DE3033605C2

DE3033605C2 - Raumthermostat

Info

Publication number: DE3033605C2
Application number: DE19803033605
Authority: DE
Inventors: Alfred 8500 Nürnberg Meisner
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1980-09-06
Filing date: 1980-09-06
Publication date: 1986-09-04
Also published as: GB2084738A; GB2084738B; DE3033605A1; FR2489958A1; FR2489958B3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Raumthermostaten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Temperaturfühler, wie sie zum Beispiel in elektronischen Raumthermostaten zur Erfassung der Raumtemperatur und zur Steuerung einer Heizungs- oder Klimaanlage eingesetzt werden, bestehen in der Regel aus thermoelektrischen Wandlern möglichst geringer thermischer Kapazität, wie zum Beispiel Kaltleitern, um mit hoher Genauigkeit und möglichst schnell auf Änderungen der Raumtempertur ansprechen zu können. Derartige thermoelektrische Wandler werden in geschlossenen oder mit diversen Lüftungsöffnungen versehenen Gehäusen möglichst ohne Berührung mit Teilen des Gehäuses oder irgendwelcher Einbauten im Gehäuse untergebracht, um möglichst nur von der Temperatur der

umgebenden Luft beeinflußt zu werden.

Solche Raumthermostaten sind vielfältig im Einsatz und sehr funktionstüchtig. Jedoch zeigt sich, daß der thermoelektrische Wandler bei der gewünschten geringen Wärmekapazität auch von der Abwärme von Einbauten im gleichen Gehäuse beeinflußt werden kann. Bei diesen Einbauten kann es sich in einem Raumthermostaten zum Beispiel um die Steuerelektronik, einen zugehörigen Netztrafo oder auch um den AnHeb einer eingebauten Schaltuhr zur zeitabhängigen Steuerung des Raumthermostaten handeln.

Da in zunehmendem Ausmaß für die Beheizung von insbesondere Wohnhäusern sogenannte Niedertemperatur-Heizungen Verwendung finden, bei denen das

i* Wärmeangebot durch Minimierung der Vorlauftemperatur den tatsächlichen, jeweils vorliegenden Gegebenheiten angepaßt werden soll, ist es erwünscht, daß der Temperaturfühler eines Raumthermostaten nicht bereits bei kurzfristigen Veränderungen der Raumtemperatur, wie sie zum Beispiel durch die Luftbewegung beim öffnen einer Tür entstehen, beeinflußt wird und dadurch der Raumthermostat das Wärmeangebot der Heizungsanlage verändert

Andererseits soll aber die thermostatische Steuerung einer Heizung so genau arbeiten, daß ein länger anhaltender, eventuell auch sehr geringer Einfluß von sekundären Wärmeque*"«n auf die Raumtemperatur durch den Temperaturfühler festgestellt werden kann. Derartige sekundäre Wärmequellen können zum Beispiel die Bewohner des Raumes sein, wärmeerzeugende Elektrogeräte oder auch Sonneneinstrahlung durch Fenster. Dies bedeutet, daß die Hysterese zwischen Ein- und Ausschaltpunkt des Raumthermostaten möglichst gering sein sollte. Wünschenswert ist dabei eine Differenz der Schaltpunkte von weniger als 0,5⁰C, vorzugsweise weniger als 0,1⁰C, um so eine möglichst genaue Regelung der Raumtemperatur zu erreichen.

Ein weiteres Problem bei den eingangs genannten Raumthermostaten liegt darin, da|< sich die Temperaturfühler sehr nahe an der Raumwand befinden, da die Thermostatgehäuse aus ästhetischen Gründen möglichst flach gehalten sind.

Wie aber an sich bekannt ist, bildet sich an den Wänden eines Raumes — thermisch gesehen — eine sogenannte Grenzschicht aus laminar strömender Luft unterschiedlicher Temperatur aus, weil die Temperatur der ins Rauminnere zeigenden Wandseite, besonders während der Heizperiode, im allgemeinen niedriger liegt als die Temperatur der Raumluft. In der genannten

Grenzschicht findet dann der Übergang von der Raumlufttemperatur zur Wandoberflächentemperatur statt Die Strömung der Luft wird dabei dadurch erzeugt, daß die sich an den Wänden abkühlende Luft zu Boden sinkt, während erwärmte Luft über den Heizquellen aufsteigt Die Dicke dieser Grenzschicht ist sowohl von der Differenz der Lufttemperaturen auf beiden Seiten der Wand abhängig als auch von der Geschwindigkeit der an der Wand entlangströmenden Luft. Allgemein kann gesagt werden, daß die Dicke der Grenzschicht mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen den beiden Wandseiten und mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit zunimmt.

Das vorher Gesagte gilt natürlich in äquivalenter Weise auch bei Verwendung z. B. einer einen Raum kühlenden Klimaanlage.

Aus der DE-OS 21 42 276 ist bereits ein Temperaturfühler bekanntgeworden, der für die Temperaturregelung und -messung in direktem Wärmekontakt mit der

Dberfläche des Fühlerorgans steht und ein gegenüber iieser Fläche großes wärmeübertragendes Element besitzt Aus dieser Entgegenhaltung ist nicht entnehmbar, iw einen Teil der Oberfläche dieses Elementes für die Temperaturmessung zu verwenden.

Aus der US-PS 41 84 340 ist ferner ein Temperatur-Fühler für einen Kühl- oder Gefrierschrank bekanntgeworden, welcher in einen Block aus Kunststoff eingebettet ist Dies hat den Zweck, daß kurzfristige Temperaturänderungen in dam Kühlschrank keine Auswirkung auf den Temperaturfühler hatten.

Aus der DE-PS 9 54 556 ist schließlich noch eine Vorrichtung rur Messung der Temperaturen an bewegten Oberflächen bekanntgeworden, wobei der Temperaturfühler in geringem Abstand über der zu messenden Oberfläche gehaltert ist Der Fühlkörper in dem Temperaturfühler ist durch eine Isolationsschicht von der Halterung thermisch getrennt Der Temperaturfühler mißt abhängig von den Umgebungsbedingungen, eine andere Temperatur als diejenige der gewünschten Oberfläche. Es ist deshalb ein zweites Thermoelement zu deren Messung vorgesehen. Auch diese Entgegenhaltung gibt keinen Hinweis für das Zustandekommen der Erfindung.

Aus dem vorstehenden ergibt sich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Raumthermostaten zu schaffen, welcher die tatsächliche Temperatur der Raumluft mißt, Sekundäreinflüsse möglichst vollständig abschirmt und in einfacher Weise eine Anpassung der zeitlichen Konstanten des Temperaturfühlers an die jeweiligen Gegebenheiten der Umgebung zuläßt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 formulierten Merkmale gelöst

Vorteilhafte Weiterbildungen und Vorteile bzw. Anwendungsfälle ergeben sich auch aus nachstehender Beschreibung und aus den weiteren Ansprüchen.

Die Zeichnung zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Temperaturfühlers sowie seine Verwendung in einem Raumthermostaten. Es zeigt

F i g. 1 im Schnitt den Temperaturfühler in einer bevorzugten Ausführung,

F i g. 2 die Außenansicht eines Raumthermostaten mit dem Temperaturfühler gemäß F i g. 1.

F i g. 1 zeigt ein Schnittbild durch einen Temperaturfühler 1, bestehend aus einem thermoelektrischen Wandler 2 mit Anschlußdrähten 3 und einem Fühlkörper 4. Dabei steht der thermoelektrische Wandler 2 mit dem Fühlkörper 4 an einar Fläche 5 in thermischem Kontakt, z. B. durch eine gut wärmeleitende Verklebung oder aufgepreßt durch eine Verschraubung. Der Fühlkörper 4 steht zumindest mit einem Teil seiner Oberfläche F mit dem Medium 6, dessen Temperatur gemessen werden soll, in thermischem Kontakt.

Dieser Teil der Oberfläche F wird als thermisch wirksamer Oberflächenteil F₀ bezeichnet; eine Restfläche Fr und der thermoelektrische Wandler 2, soweit er nicht mit dem Fühlkörper 4 in thermischem Kontakt steht, ist mit einer in F i g. 1 angedeuteten Isolationsschicht 7 bedeckt und steht demnach mit dem Medium 6 nicht in thermischem Kontakt. Die Isolationsschicht 7 kann dabei aus bekannten thermisch isolierenden Materialien bestehen oder, im einfachsten Fall, aus einer dünnen Schicht räumlich abgeschlossener Luft.

Die Wirkungsweise dieses Temperaturfühlers 1 aus thermoelektrischem Wandler 2 und Fühlkörper 4 beruht darauf, daß der Fühlkörper 4 ein Volumen V und eine spezifische Wärme c_w besitzt Diese spezifische Wärme c_w ist eine Materialkonstante der Dimension Joule/(cm³ · K) (wobei K=Grad Kelvin). Das Produkt dieser spezifischen Wärme c_w und des Volumens V ergibt die Wärmekapazität des Fühlkörpers 4. Um den Fühlkörper 4 zu erwärmen bzw. abzukühlen, muß also eine bestimmte Wärmemenge zugeführt bzw. abgeführt werden.

Weiterhin besitzt der Fühlkörper 4 eine Oberfläche F

ίο mit einem thermisch wirksamen Oberflächenteil Fo- Der thermisch wirksame Oberflächenteii Fo ist dabei der Teil der Oberfläche F, welche mit dem umgebenden Medium 6 in thermischem Kontakt steht d. h, über diesen Oberflächenteil F₀ kann der Fühlkörper 4 Wärme an das Medium 6 abgeben oder von diesem aufnehmen. Eine sogenannte Wärmeübergangszahl λ mit der Dimension ]oule/(cm² · K · s) (wobeis = Sekunden) gibt an, welche Wärmemenge zwischen Fühlkörper 4 und Medium 6 bei einer bestimmten Temperaturdifferenz innerhalb einer bestimmten Zeit ausgetauscht werden kann. Das Produkt aus thermisch wirksamem Oberflärhenteil Fo und der Wärmeübergangszah! ac ergibt die 'Wärmeleitfähigkeit zwischen Fühlkörper 4 und Medium 6.
Aus den beiden Größen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität kann in als solcher bekannten Weise die thermische Zeitkonstante ttf des Temperaturfühlers errechnet werden:

(a)

Dabei ist die thermische Zeitkonstante rrpdie Zeit, in der sich der Fühlkörper 4 der Temperatur des Mediums 6 bis auf das 1/e-fache der ursprünglichen Temperaturdifferenz zwischen Medium 6 und Temperaturfühler 1 angenähert hat (e = Eulersche Zahl); es wird dabei angenommen, daß die Wärmekapazität des Mediums 6, dessen Temperatur gemessen werden soll, in üblicher Weise sehr viel größer ist als die Wärmekapazität des Temperaturfühlers 1.

Bei dieser Rechnung wurden allerdings die thermischen Eigenschaften des thermoelektrischen Wandlers 2 nicht berücksichtigt Normalerweise sind nämlich die dadurch entstehenden Einflüsse gegen die thermischen Eigenschaften des Fühlkörpers 4 vernachlässigbar.

Verändert sich nun die Temperatur des Mediums 6, so folgt die Temperatur des Fühlkörpers 4 und damit auch des thermoelektrischen Wandlers 2 mit einer Verzögerung, die durch die thermische Zeitkonstante vtf des

so Temperaturfühlers t bestimmt ist. Dies hat den Vorteil, daß Temperaturänderungen des Mediums 6 nicht erfaßt werden, wenn sie nur eine Zeit, die klein gegen die thermische Zeitkonstante ttf ist, andauern. Dagegen werden langfristige Temperaturänderungen mit einer Zeitkonstante, die größer als oder ungefähr gleich wie die thermische Zeitkons^:.s.nte vtf ist, mit der höchstmöglichen Genauigkeit, die durch den thermoelektrischen Wandler 2 bzw. eine daran angeschlossene elektronische Schaltungsanordnung bestimmt ist, erfaßt

Für den Fall, daß uer erfindungsgemäße Temperaturfühler 1 in einem Raumthermostaten verwendet wird, ist es in vorteilhafter Weise möglich, die thermische Zeitkonstante rrpder Raumkonstante Tr anzupassen, indem das Verhältnis (V: Fo) von Volumen V und thermisch wirksamem Oberflächenanteil Fo bei gegebenen Materialkonstanten (v_m x) entsprechend gewählt wird. Dieses Verhältnis ergibt sich durch Umstellen der Gleichung (a):

Dabei ist die vorstehend erwähnte Raumkonstante tr ebenfalls eine Zeitkonstante, die sich daraus ergibt, daß bei einem beheizten Raum eine bestimmte Zeitspanne verstreicht zwischen dem Zeitpunkt, zu dem durch einen Thermostaten über die Heizung Wärme angefordert wird, und dem Zeitpunkt, zu dem der Raum auf die Solltemperatur aufgeheizt ist Wird nun das den Thermostaten umgebende Medium 6, in diesem Fall die Luft im Raum, nur örtlich kurz abgekühlt, z. B. durch die Luftbewegung beim öffnen einer Tür, so führt dies nicht zu einer sofortigen Wärmeanforderung des Thermostaten, da die der Raumkonstanten r« angepaßte Zeitkonstante Tr/-sehr viel größer ist; z. B. bei Räumen mit Fußbodenheizung bis zu mehreren Stunden. Das ist wünschenswert, weil die daraus folgende Reduzierung des Schaltspiels einer Heizungssteuerung eine Energieeinsparung erbringt.

In F i g. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Temperaturfühlers 1 mit einem durch Anformungen 8 vergrößerten, thermisch wirksamen Oberflächenteil F₀ des Fühlkörpers 4 dargestellt, in diesem Fall in Form von Rippen 8a auf einer ebenen Grundplatte 9.

Der thermoelektrische Wandler 2 kann in eine Vertiefung eingesetzt sein, um eine ebene Montagefläche des Fühlkörpers 4 zu erzielen.

In F i g. 2 ist ein Gehäuse 10 dargestellt, das mit einer rückwärtigen Wandung 11 an der Wand eines Raumes, welcher das Medium 6 enthält, befestigt werden kann. An einer dem Raum zugewandten Wandung 12 des Gehäuses 10 ist der Temperaturfühler 1 angebracht Wenn es sich um das Gehäuse 10 eines Raumthermostaten handelt, können in dergleichen Wandung 12 Schalt- und Anzeigemittel 13 eingebaut sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen die Schalt- und Anzeigemittel 13 aus einer Digitalanzeige 13a mit Sonderzeichen, z. B. ° C, etwa für die Tageszeit und die Lufttemperatur des Raumes bzw. für die Anzeige von zeitlichen und thermischen Schaltpunkten; dabei ist die Anzeige über ein Schalterfeld 136 beeinflußbar.

Der an der dem Raum zugewandten Wandung 12 des Gehäuses 10 befestigte Temperaturfühler 1 besteht aus dem Fühlkörper 4 und dem in der gewählten Darstellung nicht sichtbaren thermoelektrischen Wandler 2 (siehe Fig. 1). Der Fühlkörper 4 besteht, wie auch in F i g. 1 gezeigt aus einer Grundplatte 9 mit Ausformungen 8, die als dar.u senkrecht stehende und vertikal verlaufende Rippen Sa ausgebildet sind Zur Anpassung an andere Gegebenheiten ist auch eine andere Formgebung des Fühlkörpers 4 und der Ausformungen 8 möglich, insbesondere sind auch horizontal verlaufende Rippen Sa möglich.

Der Fühlkörper 4 und der thermoelektrische Wandler 2 sind gegen das Innere des Gehäuses thermisch isoliert, wobei im einfachsten Fall der Fühlkörper 4 so montiert wird, daß zwischen ihm und der Wandung 12 des Gehäuses 10 eine räumlich abgeschlossene dünne Luftschicht verbleibt

Bei der in F i g. 2 dargestellten bevorzugten Ausführung eines Raumthermostaten mit dem Temperaturfühler 1 ist in dem Gehäuse 10 eine Einbuchtung 14 vorgesehen, die durch einen entsprechend zurückspringenden Verlauf der dem Raum zugewandten Wandung 12 entsteht und deren Abmessungen derart gewählt sind, daß der Fühlkörper 4 so eingesetzt werden kann, daß er über den Umriß des Gehäuses 10 nicht hinausragt. Die Einbuchtung 14 kann dabei auch so ausgebildet sein, daß sich in der unteren bzw. oberen Wandung 15 des Gehäuses 10 Ausbrüche in der Form der Einbuchtung 14 ergeben, um so eine ungehinderte Durchströmung der senkrecht verlaufenden Rippen 8a mit Raumluft außerhalb der Wand-Grenzschicht zu ermöglichen.

Dabei muß ein Abstand 16 zwischen der Raumwand

ίο und dem thermisch wirksamen Oberflächenteil Fo des Fühlkörpers 4 eingehalten werden, der mindestens der Dicke dieser thermischen Grenzschicht an der Wand entspricht. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Messung der tatsächlichen Temperatur der Raumluft ermöglicht, ohne daß die Messung von der in der Grenzschicht an der Wand laminar strömenden kühleren Luft beeinflußt wird. Dies gilt in äquivalenter Weise, wenn der Raum nicht geheizt, sondern gekühlt wird.

Im Fall, daß die genannte Grenzschicht größere Dikken aufweist, kann die Einbuchtung 14 auch oben und/ oder unten abgedeckt sein, so daß der Fühlkörper 4 hinter einer Strömungsbarriere gegen die Grenzschicht liegt, wodurch die oberen und unteren Flächenbereiche des Fühlkörpers 4 mit in die isolierte Restfläche Fr einbezogen sind.

Eine weitere, technisch äquivalente Lösung für den Einbau des erfindungsgemäßen Temperaturfühlers 1 in ein GeSäuse 10 ist die Ausbildung einer öffnung in der dem Raum zugewandten Wandung 12 des Gehäuses 10, in die der Fühlkörper 4 mit dem daran befestigten thermoelektrischen Wandler 2 eingesetzt ist. Bei dieser Ausführung ist zur Vermeidung von thermischen Einflüssen auf den Temperaturfühler 1 der ins Innere des Gehäuses 10 weisende Teil Fr der Oberfläche F bzw. der thermoelektrische Wandler 2, soweit er nicht mit dem Fühlkörper 4 in thermischem Kontakt steht, mit einer thermisch isolierenden Schicht zu versehen, da hier die bei der vorgenannten Ausführung isolierende Luftschicht nicht mehr vorhanden ist

In einer bevorzugten Ausführung des Raumthermostaten mit dem Temperaturfühler 1 ist es möglich, den Temperaturfühler 1 bzw. den Fühlkörper 4 auszutauschen, um so in besonders vorteilhafter Weise eine Anpassung des Raumthermostaten durch die Verwendung eines geeignet dimensionierten Fühlkörpers 4 an die jeweils gegebenen Raumkonstanten r« zu ermöglichen. Bei dieser Ausführung sind, bei Austausch des kompletten Temperaturfühlers 1, die Anschlußdrähte 3 des thermoelektrischen Wandlers 2 als Steck- oder Druckkontakte ausgeführt bzw. bei Austausch nur des Fühlkörpers 4 wird der thermoelektrische Wandler 2 du.ch z. B. Federn so gegen den Fühlkörper 4 gepreßt, daß ein ausreichender thermischer Kontakt vorhanden ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Raum thermostat mit einem Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur eines umgebenden Mediums, welcher Temperaturfühler aus einem mit einem thermoelektrischen Wandler in thermischem Kontakt stehenden Fühlkörper aufgebaut ist, wobei nur ein Teil der Oberfläche des Fühlkörpers als thermisch wirksamer Oberflächenteil mit dem Medium, dessen Temperatur gemessen werden soll, in thermischem Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet,

daß der Fühlkörper (4) Anformungen (8), insbesondere Rippen, zur Vergrößerung seines thermisch wirksamen Oberflächenteils (F₀) aufweist,
daß der verbleibende Rest (F_R) der Oberfläche (F) des Fühlkörpers (4) sowie der thermoelektrische Wandler (2), insoweit derselbe nicht mit dem Fühlkörper (4) in thermischem Kontakt steht, gegen das umgebende Medium (6) thermisch isoliert ist und
daß das Verhältnis zwischen dem thermisch wirksamen Oberflächenteil (F₀) und dem Volumen (V) des Fühlkörpers derart gewählt ist, daß die thermische Zeitkonstante (ftf) des Temperaturfühlers (1) größer, jedoch zumindest gleich wie die thermische Zeitkonstante (γλ) des Mediums (6) ist, welche durch ein das Medium (6) beeinflussendes und vom Raumthermostaten gesteuertes Heiz- und/oder Kühlsystem vorgegeben ist

2. Raumthermostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühlkörper (4) in seiner Oberfläche (F) eine Vertiefung bdfweist, in welcher der thermoelektrische Wawdlsr angebracht ist.

3. Raumthermostat nach ei. >em der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raumthermostat ein Gehäuse (10) aufweist, das mit einer seiner Wandungen (11) an der Wand des Raumes, weicher das Medium (6) enthält, befestigt ist, wobei der Fühlkörper (4) an einer dem Raum zugewandten Wandung (12) des Gehäuses (10) angebracht ist, derart, daß die Anformungen (8) in den zu überwachenden Raum ragen.

4. Raumthermostat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) als Wand-Abstandshalter für den thermisch wirksamen Teil (F₀) der Oberfläche (F) des Fühlkörpers (4) und zugleich als Strömungsbarriere gegen laminare Strömungen des Mediums (6) längs der Wand ausgebildet ist.