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Einrichtung zur selbsttätigen Regelung, insbesondere von Heizungsanlagen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein thermisches Relais, das dazu dient, den Impuls, der von einer dem für die Regelung massgeblich zu machenden Zustand ausgesetzten Gebereinrichtung gegeben wird, zu verstellen und auf eine Regeleinrichtung zur Einwirkung zu bringen. Dies geschieht mittels einer in einem Gefäss mit einer nachgiebigen Wandung eingeschlossenen leichtverdampflichen Flüssigkeit, die bei Einschaltung der elektrischen Beheizung des Gefässes verdampft, wobei die nachgiebige Wand infolge der Drucksteigerung im Innern des Gefässes bewegt und diese Bewegung auf die zu betätigende Regeleinrichtung übertragen wird.
Sobald die Heizung wieder ausgeschaltet ist, kondensiert der Inhalt des Gefässes infolge der Wärmeabgabe des Gefässes an die Umgebung und die bewegliche Wand und damit die Regeleinrichtung werden infolge der Druckabsenkung im Innern des Gefässes wieder im entgegengesetzten Sinn verstellt.
Es sind Regler für Heizungsanlagen bekannt, bei welchen der Stromkreis des Heizelementes eines thermischen Relais, welches das die Heizmittelzufuhr regelnde Ventil steuert, durch Kontaktthermometer, Bimetallstreifen, mit Ausdehnungsflüssigkeit gefüllte Federungskörper oder ähnliche auf Temperaturänderungen ansprechende, der massgeblichen Temperatur ausgesetzte Kontaktgeber geschlossen wird, sobald die eingestellte Regelgrenze erreicht wird.
Solche Regeleinrichtungen neigen wegen einer gewissen Trägheit des thermischen Relais leicht zu einer Überregelung. Der Impulsgeber arbeitet als intermittierender Kontaktgeber, der bei Überschreiten eines bestimmten Wertes der für die Regelung massgeblichen Temperatur die Stromzufuhr zum Heizelement des thermischen Relais einschaltet, bei Unterschreiten dieses Wertes ausschaltet.
Die Energiezufuhr zum Heizelement des thermischen Relais dauert also mit unverminderter Stärke an, bis dieser Wert unterschritten ist. Die Folge ist, dass das die Heizmittelzufuhr bestimmende, vom thermischen Relais betätigte Regelventil weiter verstellt wird, als zur Einhaltung der gewünschten Temperatur erforderlich ist. Erst eine gewisse Zeit, nachdem die Regeltemperatur unterschritten ist, setzt die Gegenbewegung des Steuerorgans ein. Auch diese schiesst über das Ziel hinaus, da der vom Impulsgeber bei Wiedererreichen der Regeltemperatur eingeschaltete Strom erst eine gewisse Zeit auf den Inhalt des thermischen Relais einwirken muss, ehe dasselbe den zur Verstellung des Steuerorgans erforderlichen Druck liefert. Die Regelung ergibt also nicht eine gleichmässige Raum-bzw.
Heizmitteltemperatur, sondern eine um einen festen Wert schwankende Temperatur.
Gemäss der Erfindung wird dieser Nachteil bekannter thermischer Relais dadurch vermieden, dass durch den Geber die Stromzufuhr zum Heizelement des thermischen Relais nicht einfach einund ausgeschaltet wird, sondern dass die Stromzufuhr verhältnisgleich der Abweichung des für die Regelung massgeblichen Zustandes von seinem Regelwert praktisch kontinuierlich durch Verstellen eines im Stromkreis des Heizelementes angeordneten regelbaren Widerstandes geändert wird. Ist also beispielsweise bei einem nach der Temperatur des beheizten Raumes gesteuerten Heizungsventil die Regeltemperatur weit überschritten, so wird durch den temperaturempfindlichen Geber der Widerstand im Stromkreis des Heizelementes verringert und so dem Heizelement ein starker Strom zugeleitet, der eine Drosselung des Heizungsventils bewirkt.
Nähert sich die Raumtemperatur infolgedessen dem Regelwert, so wird durch den Geber in gleichem Masse auch der Widerstand vergrössert und damit die Stromzufuhr zum Heizelement verringert. Die Verstellung des Regelventils wird dadurch gebremst,
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u. zw. um so stärker, je weiter die Raumtemperatur sich dem Regelwert nähert. Ist diese schliesslich erreicht, so hat auch die Stromzufuhr zum Heizelement des thermischen Relais den Wert Null erreicht, und eine weitere Verstellung des Schaltorgans findet nicht mehr statt. Es lässt sich also durch Anwendung eines solchen thermischen Relais-eine aperiodisehe Regelung oder zumindest eine starke Dämpfung der bisher bei solchen Reglern auftretenden Schwingungen erreichen.
Es sind Anordnungen zum Regeln von Stromkreisen bekannt, bei denen im Stromkreis eines Verbrauchswiderstandes ein Thermostatschalter angeordnet ist, dessen eine Kontaktzunge bimetallisch ausgebildet und von einer im Hauptstromkreis liegenden Heizwicklung umgeben ist ; parallel zu der Heizwicklung ist ein Regelwiderstand angeordnet, der selbsttätig unter Einwirkung der Wärmeentwicklung des Verbrauchswiderstandes eingeregelt wird. Diese Einrichtung arbeitet so, dass immer ein Zeitabschnitt, während dessen der Verbrauchswiderstand voll mit Strom versorgt wird, mit einem Zeitabschnitt abwechselt, während dessen die Stromzufuhr vollständig unterbrochen ist.
Durch Verstellen des Regelwiderstandes unter der Einwirkung der Wärmeentwicklung des Verbrauchswiderstandes wird hiebei lediglich das Verhältnis der Schliess- und Öffnungszeiten des Schalters und damit die während einer ganzen, also eine Schliess-und Öffnungsabschnitt umfassenden Periode dem Ver- brauchswiderstand zugeführte Energie geändert. Die Einrichtung arbeitet also ebenfalls intermittierend.
Die Verwendung eines thermischen Relais, bei dem gemäss der Erfindung im Stromkreis des Heizelementes ein veränderlicher Widerstand angeordnet ist, der durch einen dem für die Regelung massgeblichen Zustand ausgesetzten Geber verstellt wird, ist nicht auf die eingangs als Beispiel angegebene Temperaturregelung beschränkt, sondern kann ebenso auch bei der Mengen-oder Druckregelung von Gasen oder Flüssigkeiten, bei der Regelung der Feuchtigkeit von Luft und irgendwelchen technischen Stoffen, der Konzentration von Gasen oder Flüssigkeiten u. dgl. mit Vorteil Anwendung finden, um eine periodische Regelung oder zumindest eine starke Dämpfung der sonst bei Verwendung von thermischen Relais auftretenden Schwingungen'zu erzielen.
Als veränderlicher Widerstand im Stromkreis des Heizelementes des thermischen Relais eignet sich insbesondere eine an sich bekannte Kohlenscheibensäule, die aus einer Anzahl zu einer Säule aufgeschichteten Kohlenscheiben besteht. Die Säule ändert bekanntlich bei Änderung des auf sie ausgeübten Druckes ihren Widerstandswert in sehr weiten Grenzen ; derselbe wird um so geringer, je stärker die Scheiben zusammengepresst werden, und vergrössert sich, wenn der Druck nachlässt, ohne dass die Säulenlänge sich merklich ändert. Als Geber dient eine Einrichtung, die unter dem Einfluss der Änderungen des für die Regelung massgeblichen Zustandes, also der Temperatur eines Raumes, des Druckes eines strömenden Mediums, der Konzentration einer Flüssigkeit od. dgl., einen diesen Änderungen proportionalen Druck auf die Kohlenscheibensäule ausübt.
Für die Zwecke der Temperaturregelung kann beispielsweise die Ausdehnung und Zusammenziehung von festen oder flüssigen, der massgeblichen Temperatur ausgesetzten Körpern in geeigneter Weise'auf die Säule übertragen werden, oder es kann mittels eines Magneten, dessen Erregung durch der zu regelnden Temperatur ausgesetzte Kontaktgeber ein-und ausgeschaltet wird, auf die Säule ein veränderlicher Druck ausgeübt werden.
Bei Regelung in Abhängigkeit vom Druck eines Gases oder einer Flüssigkeit kann dieser Druck mittels eines von ihm beaufschlagten. in einem Zylinder laufenden Kolbens, mittels einer Membran oder eines Federungskörpers auf die Kohlenscheibensäule übertragen werden.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 das prinzipielle Schema des erfindungsgemässen thermischen Relais. Fig. 2 eine Einrichtung zur Steuerung eines Heizungsventils, bei welcher als Geber ein fester Ausdehnungskörper verwendet wird, Fig. 3 eine ähnliche Einrichtung mit einem Geber, der auf der Ausdehnung oder-Verdampfung einer Flüssigkeit beruht. Fig. 4 eine Regeleinrichtung für eine Luftheizung, bei welcher die Heizmittelzufuhr zum Lufterhitzer sowohl von der Raumtemperatur als auch von der Temperatur der Heizungsluft bei Austritt aus dem Erhitzer und von der Aussentemperatur abhängig gemacht ist.
Das thermische Relais besteht aus einem am unteren Ende auf einer festen Unterlage befestigten Federungskörper 5, der durch eine Leitung 6 mit dem Verdampfungsgefäss 7 verbunden ist, indem sich eine geringe Menge einer leiehtverdampflichen Flüssigkeit, beispielsweise Äther, Azeton od. dgl., befindet. Im Verdampfungsgefäss 7 ist das elektrische Heizelement' angeordnet, das, wenn es vom Strom durchflossen wird, die Füllflüssigkeit des Verdampfungsgefässes 7 erwärmt und zum Verdampfen bringt. Der entwickelte Dampfdruck wirkt auf den Deckel 1 des Federungskörpers und längt den Federungskörper- entgegen der Wirkung seiner Eigenfederung und gegebenenfalls einer nicht dar-
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steuernde Einrichtung übertragen.
Bei den bisher bekannten thermischen Relais dieser Art wird der Stromkreis des Heizelementes durch einen dem für die Regelung massgeblichen Zustand ausgesetzten Geber bei Änderung desselben eingeschaltet, indem beispielsweise bei Verwendung des Relais zur Steuerung eines Heizungsventils in dem Stromkreis des Heizelementes ein im beheizten Raum angeordnetes Kontaktthermometer geschaltet wird, das bei Überschreiten der gewünschten Raumtemperatur den Stromkreis des Heizelementes schliesst, wobei die dadurch hervorgerufene'Längung des Federungskörpers 5 auf das Heizungsventil übertragen wird und dasselbe drosselt.
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Gemäss der Erfindung ist in den Stromkreis 3 des Heizelementes 8 ausser der Stromquelle 14 ein veränderlicher Widerstand 9 eingeschaltet, der von dem in Abhängigkeit von der jeweiligen Ab- weichung des für die Regelung massgeblichen Zustandes von seinem Sollwert verstellt wird.
Bei dem Anwendungsbeispiel nach Fig. 2, bei dem das thermische Relais zur Verstellung eines
Heizungsventils dient, ist mit dem Deckel 1 des Federungskörpers 5 der Kegel 4 des Heizungsventils 19 verbunden, das in der Heizmittelzuf uhrleitung 2 zum beheizten Raum angeordnet ist. Der veränderliche
Widerstand ist hier als Kohlenscheibensäule 9 ausgebildet. Diese stützt sich einerseits auf ein festes
Auflager 23 und wird anderseits über einen im Punkt 18 drehbar gelagerten Hebel 10 von einem festen, an einem Ende abgestützten Körper 11, je nach dessen Ausdehnung, stärker oder schwächer zusammen- gedrückt. Der Körper ist der für die Regelung massgeblichen Temperatur ausgesetzt.
Ist der Sollwert dieser Temperatur stark überschritten, so dehnt sich der Körper 11 aus und drückt die Kohlenscheibensäule 9 zusammen, deren Widerstand dadurch stark vermindert wird. Durch das Heizelement 8 fliesst infolgedessen ein starker Strom, der den Inhalt des Gefässes 7 stark erwärmt.
Der entwickelte Dampfdruck nähert daher den Kegel 4 des Ventils 19 rasch seinem Sitz 24 und drosselt die Heizmittelzufuhr. Infolge der verminderten Heizmittelzufuhr zum beheizten Raum sinkt dessen den Ausdehnungskörper 11 beeinflussende Temperatur ; dieser zieht sieh zusammen, entlastet die Kohlenseheibensäule 9 und erhöht deren Widerstand, so dass die Wärmezufuhr zum Verdampfungs- gefäss 7 herabgesetzt wird. Die Folge ist, dass der Anstieg des Dampfdruckes im thermischen Relais gebremst und die Abschlussbewegung des Ventilkegels 4 verzögert wird.
Ist endlich der Sollwert der
Temperatur erreicht, so hat der Ausdehnungskörper die Kohlenscheibensäule so weit entlastet, dass durch ihren hohen Widerstand dem Heizelement nur ein so geringer Strom und damit der Füllflüssigkeit so wenig Wärme zugeführt wird, dass zwischen dieser Wärmezufuhr und der Wärmeabgabe des Ge- fässes 7 an die Umgebung Gleichgewicht herrscht. Der Regler arbeitet also nicht intermittierend, wie die bisher bekannten Regler mit thermischen Relais, sondern kontinuierlich, so dass Schwingungen nicht auftreten oder wenigstens so stark gedämpft werden, dass sie nicht störend wirken. Ein besonderer
Vorteil ist dabei, dass empfindliche Kontakte völlig vermieden sind.
Fig. 3 zeigt die Kohlenscheibensäule 9 mit einem Impulsgeber, der aus einem der massgeblichen
Temperatur ausgesetzten, mit Ausdehnungs-oder Verdampfungsflüssigkeit gefüllten Temperatur- fühler 12 besteht. Dieser wirkt über einen Federungskörper 13 und den Hebel 10 auf die Säule 9 ein und ändert deren Widerstand bei Temperaturänderungen.
Fig. 4 zeigt eine Einrichtung zur Regelung der Heizmittelzufuhr zu dem Lufterhitzer der Luft- heizung eines Eisenbahnwagens. In der Heizmittelleitung 2 zu dem Lufterhitzer, in welchem die dem Wagen zugeführte Frischluft durch Wärmeaustausch mit dem Heizmittel erwärmt wird, ist das
Heizmittelventil19 angeordnet, das in der gleichen Weise wie die Heizungsventile der vorherbeschriebenen
Ausführungsbeispiele von dem thermischen Relais 5-9 betätigt wird.
In den einzelnen Abteilen des beheizten Wagens sind Kontaktthermometer angeordnet, u. zw. beispielsweise je drei bei verschiedenen Temperaturen kontaktgebende Thermometer 15, von denen mittels eines vom Reisenden zu betätigenden Schalters 16 das der jeweils gewünschten Temperatur entsprechende eingeschaltet werden kann. Durch diese Kontaktthermometer werden bei Überschreiten der Kontakttemperatur die Stromkreise der Widerstände 17 geschlossen. An die Stelle der Wider- stände 17 können auch die Betätigungsspulen der zur Verstellung der die Heissluftzufuhr zu den einzelnen
Abteilen steuernden Organe treten. Die Widerstände bzw. Spulen 17 und die Thermometer 15 der einzelnen Abteile sind sämtlich parallel geschaltet.
In Reihe mit ihnen ist die Erregerwicklung 30 eines Drehmagneten 20 geschaltet, die also von der Summe der durch die Kontaktthermometer ein- geschalteten Ströme durchflossen wird. Der Drehanker 21, der bei Erregung des Magneten entgegen der Wirkung der Rückzugfeder 31 verstellt wird, übt über das Gestänge 22 einen Druck auf die Kohlen- scheibensäule 9 aus, der proportional der Anzahl der Abteile ist, in denen die Kontaktthermometer 15
Kontakt geben, die gewünschte Temperatur also überschritten ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel stützt sich die Kohlenscheibensäule 9 nicht auf ein feststehendes
Auflager. Das Auflager 23 wird hier vielmehr gebildet durch den beweglichen Boden des einerseits fest angeordneten Federungskörpers 25, der durch die Leitungen 26 und 27 mit zwei Gefässen 29 und 28 in Verbindung steht. Der Federungskörper 25, die Gefässe 28 und 29 und die Leitungen 26 und 27 sind vollständig mit einer sich bei Temperaturerhöhung ausdehnenden Flüssigkeit gefüllt. Das Gefäss 28 ist der Temperatur der aus dem Lufterhitzer austretenden Heizungsluft und das Gefäss 29 der Aussen- temperatur ausgesetzt. Bei Ausdehnung des Inhaltes eines der oder auch beider Gefässe 28, 29 wird der Federungskörper 25 gelängt und so das Auflager 23 der Kohlenscheibensäule 9 verschoben.
Diese
Verschiebung ist, wenn die Gefässe 28 und 29 gleich gross sind, von der Heizlufttemperatur und von der
Aussentemperatur in gleichem Masse abhängig. Durch die Verschiebung des Auflagers 23 wird erreicht, dass bei hoher Aussentemperatur oder Heizlufttemperatur bereits eine geringe Stärke des durch die Kontaktthermometer 15 eingeschalteten, die Erregerwicklung 30 durchfliessenden Stromes ausreicht, um gegen die Wirkung der Rückzugfeder 31 einen Druck auf die Kohlenscheibensäule 9 auszuüben und so das Heizmittelventil 4 zu verstellen.