendes Signal zu erzeugen, das eine Warnung über das nahe bevorstehende Sieden einer Flüssigkeit gibt.

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auch in oder an einem Flugzeug zum Einsatz kommen, um das Gefrieren von Feuhtigkeit in der Umgebungsluft anzuzeigen.

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Claims

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Paten tansprüche

Verfahren zum Erhalt einer Anzeige über den Beginn einer Änderung im physikalischen Zustand, beispielsweise Gefrieren oder Sieden, eines fließenden Strömungsmittels oder eines Bestandteils eines solchen fließenden £>trömungsmittels, gekennzeichnet durch Errichtung einer auf irgendeiner annähernd festen Temperaturdifferenz Λ t unter- oder oberhalb der allgemeinen temperatur des fließenden ütrömungsmittels gehäLtenen, mit dem Strömungsmittel in Berührung befindlichen Oberfläche mittels einer thermoelektrischen Wärmepumpe, durch Überwachung der elektrischen, zur Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz Δι auf einen konstanten Wert benötigten elektrischen Eingangsleistung und durch Erzeugen eines Ausgangssignals bei Abfall oder Anstieg der Eingangsleistung in vorbestimmten Maß.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Eingangsleistung in Übereinstimmung mit einem den Wert von A t wiedergebenden "ignal gesteuert wird, welcher durch Abfühlen der Differenz zwischen der Temperatur der Oberfläche und der allgemeinen Temperatur des ^trömungsmittels thermo-elektrisch abgeleitet wird.
3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erkennung der Änderung des physikalischen Zustande den Niederschlag eines Feststoffs auf einer kalten Oberfläche einschließt, die in einem Kanal geringen Querschnitts angeordnet ist, so daß der Feststoffniederschlag diesen Kanal blockiert.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der thermo-elektrischen Wärmepumpe bei blockiertem Kanal umgekehrt wird, um den Kanal schnell vom Feststoff zu befreien.
5. Vorrichtung zum Anzeigen des Beginns und zum Warnen über den Beginn einer Änderung im physikalischen Zustand, beispielsweise Gefrieren oder Sieden, eines fließenden °trömungsmittels oder eines Bestandteils eines solchen Strömungsmittels, gekennzeichnet durch

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-Errichtung einer kalten oder heißen Obexflache (23) mittels einer Wärmepumpe (16, 17) in Berührung mit dem Strömungsmittel auf einer '-'■'emperatur, die auf irgendeiner annähernd festen Differenz 4.t unter- oder oberhalb der allgemeinen temperatur des fließenden ktrömungsmittels liegt, und durch Einrichtungen (3o,32), die die elektrische Eingangsleistung der Wärmepumpe, die notwendig ist, um die annähernd feste Temperaturdifferenz At einzuhalten, überwachen und ein Ausgangssignal liefern, wenn die ^ingangsleistung der Pumpe in vorbestimmter ""eise abfällt oder ansteigt.
6. vorrichtung nach Anspruch 5j gekennzeichnet durch ein Thermoelement, dessen einer Anschluß die 'J-'emp eratur der kalten ®&κ:κ£±χεϊιη oder heißen Oberfläche und dessen anderer Anschluß die allgemeine Strömungsmitteltemperatur abfühlt, und durch Anlegen des '-L'hermoelement-Ausgangssignals als °teuersignaleingang an einen Verstärker (3o), dessen Ausgang die thermo-elektrische Wärmepumpe (16, 17) trei bt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Erkennung des -ßeginns eines Feststoff niederschlags an einer kalten Oberfläche, gekennzeichnet durch einen den Ausgang des Verstärkers (3o) überwachenden und ein Ausgangs-Steuer- oder warnsignal hei Abfall des Verstärkerausgangs unter einen bestimmten Wert liefernden Prüfgenerator(32).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Oberfläche in einem Kanal liegt, der so ausgelegt ist, daß er bei einem Feststoffniederschlag an seiner Wand sich schnell zusetzt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach Zusetzen des Kanals und als Folge des daraus sich ergebenden Ausgangssignals der Verstärker die Wärmepumpe zur schnellen Entfernung des Niederschlags in umgekehrter Richtung betreibt.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6 zum erkennen des -Beginns eines Plüssigkeitsniederschlags aus einem Gasstrom auf einer kalten Oberfläche, gekennzeichnet durch einen Prüfgenerator (32), der den Ausgang des ^verstärkers (3o) überwacht und ein Ausgangssteuer- oder 'Warnsignal bei ^nsteigen des Verstärkerausgangs über einen vorbestimmten wert liefert.
11. Vorrichtung nach -«-nspruch 5 oder 6 zum Erkennen des beginnenden Siedens in einem Flüssigkeitsstrom an einer heißen Oberfläche gekennzeichnet durch einen Prüfgenerator (32), der den Ausgang des Verstärkers (3o) überwacht und ein Ausgangssteuer- oder Warnsignal bei Ansteigen des Verstärkerausgangs über einen vorbestimmten wert liefert.
12. Vorrichtung nach einem der -Ansprüche 5 bis 1o, gekennzeichnet durch eine thermo-elektrische Wärmepumpe (16,17) mit einer als Wand eines schmalen, von dem Strömungsmittel durchflossenen Schlitzes (23) ausgebildeten kalten Oberfläche.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe aus einem Stapel von Platten (11,12,13,14,15) aufgebaut ist und Wärmepumpen-Haibleiterelemente (16,17) haftend in Platten (12,14) eingesetzt sind, die durch einen kleinen ^palt

zur Ausbildung des Schlitzes (23) für die Strömung zwischen den HaIbleiterelementen getrennt sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9 in einer Klimaanlage eines Flugzeugs, gekennzeichnet durch Anordnung in einer Luftzufuhrleitung zur Erkennung des Beginns des ^efrierens von in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch Anordnung an oder in einem Flugzeug zur Erkennung des Beginns des Gefrierens von in der Umgebungsluft enthaltener Feuchtigkeit.

DipUna. H. J. feting

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