DE967751C - Thermostat - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 12. DEZEMBER 1957

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DES DEUTSCHEN

PATENTAMTES

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Thermostat

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thermostaten, der in bekannter Weise zur Zubereitung konstant temperierter Flüssigkeit dient, mit deren Hilfe Meßgeräte, Reaktionsgefäße od. dgl. auf konstanter Temperatur gehalten werden, können, dadurch nämlich, daß sie mittels der umlaufenden Thermostatflüssigkeit in geeigneter Weise umspült bzw. durchströmt werden.

Die bekannten Thermostaten besitzen zumeist einen verhältnismäßig großen Wasserbehälter, dessen Wasser durch eine Kühleinrichtung· und mittels eines in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuerten Heizkörpers auf konstanter Temperatur gehalten werden soll. Um dabei eine möglichst gleichmäßige Wärmeverteilung zu erreichen, wird das Thermostatwasser mittels einer Rührvorrichtung in dauernder Bewegung gehalten bzw. mittels einer Pumpe durch die zu dem auf konstanter Temperatur zu haltenden System führende Leitung hindurchgedrückt. Sobald das Thermostatwasser eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, wird der Heizkörper mittels eines Schaltthermometers selbsttätig abgestellt, während er sich umgekehrt bei Abkühlung des Thermostatwassers wieder einrschaltet. Eine einwandfreie Temperaturkonstanz ist jedoch auf diese Weise nicht zu erzielen, da der Heizkörper stets eine bestimmte Wärmekapazität besitzt, so daß die Flüssigkeitstemperatur trotz ab-

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gestellten Heizkörpers stets noch um ein bestimmtes Maß weiter ansteigt. Um diese Schwankung bzw. diesen Temperaturanstieg möglichst niedrig zu halten, ist man bestrebt, den Flüssigkeitsvorratsbehälter möglichst groß zu wählen. Das hat jedoch wiederum den Nachteil, daß der Thermostat verhältnismäßig träge arbeitet, weil die vergleichsweise große Wassermenge sich nur langsam auf neu eingestellte Temperaturen, umstellen kann, ίο Nachteilig ist bei den bekannten, mit großen Wassermengen, arbeitenden Thermostaten ferner, daß bei ihnen der Einfluß der Kühlwasserschwankungen auf die Tetnperaturkonstanthaltung verhältnismäßig groß ist und die Temperatur der Thermostatflüssigkeit in erheblichem Maße von der jeweiligen Durchflußmenge des Kühlmittels bzw. deren Druckschwankungen abhängig ist. Da außerdem die Temperatur großer Wasservolumen infolge ihrer großen Oberfläche stets in erheblichem Maße auch von der jeweiligen Außentemperatur bzw. deren Schwankungen abhängt, bedürfen die bekannten Thermostaten umfangreicher Wärmeisolierungen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen ebenfalls mit einer Kübleinrichtung und einem temperaturabhängig gesteuerten Heizkörper versehenen Thermostaten mit durch eine Förderpumpe umlaufend bewegter Thermostaitflüssigkeit zu schaffen, der die obigen Übelstände nicht aufweist und der sich insbesondere durch aine. genaue Temperaturkonstanz und kurze Einstellzeiten bei geringem Flüssigkeitsbedarf auszeichnet. Das wird erfindungsgemäß im wesentlichen, dadurch erreicht, daß der Heizkörper in einem Durchlauf rohr für die Thermostatflüssigkeit angeordnet ist, das in seinem Querschnitt so eng gehalten ist, daß die Flüssigkeit mit großer Geschwindigkeit am Heizkörper vorbeiströmt, und daß letzterer einen Kern zur Speicherung der Wärme aufweist, der mit dem mit der Flüssigkeit in Wärmeaustausch stehenden Heizkörpermantel über einen als Wärmedrossel wirkenden Steg und die Heizkörperisolatiion wärmeleitend verbunden ist. Während also bei den bekannten Thermostattypen darauf hingearbeitet *5 wird, Heizkörper von möglichst geringer Wärmekapazität zu verwenden, wird im Gegensatz dazu gemäß der Erfindung ein Heizkörper von vergleichsweise großer Wärmekapazität gewählt, so daß der Heizkörper gegenüber dem an ihm rasch vorbeiströmenden Wasser eine nicht allzu große Schwankungen aufweisende, praktisch konstante Temperatur besitzt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vor dem Durchlaufrohr bzw. der letzterem vorgeschalteten Förderpumpe ein Flüssigkeitsvorratsbehälter vorgesehen, in den die Flüssigkeitsrück-.leitung einmündet und; der von einem vom Kühlmittel durchflossenen Hohlring mit vergleichsweise kleiner Kühloberfläche umgeben ist, wobei der Vorratsbehälter so klein bemessen ist, daß er bei der gegebenen Förderleistung der Pumpe innerhalb von 1 bis Vioo Minute mit Flüssigkeit zu füllen ist. Die angestrebte konstante Temperatur des Thermostatwassers ergibt sich daher als Mittedwertstemperatur einerseits aus der annähernd konstant bleibenden Kühlung, die von dem den Vorratsbehälter umgebenden Kühlringmantel herrührt, urad andererseits aus der ebenfalls nahezu konstanten Wärmeabgabe des. Heizkörpers bzw. seines wärmespeichernden Kernes an das Wasser. Durch die große Wärmekapazität des Heizkörpers bzw. seines Kernes wird erreicht, daß die infolge einr und auszuschaltender Heizung unvermeidlichen. Temperaturschwankungen, auf ein Mindestmaß herabgedrückt werden. Bei dem neuen. Thermostaten ist es daher nicht erforderlich, eine größere Menge Wasser zur Dämpfung der Temperatursohwalnkungen zu benutzen, vielmehr genügt ein verhältnismäßig kleines Wasservolumen., um ausgeglichene Temperaturverhältnisse zu bekommen. Es muß nur dafür gesorgt werden, daß ein vergleichsweise schneller, möglichst gleichmäßiger Wasserumlauf aufrechterhalten wird. Das ist aber ohne weiteres dadurch möglich, daß man einerseits mit kleinem Wasservolumen arbeitet, andererseits die Strömungskanäle für die Thermostatflüssigkeit so ausbildet, daß sich in ihnen keine Flüs-sigkeitsstauungen, unkontrollierbare Wirbel od. dgl. Störungen ausbilden können, wie es bei den! bekannten Thermostaten mit großem Wasservolumen praktisch immer der Fall ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung seien an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Der neue Thermostat besteht im wesentlichen aus dem einen verhältnismäßig kleinen Flüssigkeitsvorratsbehälter 1 einschließenden Gehäuse 2, einem darüber angeordneten., durch einen Deckel 3 abgedeckten Motor 4, der über eine zweckmäßig abgeschirmt geführte Welle 5 eine im unteren Teil des Gehäuses 2 angeordnete Förderpumpe 6 antreibt, der ein vergleichsweise eng bemessenes Durchlaufrohr 7 für die Thermostatflüssigkeit nachgeschaltet ist. In dem Durchlauf rohr 7 befindet sich der Heizkörper 8, der sich im wesentlichen, aus der Wicklung 9 und einem vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Kern 10 von größerer Wärmekapazität aufbaut. Letzterer ist mit dem mit der Flüssigkeit in Wärmeaustausch stehenden Heizkörpermaintel 11 über einen als Wärmedrossel wirkenden Steg 12 und der die Wicklung abdeckenden Isolierung 13 wärmeleitend verbunden.

An das Durchlaufrohr 7 schließt sich eine zylindrische Durchlaufkammer 14 an, in der sich ein Schaltthermometer 15 befindet¹, das über ein'Relais 16 und den Schalter 17 die Heizwicklung 9 an die Stromquelle 18 anzuschließen, bzw. von. letzterer abzuschalten erlaubt. Von der Durchlaufkammer 14 zweigt die zu dem nicht dargestellten auf konstanter Temperatur zu haltenden, System führende Flüssigkeitshauptleitung 19 ab sowie eine Neben,-leitulng 20, die unmittelbar zu dem Vorratsbehälter ι zurückführt. Die Nebenleitung 20 und die in. den Vorratsbehälter einmündende, von dem auf konstante Temperatur zu haltenden System herkommende Rückleitung 21 besitzen an ihren

Auslaufenden entsprechend ausgebildete Düsen 23, die einen gleichmäßigeren Rückfluß des Thermo statwasse-rs gewährleisten.

Der Vorratsbehälter 1 ist mit einem Küblring 22 versehen, dem Kühlflüssigkeit über die Leitung 28 zugeführt wird. Das aus dem Kühlring 22 abfließende Wasser strömt über die Leitung 24 in ein mit dem Vorratsbehälter 1 kommunizierend: verbundenes Niveaugefaß 25, das mit zwei Überlaufrohren 26 und 27 versehen, ist. Während das Überlaufrohr 26 die eigentliche Kühlflüssigkeitsablei tang darstellt, führt das Überlaufrohr 27, dessen Überlaufstelle tiefer angeordnet ist als die des Rohres 26, zu dem Vorratsbehälter 1.

Zur Inbetriebnahme des Thermostaten wird zunächst das auf konstanter Temperatur zu haltende System, an die Leitungen 19 und 21 und¹ die Kühlwasserleitung 28 an die Wasserleitung angeschlossen. Das Wasser strömt durch den Kühlring 22 über die Ringableitung 24 in das Niveaugefäß 25 ein, von wo aus es weiter über die Leitung 27 in den Vorratsbehälter 1 strömt und dabei zugleich das Durchlaufrohr 7 wie auch den unteren. Teil der Durchlaufkammer 14 anfüllt. Wird daraufhin die Förderpumpe 6 eingeschaltet, so drückt letztere das Wasser durch die Kammer 14 und durch die Leitungen 19, 21 und 20, wobei die dafür erforderliche Wassermenge stets aus dem Niveaugefaß.25 nachläuft. Das ist auch dann der Fall, wenn ein Teil des Umlaufwassers im Laufe der Zeit verdampft, so daß die erfindungsgemäße Anordnung des Niveaugefäßes stets eine selbsttätige Nachfüllung des Thermostaten bewirkt. Ein Teil des Thermostatwassers, unter Umständen sogar der größere Teil, fließt in ununterbrochenem Kurzschlußkreislauf durch die Leitung 20 unmittelbar in den Vorratsbehälter 1 zurück, während der übrige Teil des Thermostatwassers durch die Leitung 19 ab- und durch die Leitung 21 zurückfließt. Der wärmespeichernde Kern 10 des Heizkörpers gibt dabei seine Wärme einerseits über den Steg 12 und andererseits über die Wärmeisolierung 13 an den Heizkörpermantel 11 ab, der seinerseits das den engen Kanal 7 durchströmende Thern?ostatwasser aufheizt. Der Kern 10 nimmt im Dauerbetrieb des Thermostaten eine Mittielwertstemperatur an, die stets über der thermostatisch einzuhaltenden Temperatur liegt, während das dem Durchlaufrohr 7 zuströmende Wasser im Vorratsbehälter 1 durch den Kühlring 22 dauernd unter die thermostatisch zu haltende Temperatur gekühlt wird.

Letztere ergibt sich daher aus dem resultierenden Mittelwert des dauernden! Wärmeflusses aus dem Heizkörper 8 und der Temperatur des gleichmäßig unterkühlten Wasserzustromes, der beim Passieren des Durchlaufrohres 7 stets auf die richtige Temperatur gebracht wird.

Falls die Temperatur des umlaufenden. Wassers unter die Ansprechtemperatur des Thermometers 15 sinkt, was infolge der großen Wärmekapazität des Kernes 10 nur langsam erfolgen kann, wird über Schaltrelais 16 und den Schalter 17 die Heizwicklung 9 eingeschaltet. Die dabei erzeugte Stromwärme fließt einerseits sofort über die Heizkörperwandung 11 nach außen an das mit großer Geschwindigkeit zum Thermometer 15 fließende Wasser ab, das daher praktisch ohne Verzögerung erhitzt wird, während andererseits ein Teil der Strom wärme zum Kern 10 abgeleitet wird:, von dem aus die Wärme erst mit Verzögerung bei ausgeschalteter Heizwicklung 9 an den. Heizkörpermantel 11 und damit an das dort vorbeilaufende Wasser gelangt. Sofern das das Thermometer 15 passierende Wasser wieder seine eingestellte Temperatur besitzt, schaltet der Thermometerkontakt 15' die Heizung ab. Würde der Heizkörper keine ausreichende Wärmekapazität besitzen, so würde beim Abschalten der Wicklung 9 sofort wieder kaltes Wasser an das Thermometer 15 kommen. Die Abkühlungskurve des Heizkörpers würde dann also verhältnismäßig steil verlaufen, während sie bei der erfindungsgemäß gewählten großen Wärmekapazität des Kernes 10 wesentlich flacher verläuft und der Kern 10 sich in seiner Mittelwertstemperatur der benötigten mittleren Wärmeabgabe anpaßt. Infolge des kleinen, rasch kreisenden Wasservolumens kann sich der neue Thermostat rasch auf die eingestellte Betriebstemperatur einstellen, mithin sich etwaigen Temperaturschwankungen schnell anpassen.

Wesentlich ist ferner noch, daß die Kühlung des ernndungsgemäß ausgebildeten Thermostaten so beschaffen, ist, "daß einerseits die Mittelwertstemperatur des Thermostaten) weitgehend unempfind'lich gegen die Durchflußmenge des Kühlwassers wird und andererseits die Kühlung dazu ausgenutzt wird, den Thermostaten auch gegen Schwankungen, der· Außentemperatur, beispielsweise insbesondere auch gegen die vom Motor 4 erzeugte Wärme weitgehend: unempfindlich zu machen. Der Kühlring hart: gegenüber der durchfließenden Wassermenge eine verhältnismäßig kleine Oberfläche und einen kleinen Innenraum, so daß das Kühlwasser diesen Raum verhältnismäßig rasch passiert, wobei sich seine Temperatur demzufolge nur wenig ändert. Der Thermostat ist daher weitgehend unempfindlich gegen stärkere oder schwächere Kühlwasserströmung, da das Wasser bei seinem Durchgang — wie gesagt — seine Temperatur nur unwesentlich ändert und die Durchflußgeschwindigkeit stets groß gehalten wird.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Thermostat mit durch eine Förderpumpe umlaufend bewegter, mittels- einer Kühleinrichtung und eines temperaturabhängig gesteuerten Heizkörpers auf konstante Temperatur zu bringender Thermostatflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (8) in einem Durchlaufrohr (7) für die Thermostatflüssigkeit angeordnet ist, das im Querschnitt so eng gehalten ist, daß die Flüssigkeit mit großer Geschwindigkeit am Heizkörper (8) vorbeiströmt, und daß letzterer einen. Kern (10) zur Speicherung der Wärme aufweist, der mit

   dem mit der Flüssigkeit in Wärmeaustausch stehenden Heizkörpermantel (ι ι) über einen, als Wärmedrossel wirkenden Steg (12) und die Heizkörperisolation (13) wärmeleitend! verbunden ist.
2. 2. Thermostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Durchlaufrohr (7) bzw. der letzterem vorgeschalteten Förderpumpe (6) ein Flüssigkeitsvorratsbehälter (1) vorgesehen ist, in den die Flüssigkeitsrückleitung (21) einmündet und der von einem vom Kühlmittel durchflossenen Hohlring (22) mit vergleichsweise kleiner Kühloberfläche! umgeben ist, wobei der Vorratsbehälter (1) so klein bemessen ist, daß er bei der gegebenen Förderleistung der Pumpe (6) innerhalb von 1 bis Vioo Minute mit Flüssigkeit zu füllen ist.
3. 3. Thermostat nach den, Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar hinter dem Durchlaufrohr (7) eine ein Schaltthermometer (15) für die Steuerung des Heizkörpers (8) aufweisende Durchlaufkammer (14) vorgesehen; ist, von der außer der zu dem auf konstanter Temperatur zu haltenden System hinführenden Flüssigkeitsleitung (19) eine unmittelbar .zum Vorratsbehälter (1) zurückführende Nebenleitung (20) vorgesehen ist.
4. 4. Thermostat nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Kühlring (22) abfließende Wasser in. ein mit dem Vorratsbehälter (1) kommunizierend verbundenes Niveaugefäß (25) abfließt, das mit zwei Überlauf rohren (26, 27) versehen ist, von. denen eines (26) die Flüssigkeitsableitung bildet, während das andere (27), tiefer als das erstere liegend, zu dem Flüssigkeitsvorratsbehälter (1) führt.

   In Betracht gezogene Druckschriften.:
   »Archiv für technisches Messen.«, Z —66— 1.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

   © 609548/253 6.56 (709801/27 12.57)