DE2749251C3 - Regelbare Heizvorrichtung für kleine Massen, insbesondere das Ausdehnungsmittel in Wärmestellvorrichtungen - Google Patents

Regelbare Heizvorrichtung für kleine Massen, insbesondere das Ausdehnungsmittel in Wärmestellvorrichtungen

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DE2749251C3 DE2749251A DE2749251A DE2749251C3 DE 2749251 C3 DE2749251 C3 DE 2749251C3 DE 2749251 A DE2749251 A DE 2749251A DE 2749251 A DE2749251 A DE 2749251A DE 2749251 C3 DE2749251 C3 DE 2749251C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine regelbare Heizvorrichtung für kleine Massen, insbesondere das Ausdehnungsmittel in Wärmestellvorrichtungen, mit einem Heizelement und einem Temperaturfühler, die in der Masse angeordnet sind, und einer Reglereinheit, die das Temperatursignal des Temperaturfühlers mit einem Bezugswert vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis den dem Heizelement zugeführten Heizstrom regelt
Es ist ein Wärmestellglied (DE-OS 1935 187) bekannt, in dessen Ausdehnungsmittel ein Heizwiderstand und ein Temperaturfühler angeordnet ist Die Beheizung erfolgt mittels eines Regelkreises derart daß eine am Regler vorgebbare Temperatur konstant gehalten wird. Da die Temperatur einer bestimmten Ausdehnung des Ausdehnungsmittels entspricht, ergibt sich auf diese Weise eine Lageregelung. In der Technik sind auch viele andere Anwendungszwecke bekannt, bei denen kleine Massen auf einer konstanten Temperatur gehalten werden müssen, z. B. zur Aufnahme der effien Lötstelle eines Thermoelements, ßzs der Temperaturmessung dient
Es ist auch schon bekannt (elektronik Industrie 3-1974, Seiten 46 bis 47), als Heizelement für eine Thermostatkammer einen Leistungstransistor zu verwenden, dessen Basisstrom in Abhängigkeit von einer Meßbrükke geregelt wird. In der Meßbrücke befindet sich ein temperaturabhängiger Widerstand, der der Temperatur der Thermostatkammer ausgesetzt ist.
In jedem Fall benötigt man zwei Elemente, nämlich das Heizelement bzw. den Leistungstransistor und einen Temperaturfühler, die in verschiedenen Stromkreisen angeordnet sind und daher derart in der Masse angeordnet werden müssen, daß sie nicht miteinander kollidieren. Dies erfordert eine stabile Montage und eine bestimmte Mindestmenge dieser Masse.
Es ist ferner bekannt, daß Transistoren temperaturabhängig sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine regelbare Heizvorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die leichter zu montieren und auch für verhältnismäßig kleine Massen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Heizelement ein mittels seiner Verlustleistung heizender Transistor ist und daß der Spannungsabfall an dessen Basis-Emitter-Strecke als Temperatursignal dient.
Bei dieser Anordnung wird die Verlustleistung des Transistors als Heizleistung genutzt. Durch Beeinflussung des Kollektorstroms wird die Heizleistung
geändert. Des weiteren ändert sich die Spannung an der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors mit der Temperatur, Bei einem Silizium-Transistor liegt die Temperaturänderung bei 0,002 V/° C Durch Messung dieser Spannung erhält man daher ein Temperatursignal. Auf diese Weise benötigt man zum Beheizen und zum Fühlen der Temperatur lediglich ein Element Entsprechend einfach ist die Montage. Es ergibt sich eine gedrungene, robuste und billige Konstruktion, die eine hohe Stoßsicherheit hat Da Kollisionen zwischen zwei Elementen nicht zu befürchten sind und Transistoren verhältnismäßig kleine Baugrößen erhalten können, lassen sich auch vergleichsweise kleine Massen, insbesondere Flüssigkeiten, regelbar beheizen. Wenn die Masse kleiner ist genügt auch ein kleinerer is Transistor mit einer kleineren Verlustleistung, der sich gut innerhalb dieser Masse unterbringen läßt Der Begriff »kleine Masse« wird nach oben dadurch begrenzt daß die bei einer aufrechtzuerhaltenen Temperatur abgegebene Wärme durch die Verlustleistung eines Transistors, insbesondere Leistungstransistors, nachgeliefert werden kann.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dafür gesorgt daß die Kollektor-Emitter-Strecke des Heiztransistors mit einem Stromregler in Reihe liegt der von einem Verstärker gesteuert wird, und der Emitter über einen Vorwiderstand mit dem einen Eingang des Verstärkers und die Basis über einen Bezugsspannungsgeber mit dem anderen Eingang des Verstärkers verbunden ist Dies ergibt eine sehr einfache Reglereinheit, bei der die Emitterspannung mit einer Bezugsspannung verglichen wird. Bei zu geringer Spannung erzeugt der Verstärker ein Ausgangssignal, das den Stromregler beeinflußt und damit einen bestimmten Kollektorstrom erzwingt Ist die Spannung zu hoch, wird dieser Kollektorstrom unterbrochen, so daß infolge Abkühlung der Masse die gewünschte Temperatur wieder hergestellt wird.
Vorzugsweise ist der Kollektor über den Stromregler mit dem eir en Pol, der Emitter über einen Emitterwiderstand mit dem anderen Pol einer Gleichspannungsquelle und die Basis mit einem eine Zwischenspannung aufweisenden Mittelanschluß verbunden und der Bezugsspannungsgeber weist einen zwischen Mittelanschluß und anderen Pol geschalteten Spannungsteiler auf, dessen Abgriff mit dem anderen Eingang des Verstärkers verbunden ist. Dies erlaubt einen sehr einfachen Aufbau des Bezugsspannungsgebers. Durch eine Verstellung des Abgriffs des Spannungsteilers läßt sich die Bezugsspannung auf jeden gewünschten Wert insbesondere einen konstant zu haltenden Sollwert einstellen.
Darüber hinaus kann der Spannungsteiler einen in Abhängigkeit von einer Fremdgröße veränderbaren, z. B. temperaturabhängigen, Außenfühlerwiderstand und einen Sollwert-Einstellwiderstand aufweisen. Man kann daher die Temperatur der Masse auch in Abhängigkeit von einem äußeren Fühlersignal beeinflussen, beispielsweise in Abhängigkeit von der Lufttemperatur in einem Raum, die ihrerseits von einem mittels des Wärmestellgliedes beeinflußten Ventils regelbar ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dafür gesorgt, daß die zu beheizende Masse und der Leistungstransistor in einem Arbeitsbehälter angeordnet sind, der eine bewegliche Wand aufweist und mit einer festen Durchführung abgeschlossen ist die drei isoliert gehaltene und mit je einem der Anschlüsse des Heiztransistors verbundene Stifte aufweist und daß die Reglereinheit in einem Gehäuse untergebracht ist, das in der Wand eine Fassung zum Aufstecken auf die Stifte aufweist Hierbei können Arbeitsbehälter und Gehäuse, die Durchführung und Fassung an ihren Stirnseiten aufweisen, zylindrisch ausgebildet sein. Das Gehäuse an der der Fassung gegenüberliegenden Seite kann ein Handbetätigungsglied zur Sollwerteinstellung tragen. Auf diese Weise erhält man eine zweiteilige Stellvorrichtung, die ohne Schwierigkeiten auf ein Ventil od. dgl. aufgesetzt werden kann. Reglereinheit und Stellvorrichtung lassen sich leicht voneinander trennen. Insbesondere kann die Stellvorrichtung mit verschiedeneu Reglereinheiten wahlweise versehen werden, z. B. mit einer nur eine Handeinstellung aufweisenden Reglereinheit oder einer Reglereinheit die in Abhängigkeit von einem äußeren Fühlersignal arbeitet.
Mit besonderem Vorteil ist das Ausdehnungsmittel eine Flüssigkeits-Dampf-Füllung. Bei einer solchen Füllung entspricht die Temperatur an der Trennfläche einem bestimmten Dampfdruck. M'.n kann daher das Stellglied als Druckreferenzgeber benutzen. Bei diesem Anwendungszweck ist die Frage der Beheizung kleiner Massen von besonderer Bedeutung, weil der Arbeitsbehälter nur teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist und sowohl die Heizung als auch die Temperaturmessung in dieser Teiifüllung erfolgen müssen. Bei Verwendung des die Temperatur messenden Heiztransistors kann man aber trotz der Teilfüllung mit sehr kleinen Arbeitsbehältern auskommen. Wenn diese zu mehr ah die Hälfte mit Flüssigkeit gefüllt sind, insbesondere etwa mit 70%, hat man sogar die Möglichkeit, den Arbeitsbehälter beliebig im Raum zu orientieren.
Insbesondere kann bei mit Flüssigkeits-Dampf-Füllung versehenem Arbeitsbehälter die bewegliche Wand, wie Membran oder Balgboden, in Gegenrichtung vom Dampfdruck eines Kältemittels belastet sein und ein diesen Druck regelndes Kälteventil betätigen. Dies ergibt einen sehr einfachen Aufbau, weil der Dampfdruck im Arbeitsbehälter unmittelbar mit dem Dampfdruck im Kälteventil verglichen und dieses im Sinne einer vorbestimmten Relation zwischen den beiden Drücken verstellt wird. Ein solches Kälteventil kann als Saugdruck-Regler, Thermoventil, Kapazitätsregler und anderes mehr in Kälte- oder Klimaanlagen verwendet werden.
Vor allem kann das Kälteventil ein ein Hauptventil steuerndes Pilotventil sein. Ein solches Pilotventil ist von Natur aus wesnetlich kleiner als das zu steuernde Hauptventil. Entsprechend klein ist auch der die Flüssigkeits-Dampf-Füllung aufnehmende Arbeitsbehälter.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig.1 die konstruktive Ausgestaltung einer regelbaren Heizvorrichtung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem ein Hauptventil steuernden Pilotventil in einer Kälteanlage und
Fig. 2 eine Schaltung für die regelbare Heizvorrichtung.
Ein Hauptventil i ist in die Saugleitung einer Kälteanlage zwischen Verdampfer und Verdichter geschaltet. Dieses besitzt ein Gehäuse 3 mit einer Zulaufseite 4 und einer Abflußseite 5. Der dazwischen befindliche Ventils;;? 6 arbeitet mit einem Verschlußstück 7 zusammen, das über einen Schaft 8 mit einem Kolben 9 verbunden ist. Dieser trennt einen Druckraum 10 von einem Druckraum 11. Beide Druckränme sind
über eine Drossel 12 miteinander verbunden. Der Druckraum U ist mit der Abflußseite über eine Drossel 13 verbunden. Ferner ist eine Feder 14 vorgesehen. Der Kolben 9 und damit das Verschlußstück 7 nehmen daher eine Stellung ein, in der die Druckdifferenz in den Räumen 10 und 11 der Kraft der Feder 14 entspricht.
Diese Druckdifferenz wird mit Hilfe eines PilotventÜs 15 gesteuert, dessen Gehäuse 16 in den Deckel 17 des Hauptventils 1 eingeschraubt ist. Als Verschlußstück dient eine als Membran ausgebildete Wand 18, die mit einem Ventilsitz 19 zusammen arbeitet und unter dem Druck einer Feder 20 steht. Der Ringraum 21 außerhalb des Ventilsitzes 19 steht über Pilotkanäle 22 im Gehäuse 3 und im Deckel 17 des Hauptventils 1 mit der Zuflußseite 4 in Verbindung. Je weiter das Pilotventil öffnet, umso größer ist die Kältemittelmenge, die über das Pilotventil und die Drosselstellen 12 und 13 strömt, und umso größer ist der Druckabfall an der Drosselstelie Ϊ2. Dies führt zu einer entsprechend stärkeren Öffnung des Verschlußstücks 7 des Hauptventils.
Die Wand 18 ist beweglich und schließt einen Arbeitsbehälter 23 ab, der mit einer Füllung 24 versehen ist. die eine Flüssigkeitsphase 24a und eine Dampfphase 24b aufweist. In Abhängigkeit von der Temperatur an der Flüssigkeitsoberfläche stellt sich ein Dampfdruck pr ein, der die Wand 18 von oben belastet, während von unten der Saugdruck p, und die Kraft der Feder 20 wirkt. In der Flüssigkeitsphase 24a befindet sich ein Leistungstransistor 25, dessen Zuleitungen für Basis. Emitter und Kollektor mit den drei Stiften 26 einer Durchführung 27 verbunden sind. Diese Stifte sind in Durchbrüchen an der Stirnseite des Arbeitsbehälters 23 in Glasisolierungen gehalten. Eine Reglei-einheit 28 ist in einem Gehäuse 29 untergebracht, in der die Einzelteile 30 der Reglereinheit in Kunststoff 31 vergossen sind. An der dem Arbeitsbehälter 23 zugewandten Seite befindet sich eine mehrere Steckbuchsen für die Stifte 26 aufweisende Fassung 32. Auf der gegenüberliegenden Stirnseite ist ein Drehknopf 33 zur Handeinstellung des Sollwertes angeordnet. Über eine seitliche Durchführung können Kabel 34 zum Anschluß an eine Spannungsquelle und Kabel 35 zum Anschluß eines äußeren Fühlers herausgeführt werden.
Durch einfache Änderung der Temperatur im Arbeitsbehälter 23 kann der Dampfdruck pt und damit der Saugdruck p, geändert werden. Falls sich der Saugdruck aufgrund äußerer Einflüsse ändert, nimmt das Pilotventil 15 und damit das Hauptventil I eine andere Stellung ein. bei der wieder die alten Verhältnisse hergestellt sind. Die Regelung kann in der Weise erfolgen, daß ein mit dem Drehknopf 33 eingestellter Sollwert des Saugdruckes unverändert aufrechterhalten bleibt. Statt einer solchen Reglereinheit kann aber auch eine andere Reglereinheit aufgesetzt werden, bei der der Saugdruck in Abhängigkeit von einem äußeren Temperaturfühler geregelt wird, beispielsweise derart, daß dieser äußere Temperaturfühler die Temperatur des zu kühlenden Mediums festgestellt und die Temperatur auf einem mittels des Drehknopfes 33 einstellbaren Wert gehalten wird. Hierbei kann in der Reglereinheit ein P-Verhalten, ein PI-Verhalten oder eine kompliziertere Oberführungsfunktion vorhanden sein. Es besteht auch die Möglichkeit, den Saugdruck in zeitlicher Abhängigkeit zu steuern.
Das Ventil kann auch anderen Zwecken dienen, beispielsweise der Wärmeregulierung in einer Heizoder Klimaanlage. Statt eines Ventils können auch andere Vorrichtungen betätigt werden, beispielsweise Strömungsdrosseln.
Bei alledem ist es wichtig, daß die Beheizung des Ausdehnungsmediums 24 derart erfolgt, daß eine bestimmte Temperatur aufrechterhalten wird. Hierzu dient ein einziges Bauelement, nämlich der Transistor 25, der durch Abgabe von Verlustwärme als Heizelement dient und außerdem mit seiner Basis-Emitter-Strecke die Temperatur mißt. In Fig. 2 ist eine für die regelbare Heizvorrichtung geeignete Schaltung dargestellt. Es sind drei Spannungsanschlüsse vorgesehen, nämlich der eine Pol V+ einer Gleichspannungsquelle, der andere Pol V- der Gleichspannungsquelle und ein Mittelanschluß O, der eine Zwischenspannung führt und an masse iifgi. Der Hei/.irarisisior 25 iiegi mit seinem Kollektor über eine Diode 36 und einen Stromregler 37. der zwei Transistoren 38 und 39 in Darlington-Schaltung aufweist, an dem einen Pol V+, mit dem Emitter über einen Emitterwiderstand 40 am anderen Pol V- und mit seiner Basis an dem Mittel.inschluß O. Ein Verstärker 41 ist mit seinem einen Eingang über einen Vorwiderstand 42 an den Emitter des Heiztransistors 25 angeschlossen. Der andere Eingang ist mit einem Abgriff i3 eines als Bezugsspannungsgeber dienenden Spannungsteilers 44 verbunden, der sich zwischen dem Mittclanschluß O und dem Pol V- der Gleichspannungsquelle erstreckt. Der Spannungsteiler besteht aus einem Potentiometer 45 und eintm Festwiderstand 46. In eine erste Einschaltslelle 47 kann wahlweise ein äußerer temperaturabhängiger Widerstand 48. ζ Β. ein NTC-Widerstand, in eine zweite Einschaltstelle 49 kann ein veränderbarer Widerstand 50 wahlweise eingeschaltet werden. Der Verstärker 41 hat durch eine einen Widerstand 51 und einen Kondensator 52 aufweisende Gegenkopplung ein Pl-Verhaltcn. Der Ausgang steuert über einen Widerstand 53 den Eingang des Stromreglers 37.
Bei dieser Reglereinheit nimmt die Temperatur im Behälter 23 einen Wert ein. bei der der Spannungsabfall an der Basis-Emitter-Strecke des Heiztransistors 25 der mittels des Abgriffs 49 eingestellten Bezugsspannung entspricht. Sinkt die Temperatur, sinkt auch der Spannungsabfall. Der Verstärker gibt ein Atisgangssignal ab, durch das der Heizstrom mittels des Stromreglers 37 verstärkt wird. Steigt die Temperatur, so wird die Heizung unterbrochen, bis durch Abkühlung die Ist-Temperatur die Solltemperatur erreicht. Der Abgriff 43 kann mittels des Drehknopfs 33 verstellt werden. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Temperaturen und damit unterschiedliche Saugdrücke bei der Ausführungsform der F i g. I einstellen.
Wenn an den Einschaltstellen 47 und 49 ein temperaturabhängiger Widerstand 48 bzw. ein Einstellwiderstand 50 eingeschaltet werden, ergibt sich zusätzlich eine Abhängigkeit von diesem Außenfühler 48, insbesondere einem NTC-Widerstand, der vom gekühlten Medium beaufschlagt wird. Der Einstellwiderstand 50 kann auch in die Reglereinheit einbezogen werden, so daß die Solltemperatur des gekühlten Mediums in dem Drehknopf 33 eingestellt werden kann.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche;
1. Regelbare Heizvorrichtung for kleine Massen, insbesondere das Ausdehnungsmittel in Wärmestellvorrichtungen, mit einem Heizelement und einem Temperaturfühler, die in der Masse angeordnet sind, und einer Reglereinheit, die das Temperatursignal des Temperaturfühlers mit einem Bezugswert vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis den dem Heizelement zugeführten Heizstrom regelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement ein mittels seiner Verlustleistung heizender Transistor (25) ist und daß der Spannungsabfall an dessen Basis-Emitter-Strecke als Temperatursignal dient
2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Emitter-Strecke des Heiztransistors (25) mit einem Stromregler (37) in Reihe liegt, der von einem Verstärker (41) gesteuert wird und daß der Emitter über einen Vorwiderstand (42) mit dem einen Eingang des Verstärkers und die Basis über einen Bezugsspannungsgeber (44) mit dem anderen Eingang des Verstärkers verbunden ist.
3. Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor über den Stromregler (37) mit dem einen Pol (V+), der Emitter über einen Emitterwiderstand (40) mit dem anderen Pol (V-) einer Gleichspannungsquelle und jo die Basis mit einem eine Zwischenspannung aufweisenden Mittelanschluß (O) verbunden sind und daß dar Bezugsspannungsgeber einen zwischen Mittelanschluß und anderem Pol geschalteten Spannungsteiler (44) aufweis... dessen Abgriff (43) mit dem anderen Eingang des Verstärkers verbunden ist.
4. Heizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff (43) des Spannungsteilers (44) verstellbar ist.
5. Heizvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (44) einen in Abhängigkeit von einer Fremdgrölie veränderbaren Außenfühlerwiderstand (48) und einen Sollwert-Einstellwiderstand (50) aufweist.
6. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beheizende Masse (24a) und der Leistungstransistor (25) in einem Arbeitsbehälter (23) angeordnet sind, der eine bewegliche Wand (18) aufweist und mit einer »0 Durchführung (27) abgeschlossen ist, die drei isoliert gehaltene und mit je einem der Anschlüsse des Heiztransistors verbundene Stifte (26) aufweist, und daß die Reglereinheit (28) in einem Gehäuse (29) untergebracht ist, das in der Wand eine Fassung (32) zum Aufstecken auf die Stifte aufweist.
7. Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Arbeitsbehälter (23) und Gehäuse (29) zylindrisch ausgebildet sind die an ihren Stirnseiten Durchführung (26) und Fassung (32) aufweisen.
8. Heizvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (29) an der der Fassung (32) gegenüberliegenden Seite ein Handbetätigungsglied (33) zur Sollwerteinstellung trägt.
9. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausdehnungsmittel (24) eine Flüssigkeits-Dampf-Füllung ist.
10, Heizvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsbehälter (23) zu erheblich mehr als zur Hälfte, vorzugsweise 70%, mit Flussigkeit(24ajgefüllt ist.
11, Heizvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei mit Flüssigkeits-Dampf-Füllung (24) versehenem Arbeitsbehälter (23) die bewegliche Wand, wie Membran (18) oder Balgboden in Gegenrichtung vom Dampfdruck (ps) eines Kältemittels belastet ist und ein diesen Druck regelndes Kälteventil (15) betätigt
12, Heizvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kälteventil (15) ein ein Hauptventil (1) steuerndes Pilotventil ist.
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