DE2509424A1

DE2509424A1 - Fuehler fuer ein thermostatisches system

Info

Publication number: DE2509424A1
Application number: DE19752509424
Authority: DE
Inventors: Niels Peter Grand Graversen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1975-03-05
Filing date: 1975-03-05
Publication date: 1976-09-09
Also published as: FR2303275B3; FR2303275A1; DE2509424B2; JPS51113168A

Description

Fühler für ein thermostatisches System

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fühler für ein thermostatisches System mit einer sich bei Erwärmung ausdehnenden Füllung.

Fühler der hier betrachteten Art sind entweder mit einer Ausdehnungsflüssigkeit, wie Toluol oder einem anderen flüssigen Kohlenwasserstoff, oder mit einem festen Dehnstoff, wie Wachs oder Kunststoff, gefüllt. Die Vorteile des flüssigkeitsgefüllten Fühlers liegen darin, daß er über ein Kapillarrohr mit dem thermostatischen Arbeitselement und gegebenenfalls einer Sollwert-Einstellvorrichtung verbunden werden kann, so daß die Lage des Fühlers verhältnismäßig frei gewählt werden kann. Die Vorteile des mit einem festen Dehnstoff gefüllten Fühlers liegen hauptsächlich darin, daß für eine vorgegebene Volumenänderung ein vergleichsweise kleines Fühlervolumen genügt. Allerdings muß ein solcher Feststoff-Fühler unmittelbar als Arbeitselement verwendet werden. Um dies zu vermeiden, ist es auch schon bekannt, den Fühler nahezu vollständig mit einzelnen festen Polyäthylen-Körpern als Dehnstoff zu füllen und da3 übrige thermostatische System sowie die Hohlräume zwischen diesen Körpern mit Glyzerin als hydraulischer Übertragungsflüssigkeit zu versehen.

Wenn derartige thermostatische Systeme in einem üblichen Regelkreis eingesetzt werden, z.B. zur Betätigung eines Heizkörperventils in einem Raum, dessen Temperatur annähernd konstant gehalten werden soll, dann zeigt es sich, daß es praktisch

60983 7/OB 34

unmöglich ist, ein Regelverhalten zu erzielen, bei dem das Stellglied des Arbeitselements bei einer Änderung der Verhältnisse, z.B. der Sollwert-Einstellung, sich rasch, aber trotzdem ohne Überschwingen seiner neuen Stellung nähert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Fühler der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der es auf einfache Weise erlaubt, ein Regelverhalten zu erzielen, bei dem ein Überschwingen weitgehend vermieden wird, trotzdem aber ein rasches Ansprechen sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Füllung aus zwei verschiedenen Dehnstoffen besteht, und daß die Ausdehnungs-Zeit-Kurve des zweiten Dehnstoffes im Fühler in seinem Arbeitsbereich eine größere Zeitkonstante hat als der erste Dehnstoff.

Der erste Dehnstoff spricht zwar rasch an, so daß sich das Stellglied der erforderlichen neuen Stellung rasch nähert. Da der erste Dehnstoff aber nur einen Teil der Volumenänderung bewirkt, die restliche Volumenänderung durch den zweiten Dehnstoff aber langsamer und mit einer gewissen Verzögerung erfolgt, wird das Stellglied allmählich in seine neue Stellung geführt. Überschwingungen sind daher wesentlich geringer und können bei entsprechender Wahl der Dehnstoffe völlig unterbunden werden. Man erhält daher eine Regelung ähnlich einer Proportional-Integral-Regelung und damit ein stabileres Regelsystem.

Besonders günstig ist es, wenn der erste Dehnstoff eine Ausdehnungsflüssigkeit mit kleiner Zeitkonstante, wie Toluol, ist und der zweite Dehnstoff eine etwa 2 bis 4 Mal so große Zeitkonstante hat. Eine derartige Ausdehnungsflüssigkeit führt zu einem ausreichend raschen Ansprechen. Die angegebene Zeitkonstante des zweiten Dehnstoffes reicht aus, um Üb er schwingungen wirksam zu mindern oder zu verhindern. Unter Ausdehnungsflüssigkeit im Sinne dieser Lehre werden nur solche Flüssigkeiten verstanden, die einen technisch brauchbaren volumetrisehen Ausdehnungskoeffizienten haben, der in der Regel über 0,0008 liegt.

6 0 9 8 3 7/0834

Zweckmäßigerweise sind die Mengen der beiden Dehnstoffe mit Bezug auf ihren Ausdehnungskoeffizienten so bemessen, daß die Volumenänderung des zweiten Dehnstoffes etwa 30 bis 70 %, vorzugsweise etwa 50 %, der gesamten Volumenänderung des Fühlers beträgt· Durch die Wahl dieses Anteils der Volumenänderung hat man bei gegebenem ersten und zweiten Dehnstoff einen weiteren Parameter zur Verfügung, um eine Anpassung an einen gewünschten Regelkreis vorzunehmen.

Mit besonderem Vorteil ist der zweite Dehnstoff ein Wachs. Ein solches Wachs hat nicht nur die gewünschte größere Zeitkonstante, sondern es hat im Arbeitsbereich, also innerhalb seines Schmelzbereichs, eine Volumenänderung, die ein Mehrfaches der Volumenänderung der üblichen Ausdehnungsflüssigkeit beträgt. Beispielsweise ist sie 8fach größer als diejenige des Toluol. Man kommt daher mit einem verhältnismäßig geringen Wachsvolumen von beispielsweise 4 bis 25 % des Volumens der Füllung aus. Für ein gegebenes Ausdehnungsvolumen kann der Fühler insgesamt kleiner gehalten werden. Da Wachs oberhalb des Schmelzbereichs keine Ausdehnung mehr erfährt, kann die Übertemperatur-Sicherheitsvorrichtung, die das bei Übertemperatur auftretende Zusatzvolumen aufzunehmen hat, kleiner ausgelegt werden. Umgekehrt spielt die bei einer Wachsfüllung auftretende Hysterese nur noch eine untergeordnete Rolle, weil die AusdehnungsflUssigkeit auch bei kleinen Temperaturänderungen noch für eine Verstellung des Stellglieds sorgt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Dehnstoff als aus wenigen Stücken, vorzugsweise nur einem Stück bestehender Körper in der Flüssigkeit angeordnet. Temperaturänderungen müssen daher wenigstens teilweise über die Flüssigkeit auf die Oberfläche des einstückigen Körpers und von dieser in das Innere des Körpers übertragen werden. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Verzögerungen, die ebenfalls im Sinne eines besseren Regelverlaufs in das Regelverhalten eingehen. Man kann auch auf andere •Weise Verzögerungsstrecken einbauen, beispielsweise durch Einbau einer Wärmeisolierschicht zwischen den beiden Dehnstoffen.

IS U y B 6 7 / U B 3 L₁

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fühlers in Verbindung mit dem zugehörigen thermostatischen System und

Fig. 2 ein Weg-Zeit-Diagramm für das Stellglied.

Fig. 1 zeigt einen Fühler 1, ein Arbeitselement 2 und eine Sollwert-Einstellvorrichtung 3, die untereinander über Kapillarrohre 4 verbunden sind.

Der Fühler 1 hat ein Gehäuse 5, das zum überwiegenden Teil mit einem ersten Dehnstoff 6, nämlich einer Ausdehnungsflüssigkeit, hier Toluol, und im übrigen mit einem zweiten Dehnstoff 7 in Gestalt eines einstückigen Wachskörpers, der von einer elastischen Hülle 8 umgeben ist, gefüllt ist.

Das Arbeitselement 2 weist ein Gehäuse 9 auf, in welchem ein Stellglied 10, hier mit einem Verschlußstück 11 für ein Ventil, verschiebbar gehalten ist. Der Innenraum 12 ist mittels eines Wellrohres 13 zur Atmosphäre hin abgedichtet. Volumenänderungen im Fühler werden über die Flüssigkeit im Kapillarrohr 4 auf dieses Stellglied 10 übertragen.

Die Sollwert-Einstellvorrichtung 3 hat ein Gehäuse 14, in welchem mittels eines Wellrohres 15 ein Flüssigkeitsraum 16 abgegrenzt ist. Dieser Raum läßt sich durch axiale Verstellung des Schaftes 17 verändern. Zum Zweck dieser axialen Verstellung ist ein axial festgehaltener Drehknopf 18 mit seinem Gewinde 19 auf den Schaft 17 aufgeschraubt. Diese Einstellvorrichtung ist mit einer Übertemperatur-Sicherheitsvorrichtung kombiniert, die im wesentlichen aus einer Feder 20 besteht, welche sich einerseits am Gehäuse 14 und andererseits an einer Hülse 21 abstützt. Wenn sich infolge Übertemperatur die Ausdehnungsflüssigkeit 6 zu stark ausdehnt, wird der Schaft 17 nach oben gedrückt, wodurch

über die Feder 21 die Sicherheitsfeder 20 zusammengepreßt werden kann.

In Fig. 2 ist über der Zeit t der Weg s aufgetragen, den das Stellglied 10 durchläuft, wenn der Sollwert plötzlich um einen vorgegebenen Betrag geändert worden ist. Die gestrichelte Kurve gilt für den Fall, daß der gesamte Fühler mit einer Ausdehnungsflüssigkeit, wie Toluol, gefüllt ist. Man ersieht, daß das Stellglied rasch auf den Endwert zubewegt wird, daß aber ein Überschwingen stattfindet, bei einem zu beheizenden Raum also die Raumtemperatur zu hoch wird, worauf das Stellglied wieder zurückbewegt wird u.s.w. Wird dagegen der zweite Dehnstoff mit größerer Zeitkonstante zusätzlich im Fühler verwendet, ergibt sich die voll ausgezogene Kennlinie. Sie hat zu Beginn denselben raschen Anstieg wie die gestrichelte Kurve, biegt dann aber asymptotisch zum Endwert hin ab. Dies ergibt ein sehr stabiles Regelverhalten.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde als erster Dehnstoff Toluol verwendet, das einen volumetrisehen Ausdehnungskoeffizienten von 1 . 10""V⁰C hat. Als zweiter Dehnstoff diente eine Wachsart, die einen volumetrisehen Ausdehnungskoeffizienten von 8 · 10" /⁰C hat. Dieses Wachs hat demnach einen etwa 8fach größeren Ausdehnungskoeffizienten als das Toluol. Das Wachsvolumen betrug etwa 14 % des gesamten Fühlerinhalts; demzufolge ergab sich ein Volumen von 86 % für die Ausdehnungsflüssigkeit. Hierbei übernimmt das Wachs innerhalb des Arbeitsbereichs von 25 bis 30⁰C einen Anteil der Volumenänderung von 57 %. Die Zeitkonstanten der Ausdehnungs-Zeit-Kurven der beiden Dehnstoffe im Fühler hängen einerseits von Stoffkonstanten, wie speziell Wärme und Wärmeleitung, andererseits aber auch von den gewählten Verhältnissen, wie Anordnung im Fühler oder Oberflächenform, ab. Beispielsweise hat eine Wachskugel eine größere Zeitkonstante als ein Wachszylinder. Im vorliegenden Fall war die Zeitkonstante für das Wachs rund 3,5 mal so groß wie die Zeitkonstante für das Toluol.

609837/083A

Claims

- 6 Patentansprüche

Fühler für ein thermostatisches System mit einer sich bei Erwärmung ausdehnenden Füllung, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung aus zwei verschiedenen Dehnstoffen besteht und daß die Ausdehnungs-Zeit-Kurve des zweiten Dehnstoffes (7) im Fühler in seinem Arbeitsbereich eine größere Zeitkonstante hat als der erste Dehnstoff (6).
2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Dehnstoff (6) eine Ausdehnungsflüssigkeit mit kleiner Zeitkonstante, wie Toluol, ist und der zweite Dehnstoff (7) eine etwa 2 bis 4 Mal so große Zeitkonstante hat.
3. Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der beiden Dehnstoffe (6, 7) mit Bezug auf ihren Ausdehnungskoeffizienten so bemessen sind, daß die Volumenänderung des zweiten Dehnstoffes etwa 30 bis 70 %, vorzugsweise etwa 50 %, der gesamten Volumenänderung des Fühlers beträgt.
4. Fühler nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dehnstoff (7) ein Wachs ist.
5. Fühler nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachsvolumen 4 bis 25 % des Volumens der Füllung beträgt.
6. Fühler nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dehnstoff (7) als aus wenigen Stücken, vorzugsweise nur einem Stück bestehender Körper in der Flüssigkeit (6) angeordnet ist.

609837/0834