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.Energieregler für elektrische Heizgeräte ,mit Mitteln zur Ausschaltung
des Raumtemperatureinflusses Zusatz zum Patent 1077 343 Bei dem Gegenstand
des Hauptpatentes handelt es sich um einen Energieregler für ferngeregelte elektrische
Raumheizgeräte, insbesondere für Zugbeheizung, bei dem ein vom Verbraucherstrom
beheiztes Arbeitsbimetall auf einen den Verbraucherstrom in einem bestimmten Rhythmus
aus- und einschaltenden Momentschalter einwirkt. Mit dem Arbeitsbimetall ist ein
durch einen veränderbaren Steuerstrom beheiztes Steuerbimetall fest verbunden. Der
Energieregler befindet sich am Verbraucherort und wird von einer entfernten Stelle
durch den Steuerstrom beeinflußt. Das Steuerbimetall wird durch die Beheizung gekrümmt,
und es bewirkt dadurch eine Auslenkung des Arbeitsbimetalls. Das Arbeitsbimetall
betätigt infolge dieser Auslenkung den Momentschalter im Sinne einer Einschaltung
des Verbraucherkreises, so daß dadurch eine Beheizung des Arbeitsbimetalls einsetzt.
Durch diese Beheizung tritt eine Krümmung des Arbeitsbimetalls ein, die die Wiederausschaltung
des Momentschalters veranlaßt. Nach einer gewissen Abkühlzeit wird der Momentschalter
erneut betätigt, so daß durch Wiedereinsetzen der Erwärmung des Arbeitsbimetalls
nach einer gewissen Heizzeit abermalige Wiederausschaltung erfolgt usf. Die Verbraucher
werden also in einem bestimmten Rhythmus ein- und ausgeschaltet, wobei die Länge
der Einschaltzeiten und die Periodendauer von der Beheizung des Steuerbimetalls
abhängt.
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Bei dieser Einrichtung tritt nun infolge der Beheizung der Bimetalle
eine Erwärmung des ganzen Energiereglers ein, die je nach Einstellung der Steucreinrichtung
mehr oder weniger groß ist. Es werden also je nach der Größe der zugeführten Steuerenergie
und der geregelten Verbraucherleistung unterschiedliche, bei längerem Betrieb steigende
Raumtemperaturen vorkommen, die die einwandfreie Wirkungsweise des Energiereglers
ungünstig beeinflussen, da die Bimetalle hierdurch bereits vorgekrümmt werden und
so die Schaltwege unterschiedlich vom wirklichen Wert abweichen. Die unterschiedlichen
Raumtemperaturen beeinflussen die eingestellte Verbraucherleistung und sind daher
störend. Die Anwendung der üblichen Mittel zur Kompensation der Raumtemperatur,
nämlich die Anbringung von besonderen Kompensationsbimetallen, ist unvorteilhaft,
da hierdurch der Energieregler zu aufwendig wird.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung des Energiereglers
nach dem Hauptpatent in Bezug auf den Temperatureinfluß zu schaffen, und sie erreicht
dies dadurch, daß die beiden Birr,_etalle in ihrer Auslenkrichtung in an sich bekannnter
Weise gegeneinandergeschaltet sind und daß die Bimetalle so dimensioniert und die
Heizwicklungen so ausgelegt sind, daß die Wärmeleistung im Energieregler über den
ganzen Regelbereich konstant ist. Die Bimetalle und die Heizwicklungen sind so bemessen,
daß sich die Heizenergie des Steuerbimetalls und die des Arbeitsbimetalls bei jedem
mittleren Leistungswert der Verbraucher zu einem über den ganzen Regelbereich konstanten
Wert ergänzen, Es ist zwar bekannt, mit Hilfe von zwei gegeneinander arbeitenden
Bimetallen eine Kompensationseinrichtung herzustellen, jedoch war es bisher nicht
möglich, mit einer solchen Einrichtung eine Regelstrecke zu steuern, deren Temperaturwert
auch noch fernverstellt werden soll. Durch die erfindungsgemäße Anordnung und Ausbildung
der Bimetalle und deren Beheizung werden diese Forderungen aber in einer Weise erfüllt,
daß eine besondere Temperaturkompensationseinrichtung vollständig überflüssig ist.
Zweckmäßigerweise wird der Steuerstrom für das Steuerbimetall, der einer besonderen
Stromquelle entnommen wird, durch einen veränderbaren Widerstand geregelt. Die Regelung
der Heizleistung für das Steuerbimetall kann aber auch durch impulsmäßige Zuführung
des Steuerstromes erfolgen. Die letzte Methode ist sogar noch günstiger, da hierbei
die Regelung verlustlos erfolgt. Die impulsmäßige Zuführung des Steuerstromes für
das Steuerbimetall wird vorteilhafterweise mit einem an sich bekannten Transistorgerät
bewirkt. Zur Handausschaltung der Verbraucher ist in an sich- besannter Weise eine
auf das Steuerbimetall einwirkende Nockenscheibe vorgesehen. Die Übertemperaturauslösung
kann entweder durch ein besonders beheiztes Bimetall, das unabhängig von dem Regelbimetall
auf den Momentschalter einwirkt, erfolgen oder durch einen Elektromagneten bewirkt
werden, dessen Erregerkreis
durch ein Kontaktthermometer geschaltet
wird. Die Übertemperaturauslösung kann aber auch durch Kurzschließen des Regelwiderstandes
im Steuerkreis mit Hilfe eines Kontaktthermometers oder bei Verwendung eines Transistorgerätes
durch Beeinflussung der Impulsspannung erfolgen.
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An. Hand der Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert.
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Der Energieregler besteht aus den beiden Bimetallen 1 und 2, die an
einem Ende mit Hilfe eines Zwischenstückes 3, das zwecks Wärmeisolation vorzugsweise
aus Keramik besteht, fest verbunden sind. Die Bimetalle sind so an dem Zwischenstück
befestigt, daß. sich die Seiten-- mit den größeren Ausdehnungskoeffizienten gegenüberstehen.
Das Zwischenstück ist mitsamt den Bimetallen auf .einer Achse 4 schwenkbar gelagert.
Das Bimetall 1 dient als Arbeitsbimetall und trägt an seinem freien Ende einen Stößel
5, mit dem es auf einen -Schenkel eines um die Achse 7 schwenkbaren Winkelhebels
6 einwirkt. Unmittelbar über diesem Winkelhebelschenkel befindet sich eine Schnappfederanordnung
8 mit einer Kontakteinrichtung 9, die an dem ortsfesten Kontakt 11 eine stabile
Endlage besitzt. Der Öffnungsweg des Kontaktes 9 ist durch den Anschlag
10 begrenzt. Die Schnappfeder ist so eingestellt, daß der Kontakt nur bei
einem bestimmten auf die Feder an der Angriffsstelle des Winkelhebels ausgeübten
Druck in die Endlage am Anschlag überspringt. Er springt in die Schließstellung
zurück, wenn der auf die Feder ausgeübte Druck aufgehoben wird. Der Kontakt 9, 11
dient zum Schalten der Heizgeräte 12 a, 12 b . . . 12 n,
die durch
ihn an eine Versorgungsleitung 13 angeschlossen werden. In Reihe mit dem Heizgerät
12n ist die Heizwicklung 14 des Arbeitsbimetalls 1 über den Kontakt 9, 11 an die
Versorgungsleitung angeschlossen. Das Bimetall 2, das als Steuerbimetall dient,
trägt eine Heizwicklung 15, die von einer besonderen Spannungsquelle 16 versorgt
wird. Im Stromkreis dieser Heizwicklung ist ein Regelwiderstand 17 angeordnet. Das
Steuerbimetall liegt vermittels einer nicht dargestellten Feder auf der Nockenscheibe
18 auf. Die Nockenscheibe kann von Hand in die beiden Schaltstellungen Ein (E) und
Aus (A) (Kontakt 9, 11 geschlossen bzw. geöffnet) gebracht werden. Die Dimensionierung
des Arbeits- und Steuerbimetalls und die Auslegung der Heizwicklungen dieser Bimetalle
ist so- beschaffen, daß sich die Heizleistungen über den ganzen Regelbereich zu
einem konstanten Wert ergänzen. Auf den Winkelhebel 6 wirkt noch mit seinem freien
Ende ein Bimetall 19 ein, das mit dem anderen Ende ortsfest gelagert ist.
Es trägt eine Heizwicklung 20, die über das Kontaktthermometer 21 an die Spannungsquelle
16 angeschlossen ist. An Stelle der Einrichtung 19 bis 21 kann auch ein zum Regelwiderstand
17 parallel geschaltetes Kontaktthermometer 22 verwendet werden. Die Schaltung dieses
Kontaktthermometers ist durch die gestrichelte Linie angedeutet.
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Bei der dargestellten Stellung des Schnappschalters, bei der der Kontakt
9, 11 geöffnet ist, befinden sich die Heizgeräte 12d ... 12c im ausgeschalteten
Zustand. Die Heizwicklung des Arbeitsbimetalls ist ebenfalls stromlos, so daß dieses
seine gestreckte Lage einnimmt. Der Regelwiderstand 17 ist auf den kleinsten Widerstandswert
eingestellt, d. h., die Heizwicklung 15 des Steuerbimetalls wird vom maximalen
Strom durchflossen. Infolge der Beheizung des Steuerbimetalls befindet dieses sich
in einer gekrümmten Stellung und hält dadurch über das Arbeitsbimetall 1, den Stößel
s und den Winkelhebel 6 den Kontakt der Schnappfederanordnung 8 geöffnet. Zur Einschaltung
der Heizgeräte wird der Regelwiderstand 17 auf -einen größeren Widerstandswert eingestellt,
so daß' die Beheizung des Steuerbimetalls verringert wird. Dieses geht dadurch in
einen weniger gekrümmten Zustand über und schwenkt somit das Arbeitsbimetall von
der Schnappfederanordnung fort. Die Schnappfederanordnung wird freigegeben und schließt
den Kontakt 9, 11. Damit liegen die Heizgeräte 12 ca, 12 b ... 12n
an Spannung. Mit Schließung des Kontaktes 9, 11 ist aber auch der Stromkreis
für die Heizwicklung 14 des Arbeitsbimetalls geschlossen worden, so daß eine Erwärmung
desselben und damit eine Krümmung eintritt, die den entgegengesetzten Sinn der Krümmung
des Steuerbimetalls besitzt. Das Arbeitsbimetall greift wieder an der Schnappfederanordnung
an und bewirkt das Öffnen des Kontaktes. Der Stromkreis für die Heizgeräte und für
die Heizwicklung des Arbeitsbimetalls ist wieder unterbrochen. Infolge seiner Abkühlung
streckt sich das Arbeitsbimetall und gibt die Schnappfeder wieder frei. Der Kontakt
wird erneut geschlossen, und die Beheizung des Arbeitsbimetalls setzt abermals ein.
Dieses Regelspiel wiederholt sich so lange, bis entweder die Spannung aus dem Versorgungsnetz
13 abgeschaltet oder der Regelwiderstand 17 verändert wird. Bei Einstellung des
Regelwiderstandes auf einen anderen Widerstandswert ändert sich die Krümmung des
Steuerbimetalls, wodurch eine Veränderung der Einschaltdauer und der Pausendauer
zwischen je zwei Einschaltungen hervorgerufen wird. Für jeden Widerstandswert des
Regelwiderstandes stellt sich also ein bestimmter Taktrhythmus ein, durch den die
den Heizgeräten zugeführte mittlere elektrische Leistung bestimmt ist. Durch die
Auslegung der Bimetalle und deren Anordnung sowie durch die Dimensionierung ihrer
Heizwicklungen wird erreicht, daß die Steuerleistung des Steuerbimetalls im umgekehrten
Verhältnist zur Heizleistung des Arbeitsbimetalls steht. Bei geringer Steuerleistung
ist die geregelte mittlere Leistung und damit die der Heizwicklung des Arbeitsbimetalls
groß und umgekehrt. Die Summe beider Heizleistungen ist also konstant, so daß sich
die Temperatur des Regelgerätes über den ganzen Regelbereich nicht ändert.
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Tritt eine unerwünscht hohe Temperatur im beheizten Raum auf, so schließt
das Kontaktthermometer 21 den Heizstromkreis der Heizwicklung 20 des
Bimetalls 19. Das Bimetall wird durch die Erwärmung zu dem Winkelhebel 6 hin aasgelenkt
und betätigt diesen im Sinne einer Kontaktöffnung des Schnappschalters. Die Heizwicklung
20 wird wieder spannungslos, wenn die Temperatur des beheizten Raumes unter
den kritischen Wert sinkt. Der Schnappschalter wird freigegeben und kann seinen
Kontakt wieder schließen, wenn nicht gerade der Winkelhebel durch das Arbeitsbimetall
blockiert ist.
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Die Übertemperaturauslösung kann auch durch ein Kontaktthermometer
22, das parallel zum Regelwiderstand 17 geschaltet wird, erfolgen. Bei Schließung
des Kontaktes des Kontaktthermometers wird der Regelwiderstand kurzgeschlossen,
so daß eine maximale Beheizung des Steuerbimetalls einsetzt. Dadurch wird über das
Arbeitsbimetall die Ausschaltung des Schnappschalters bewirkt. Bei Verwendung einer
solchen Anordnung ist das Bimetall 19 und der zugehörige Stromkreis überflüssig.
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Die Nockenscheibe 18, die zur Handausschaltung der Heizgeräte dient,
befindet sich in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel in ihrer
Einschaltstellung, d. h., der Nocken der Scheibe befindet sich außerhalb des Wirkbereiches
des Steuerbimetalls, so daß dieses mit seinem freien Ende nur auf der Kreisscheibe
aufliegt und so den größten Abstand vom Schnappschalter besitzt. Zur Handausschaltung
wird die Nockenscheibe um 90° im Uhrzeigersinn gedreht, wodurch der Nocken unter
das Steuerbimetall gelangt und dieses anhebt. Dadurch tritt eine Schwenkung des
Arbeitsbimetalls ein, die den Schnappschalter zur Kontaktöffnung zwingt.
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Sollen die Heizgeräte für längere Zeit ausgeschaltet bleiben, so wird
die Spannung von der Versorgungsleitung her abgeschaltet.
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Wie bereits eingangs angedeutet, ist die elektrische Einstellung der
dem Steuerbimetall zugeführten Heizleistung mit Hilfe des Regelwiderstandes insofern
nicht ganz befriedigend, weil sie mit unnötigen Verlusten behaftet ist. Zweckmäßiger
ist eine verlustlose Regelung, weil die Steuerenergie, die für die Zugbeheizung
aus der Wagenbatterie entnommen werden muß, nur im begrenzten Maße zur Verfügung
steht. Die Regelung der Heizleistung erfolgt deshalb vorteilhafterweise durch impulsmäßige
Versorgung der Heizwicklung des Steuerbimetalls, bei der durch Änderung der relativen
Einschaltdauer die mittlere Heizleistung auch von 0 bis 100% variiert werden kann.
Die Taktung kann durch einen mechanischen Takter vorgenommen werden, zweckmäßiger
ist jedoch ein Transistorgerät, da die hierfür erforderlichen Spannungen in der
elektrischen Anlage eines Zuges zur Verfügung stehen. Außerdem ist nur eine geringe
Steuerleistung für den Transistorzerhacker erforderlich, und der Transistor kann
in seiner Verwendung als Schalter mit sehr hohem Wirkungsgrad betrieben werden.
Die abgegebene mittlere Leistung wird dadurch gesteuert, daß das Verhältnis der
Stromführungszeit zur Pausenzeit verändert wird. Bei konstanter Periodendauer ist
die ausgesteuerte Leistung proportional dem Verhältnis der Durchlaßzeit zur Gesamtzeit
einer Periode, wenn die Umschaltzeit des Transistors vernachlässigt wird. Durch
den Steuerkreis kann dieses Verhältnis beliebig geändert werden. Es ist nicht notwendig,
für den Steuerkreis einen besonderen Generator zu verwenden, da die Verstärkerstufe
durch Rückkopplung selbst zum Generator werden kann.