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Temperaturregler mit thennischer Rückführung Die Erfindung betrifft
einen Temperaturregler mit therinischer Rückführung, der z. B. zur Regelung der
Temperatur eines beheizten Wohnraumes Anwendung finden kann.
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Ein solcher Regler enthält als Meßglied ein Bimetallelement, das sich
in Abhängigkeit von der Temperatur der Umgebung ausdehnt oder zusammenzieht und
dabei in an sich bekannter Weise einen Stromkreis mit einem Stellglied öffnet oder
schließt. Es ist bereits bekannt, an einem solchen Bimetallelement eine Hilfsheizung
vorzusehen, von der örtlich während der Beheizung des Raumes das Bimetallelement
zusätzlich etwas erwärmt wird, damit die Heizung des Raumes bereits abgeschaltet
wird, bevor die gewünschte Raumtemperatur erreicht ist. Gewöhnlich speichert sich
während des Heizvorganges im Heizgerät eine gewisse Wärmemenge auf, die noch nach
der Abschaltung der Heizung abgegeben wird und den Raum erst dann auf die gewünschte
Temperatur bringt.
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Es ist bereits bekannt, für die Hilfsheizung des Bimetallelementes
einen einstellbaren elektrischen Widerstand in Reihe mit dem Bimetallfühler und
dem Stellglied zu verwenden, wobei der Bimetallfühler von dem durch ihn hindurchgehenden
Strom praktisch nicht erwärmt wird. Die Größe des Hilfsheizwid#rstandes richtet
sich nach dem durch ihn hindurchgehenden Strom, der wiederum vom Stromverbrauch
des Stellgliedes abhängen kann, und nach der Zeit, in der die im Heizgerät verbliebene
Wärme den Raum auf die gewünschte Temperatur noch aufheizen kann.
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Es ist auch bekannt, den Temperaturfühler, also das Bimetallelement
selbst, als Hilfsheizwiderstand auszunutzen. Die Schwierigkeit besteht dann nur
darin, diesen Hilfsheizwiderstand veränderlich zu machen, wenn die zuvor angegebene
bekannte Reihenschaltung verwendet wird. Das Bimetallelement muß, da es selbst einen
Teil eines Schalters bildet, ein gewisses Maß an Beweglichkeit besitzen, so daß
die Möglichkeit, an verschiedenen Stellen des den Hilfsheizwiderstand bildenden
Temperaturfühlers einen einfachen Abgreifer vorzusehen, nicht gegeben ist.
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Die zuvor angegebene Reihenschaltung hat sich außerdem dadurch als
unzweckmäßig erwiesen, daß bei einem Austausch des Stellgliedes gegen ein anderes
mit wesentlich unterschiedlichem Stromverbrauch der Einstellbereich für den Abgreifer
am Hilfsheizwiderstand sehr klein werden kann. Wenn andererseits jedesmal ein beträchtlicher
Teil des Hilfsheizwiderstandes erwärmt wird, besteht die Gefahr, daß in ihm eine
ziemlich große Wärmemenge gespeichert wird, so daß der Temperaturfühler von dieser
gespeicherten Wärme längere Zeit auf einer höheren Temperatur als der Raumtemperatur
gehalten wird, so daß die Raumheizung zu spät in Gang gesetzt wird.
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Es empfiehlt sich daher, den stromdurchflossenen Temperaturfühler,
also das Bimetallelement, dem Hilfsheizwiderstand parallel zu schalten. Hierbei
tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß dieselbe Wärmemenge vom Hilfsheizwiderstand
abgegeben werden kann, wenn sich der Abgreifer an zwei unterschiedhcher. Stellen
befindet. Aufgabe der Erfindung ist die Ausschaltung dieser Möglichkeit, damit kein
Teil der Wicklung des Hilfsheizwiderstandes praktisch ungenutzt bleibt.
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Bei einem Temperaturregler mit einem Bimetallfühler, der als Schaltelement
in dem, einen einstellbaren Hilfsheizwiderstand enthaltenden Stromkreis des Stellgliedes,
gegebenenfalls mit einer auf dem Bimetall selbst angebrachten zusätzlichen Heizwicklung
zur thermischen Rückführung, in Reihe mit den Schaltkontakten liegt, ist gemäß der
Erfindung der Bimetallfühler parallel zum Hilfsheizwiderstand geschaltet, der mit
einem Abgreifer versehen ist, durch den der Anteil an der gesamten Wärmeentwicklung
im Widerstand des Bimetallfühlers einerseits und im Hilfsheizwiderstand andererseits
einstellbar ist; die Wärmeübergangszahlen des Hilfsheizwiderstandes und des dem
Bimetallfühler zugeordnetenWiderstandes sind
dabei derart gewählt,
daß ihr Verhältnis -
kleiner als
ist und das Verhältnis von
den Wert von 0,414 nicht unterschreitet.
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Ein Vorteil der Parallelschaltung des Hilfswiderstandes mit dem selbst
einen Hilfsheizwiderstand darstellenden Temperaturfühler besteht darin, daß durch
eine geringfügige Verschiebung des Abgreifers größere Stromschwankungen des Stellgliedes
kompensiert werden können. Da der Temperaturfühler selbst Wärme gleichzeitig mit
dem Hilfsheizwiderstand entwickelt, braucht der letztere nur eine geringere Wärmemenge
aufzunehmen, um auf den bereits erwärmten Temperaturfühler einwirken zu können.
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Es sei bemerkt, daß der Erfindungsgegenstand nicht auf Raumheizungen
und elektrisch beheizte Anlagen beschränkt ist. Weitere Merkmale des Erfindungsgegenstandes
finden sich in den weiteren Ansprüchen. Zum besseren Verständnis des Erfindungsgegenstandes
seien nun die Figuren näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein Schaltschema der Hilfsheizung für den Temperaturfühler;
Fig. 2 ist ein Schaltschema eines Teils der Schaltung nach Fig. 1;
Fig.
3 ist ein Diagramin zur besseren Klarstellung der der Erfindung zugrunde
liegenden Prinzipien; Fig. 4 ist ein Diagramm, das die gewünschte Beziehung zwischen
den zu verwendenden Widerstandswerten und den Wärineübergangszahlen zeigt; Fig.
5 ist eine auseinandergezogene bildliche Darstellung eines Thermostaten mit
einer Schaltung gemäß der Erfindung; Fig. 6 ist ein.,Aufriß im Schnitt des
Reglers nach Fig. 5;
Fig. 7 zeigt Einzelheiten der Konstruktion des
Vorwärmers gemäß der Erfindung; Fig. 8 ist ein Schnitt längs der Linie
8-8 in Fig. 7;
Fig. 9 ist eine Ansicht der Heizung in Verbindung
mit dem Bimetallelement; Fig. 10 ist eine Ansicht im Schnitt von der Heizung
längs der Linien 10-10 in Fig. 9;
Fig. 11 ist ein Aufriß im
Schnitt eines Skalenscheibengehäuses: Fig. 12 ist eine Vorderansicht des Skalenscheibengebäuses.
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Eine Regelschaltung eines Thermostaten ist in Fig. 1
dargestellt.
Sie enthält gewöhnlich einen Abwärtstransformator 10, dessen Sekundärwicklung
eine feste, niedrige Spannung, z. B. 24 Volt, einer Schaltung zuführt, die eine
Magnetspule 12 und einen Thermostaten 14 zur Regelung der Ab- und Anschaltzeiten
beim Betrieb eines Ofens oder einer anderen Heizanlage enthält. Der Thermostat 14
umfaßt ein auf einer Trägerwelle 18 angebrachtes Bimetallelement
16,
das an seinem freien Ende einen Schaltkontakt 20 trägt. Der Schaltkontakt
bewegt sich bei der Dehnung -und Schrumpfung des Bimetallstreifens 16 und
wirkt mit dem festen Kontakt 22 zusammen, um einen Stromkreis zu schließen und zu
öffnen. Das Bimetall ist so gestaltet, daß die Kontakte 20 und 22 bei einem Temperaturanstieg
sich öffnen und umgekehrt. In dem Thermostaten 14 befindet sich eine Widerstandswicklung
24 als Hilfsheizung, deren festes Ende 26 mit dem Schaltkontakt 20 über eine
biegsame Metallverbindung 28 verbunden ist, während deren zweites, frei bleibendes,
festes Ende 30 nirgends angeschlossen ist. Ein verstellbarer Kontakthebel
32 der Widerstandswicklung 24 kann zwischen den durch gestrichelte Linien
angegebenen Stellungen 34 und 36
hin- und hergeschoben werden. Der feste Anschluß
38
befindet sich etwa in der Mitte des Widerstands 24, teilt ihn in zwei Teile
R und R, und kann direkt mit dem Ende des Bimetallstreifens 16 in der Nähe
der Trägerwelle 18 verbunden sein. Der Widerstand 40, der vorzugsweise in
der Ausführungsform der Erfindung für einen weiter unten erklärten Zweck vorhanden
ist, ist nicht wesentlich.
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Es ergibt sich also ein erster Stromzweig von dem Kontakt 20 durch
die Leitung 28, die Klemme 26 über den Widerstand R zum Kontakthebel
32 und ein zweiter hierzu paralleler Zweig vom Kontakt 20 durch die Bimetallspirale
16, den Widerstand 40 und die feste KJemme 38 zum Kontakthebel
32.
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Die innere Impedanz der verschiedenen Arten von Spulenkörpern 12,
die gewöhnlich bei Öfen benutzt werden, kann sich nach Herkunft und Art der Spulenkörper
ändern, so daß der durch den Thermostaten gehende Strom ein wenig mehr als
1 Amp. oder nur 0,3 oder 0,4 Amp. betragen kann. Es ist schwierig,
aus den bekannten Hilfsheizungen die gewünschte Wärmemenge bei allen üblichen Stromwerten
zu erhalten. Daher ist gemäß einem Teilmerkmal der Erfindung parallel zur Hilfsheizung
R ein Stromzweig durch das Bimetallelement 16 geführt, dessen innerer Widerstand
zwar nur ein Bruchteil eines Ohms ist, aber etwas Wärme in seinem Innern erzeugt
und dadurch eine Wärmewirkung zusätzlich zu der vom Widerstand 24 der Hilfsheizung
stammenden liefert.
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Die Hilfsheizung ist für einen gegebenen Strom am größten, wenn der
Kontakthebel 32 in die äußerste Stellung, die durch die gestrichelten Linien
36 dargestellt ist, geschoben ist. In diesem Fall berührt der Kontakthebel
32 den Widerstand 24 nahe an seinem Ende 30, und es ist die Größe
des Stroms natürlich in erster Linie durch die Impedanz des Spulenkörpers 12 bestimmt.
Der ganze Strom fließt im Thermostaten von dem Kontakthebel 32 in den Teil
R, des Widerstands. Am Punkt 38 teilt sich dann der Strom in zwei parallele
Zweige, nämlich in den einen durch das Bimetall 16 und den möglicherweise
verwendeten Widerstand 40 und in den anderen durch den Widerstand R und die Verbindung
28.
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Die Teilung des Stroms erfolgt im umgekehrten Verhältnis zu dem Widerstand
in den parallelen Zweigen. Falls der Gleitschuh 32 vom Ende 30 zur
Klemme 38
verschoben wird, nimmt die von der Hilfsheizung gelieferte Wärme
in diesem speziellen Beispiel ab, bei dem derselbe Spulenkörper 12 verwendet wird.
Dies geschieht, weil der Gesamtwiderstand der Hilfsheizung vermindert wird, während
der Gesamtstrom in der Schaltung im wesentlichen konstant bleibt. Um dieselbe Wärmewirkung
in der Lage des Kontakthebels 32
an der Klemme 38 wie am Ende
30 zu erzielen, wäre ein Spulenkörper mit einer größeren Stromaufnahme erforderlich.
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Wenn sich der Kontakthebel 32 an der Klemme 38
befindet
und ein vorgegebener Strom durch den Thermostaten fließt, sollte die Hilfsheizwirkung
auf den Bimetallstreifen 16 abnehmen, wenn der Kontakthebel
in
Richtung auf die KJemme 26 zu verschoben wird. Falls man -einen Spulenkörper
mit einer größeren Stromaufnahme benutzt, sollte es möglich sein, einen Eich- oder
Bezugswert der Hilfsheizwirkung durch eine Verschiebung des Kontakthebels
32 in mehrere Lagen zwischen den Klemmen 38 und 26 zu erhalten.
In all diesen Fällen sollte bei einer Verschiebung des Kontakthebels 32 auf
das Ende 30 zu die Wärmemenge zur Hilfsheizung zu- und in der entgegengesetzten
Richtung abnehmen. Wenn sich der Kontakthebel 32 am Punkt 38 befindet,
ein vorgegebener Strom durch die Schaltung des Thermostaten fließt, der Widerstand
40 nicht benutzt oder gewisse Grenzbedingungen nicht eingehalten werden, nimmt jedoch
die Wirkung der Hilfsheizung zu, wenn der Kontakthebel 32 dann vom Punkt
38 in Richtung auf die Klemme 26 zu verschoben wird, erreicht ein
Maximum und nimmt danach ab, wenn der Kontakthebel auf die Klemme 26 zu weitergleitet,
anstatt durchgehend abzunehmen. Diese Charakteristik ist nicht erwünscht, da sie
eine günstige Kalibrierung der Lage des Kontakthebels 32 nach den Stromwerten
für eine gegebene Hilfsheizwirkung ausschließt, weil sich bei einer Verschiebung
des Kontakthebels 32 in jeder Richtung vom Punkt 38 weg eine Steigerung
der Hilfsheizwirkung ergibt.
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Um zu zeigen, wie die für eine Abnahme der Hilfsheizung notwendigen
Bedingungen erhalten werden, wenn der Kontakthebel 32 vom Punkt
38 auf die Klemme 26 zu verschoben wird, und um dadurch die unerwünschte,
zuvor erwähnte Charakteristik auszuschließen, werden in der folgenden Erörterung
der Widerstand 40 übersehen und der Widerstand RB des Bimetalls 16 und nur
der in Fig. 2 wiedergegebene Rest der Thermostatenschaltung betrachtet. Gemäß Fig.
2 ist die gewünschte Wirkung bei einer Verschiebung des Kontakthebels
32 vom Punkt 38 auf die Klemme 26 zu derart, daß eine Abnahme
der Erwärmung des Bimetallelements 16 durch die Hilfsheizung erhalten wird.
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In einem Thermostaten mit Hilfsheizung kann man die Heizwirkung auf
den Fühler in Graden, die von jedem Teil der Hilfsheizung aufgebracht wird, dadurch
auffinden, daß die in jedem Widerstandsteil erzeugte Wärmemenge (die gleich dem
Quadrat des durch den Widerstand fließenden Stroms mal dem Widerstand ist) mit der
Wärmeübergangskonstante zwischen dem betreffenden Teil des Widerstandes und dem
temperaturempfindlichen Bimetallelement multipliziert wird.
Die Gleichung 4 ergibt die gesamte Wärmemenge der Hilfsheizung in den Verhältniszahlen
X, Y und Z an. Die Verhältniszahl X ist darin durch die Lage des Kontakthebels
32 am Widerstand R gegeben. Im allgemeinen hat die Kurve für diese Wärmemenge
A als Funktion der Lage des Kontaktliebels 32 am Widerstand R die
allgemeine, in Fig. 3 gezeigte Form. Dies kann man an Hand der Schaltung
in Fig. 2 folgendermaßen erklären. Wenn bei einem konstanten Strom der Kontakthebel
32 vom Punkt 38, wo X = 0 gilt, in Richtung auf
die Klemme 26 zu, wo X= 1 ist, verschoben wird, nimmt
der Strom in dem Zweig vom Kontakthebel 32 zum festen Punkt 38 über
den Bimetallstreifen 16 ab, während der Strom durch den Diese Wärmeübergangskonstante
wird mit den Ausdrücken KR und K.R-B für den Widerstand R und den Widerstand
des Bimetallstreifens 16 bezeichnet. Die Wärmeübergangskonstante Kder verschiedenen
Wärme abstrahlenden Widerstandsteile kann dadurch herausgefunden werden, daß die
Verbiegung des Bimetallstreifens 16 durch jedes Wärme liefernde Teil einzeln
festgelegt wird, wenn es eine bestimmte Strommenge führt, da ja der innere Widerstand
jedes Teils eindeutig meßbar ist.
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Die Summe der Wirkungen eines jeden Wärme abgebenden Teils ist die
gesamte Wärmemenge A der Hilfsheizung. Wenn sich der Kontakthebel
32 am Punkt 38 befindet, rührt diese Wärmemenole von der kombinierten
Wirkung des durch das Bimetall 16
fließenden Stroms und des durch den Widerstand
R fließenden Stroms her, während bei einer Verschiebung des Kontakthebels
32 vom Punkt 38 nach der Klemme 26 hin diese Wärmemenge durch
den in den folgenden Teilen, nämlich den Widerstand R, das Bimetall 16
und
den Widerstand R, fließenden Strom zustande kommt. Im Hinblick auf die Fig. 2 kann
diese Wärmemenge mathematisch so ausgedrückt werden: A = R2R 12
R, KR, (1)
2KR +12 RBKR-B + 1
worin RB der Widerstand
des Bimetallstreifens 16,
R, + R2 = R der Widerstand der Hilfsheizung
zwischen den Klemmen 38 und 26, KRB die Wärmeübergangskonstante des
Bimetalls, KR die Wärmeübergangskonstante des Hilfsheizwiderstands R und
I, + 12 = I der gesamte Strom durch den Regler ist. Wenn
sind, und da ja
und
sind, dann ist Gleichung: Zweig vom Kontakthebel 32 zur festen Klemme
26
ansteigt. Dies rührt von der Änderung des Widerstandsverhältnisses zwischen
denparallelen Zweigen her.
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Wenn sich der Kontakthebel 32 am Punkt 38 befindet,
ist es wünschenswert, daß die Abnahme der Hilfsheizwirkung auf den Bimetallstreifen
16, die dem über den inneren Widerstand RI3 des Bimetalls und den Widerstand
R, fließenden geringeren Strom zuzuschreiben ist, größer ist als die Zunahme der
Hilfsheizwirkung auf den Bimetallstreifen 16, die sich aus dem stärkeren Strom im
Widerstand R, ergibt.
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Das Problem liegt darin, daß die Bedingung festgestellt werden muß,
bei der die Kurve der Fig. 3 kein Maximum (oder keinen Punkt mit waagerechter
Tangente)
für positive Werte von X zwischen 0 und 1
aufweist. Die Ableitung
der Gleichung 4, die nach den üblichen Rechenverfahren bestimmt und in Gleichung
5
gegeben ist, gibt den Wert X an, für den die Wärmemenge
A der Hilfsheizung ein Maximum besitzt. Nach Einsetzen von X ..
in Gleichung 5 ergibt sich der Maximalwert für die Wännemenge A der
Hilfsheizung zu:
Die Gleichung 6 ergibt den Wert Xn, bei dem das Maximum der Wärmemenge
A der Hilfsheizung vorhanden ist. Wenn X. gleich 0 oder
1 ist, ist kein Maximum der Wärmemeng-.A in dem physikalisch interessierenden
Bereich für X vorhanden. Deshalb legt der Fall Xm = 0 eine Beziehung zwischen
Z und Y
fest, die eine Trennhiiie zwischen den Fällen ist, in denen ein Maximum
für positive oder negative Werte von Xm erscheint. Wenn also der Zähler der Gleichung
6 gleich 0 ist, wenn X. = 0 ist, ergibt sich
Die Lösung der Gleichung 7 ist nur für positive Werte von Z und Y von Interesse.
Fig. 4 zeigt die Grenze zwischen Z und Y, die durch die Gleichung 7
ausgedrückt
wird. Für einen Wert Y > Vi- - 1 kann man zeigen, daß
der Wert Xm nach Gleichung 6, wenn der Wert Z unter der Kurve liegt, negativ
oder größer als 1 ist, wenn
ist. Wenn Z über der Kurve liegt, ist der Wert X.
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positiv und befindet sich in dem unerwünschten Bereich zwischen
0 und 1. Daher entsprechen Wertepaare Z und Y, die unter der Kurve
der Fig. 4 hegen, der gewünschten Charakteristi,# ohne. Maximum oder ohne einen
Punkt mit einer horizontalen Tangente in der Kurve der Fig. 3 für positive
Werte von X.
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Es sei also festgestellt, daß die physikalisch erhältlichen Verhältniszahlen,
die gleich oder kleiner als die sind, die die Gleichung 7 erfüllen, die gewünschte
Abnahme der Wärinemenge der Hilfsheizung ermöglichen, wenn der Kontakthebel
32 vom Punkt 38
auf die Klemme 26 zu verschoben wird. Die Kurve
der Fig. 4 stellt einen Linienzug kritischer Werte in dem Diagramm dar. Ordinaten-
und Abszissenwerte, deren Linien sich unter der Kurve schneiden, ergeben den erwünschten
Betrieb.
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Es leuchtet bei der Betrachtung der Kurve in Fig. 4 ein, daß zur Vermeidung
irgendwelcher Änderungen von Z und Y infolge der Herstellungstoleranzen und anderer
Ursachen Y bzw. das Verhältnis von R zu RB
wenigstens 0,6 und vorzugsweise
1 oder noch höher und Z geringer als der für einen vorgegebenen Y-Wert in
der Kurve der Fig. 4 gefundene Wert sein sollte.
Bei der Ausführung von Thermostaten mit thremischer Rückführung, die die Schaltung
nach Fig. 1
und insbesondere den Teil der Schaltung nach Fig. 2 benutzen,
hat man gefunden, daß das Verhältnis verwendet wird, zu groß ist, um die in der
zuvor
wenn der gewünschte Wert des Widerstands R erwähnten Gleichung gegebenen Forderungen
zu erfüllen. Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, daß der Widerstand des Bimetallstreifens
gewöhnlich sehr niedrig ist. Diesen Zustand kann man durch Einfügen des Widerstandes
40 (s. Fig. 1) in passender Größe günstiger gestalten. Der Widerstand wird
auf der Oberfläche des Bimetallstreifens 16 derart festgeklemmt oder angefügt,
daß er eine hohe Wärmeäbergangskonstante K aufweist.
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Der Widerstand 40 kann an die Stelle des den Bimetallstreifen
16 enthaltenden Zweigs treten; hierbei wird dann eine biegsame Leitung benutzt,
um das Ende des Widerstands 40 an den Schaltkontakt 20 anzuschließen und den Bimetallstreifen
zu umgehen.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Widerstand
40 jedoch mit dem Bimetallstreifen 16 in Reihe, wie in Fig. 1 gezeigt
ist. Der Widerstand 40 ist fest an der Oberfläche des Bimetallstreifens
16 befestigt, die Wärmeübergangszahl KR-B wird durch die gesamte Wärmewirkung
des Stroms, der durch den Widerstand 40 und den Bimetallstreifen 16 fließt,
bestimmt.
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In dem dargestellten Beispiel der Erfindung wurden folgende Widerstände
benutzt: R = 0,5 Ohm, R, = 0,46 Ohm, Widerstand
40 =
0,42 Ohm, innerer Widerstand des Bimetallstreifens = 0,08 Ohm.
Zu Zwecken der Berechnung war RB = 0,42 + 0,08 = 0,5 Ohni, und KR-B war die
kombinierte, äquivalente Wärmeübergangszahl des Bimetallstreifens und des Widerstands
40. In der praktischen Ausführungsform wurden KR-B = 131 und KR
= 60
bestimmt.
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Diese Verhältniszahlen fallen gut in den gewünschten Bereich, der
durch die Kurve in Fig. 4 angegeben ist, und befinden sich unterhalb dieser Kurve,
wo eine relativ große, erwünschte Fläche vorhanden ist, so daß sogar bei kleineren
Abweichungen der Widerstandswerte und Wärmeübergangszahlen, die bei der Massenherstellung
stets vorkommen, der Thermostat zuverlässig den gewünschten Arbeitsvorgang durchführen
kann.
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Da der Abschnitt R, des Widerstands 24 zwischen den Punkten
30 und 38 keine Wirkung auf die die Kurve der Fig. 4 bestimmenden
Faktoren hat, ist es wünschenswert, auch diesen Teil in die Hilfsheizung aufzunehmen,
zumal dieser Widerstand die erhaltbare Hilfsheizwirkung steigern kann. Wenn nur
sehr kleine Wärmemengen der Hilfsheizung gewünscht sein sollten, könnte der Widerstand
24 zur Hilfsheizung
weit von dem Fühler des Thermostaten entfernt
liegen, so daß Kn entsprechend sehr klein sein würde. So würde das Verhältnis
in den meisten Fällen unter der Kurve der Fig. 4 liegen. In dem Fall jedoch würde
die durch den Widerstand R, hinzugefügte Wärmemenge, wenn also der Kontakthebel
32
in den Abschnitt zwischen den Punkten 38 und 30 verschoben
wird, sehr klein und vom praktischen Standpunkt unzureichend sein, um eine geregelte,
veränderliche Wirkung der Hilfsheizung zu erzielen.
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In den Fig. 5 bis 12 ist eine Ausführungsform des Thermostaten
mit der Hilfsheizschaltung, die oben beschrieben ist, zu sehen. Wie am besten in
den Fig. 5
und 6 zu erkennen ist, weist der Thermostat eine im allgemeinen
flache, kreisförmige Halteplatte 50 aus einem nichtleitenden, formbaren Kunststoff,
zwei Bolzen 52 und 54 Lind einen Teil 56 des Schaltkontaktes auf,
die aus einem Stück mit der Platte 50
hergestellt sind und aus deren Außenfläche
58 senkrecht herausragen. Die Halteplatte 50 kann senkrecht auf einer
geeigneten Unterlage, die nicht dargestellt ist, angebracht werden, Lind diese wird
an einer Wand eines Raumes befestigt, dessen Temperatur geregelt werden soll. Der
Bolzen 54 und der Teil 56 sind mit einer Durchbohrung zur Aufnahme von Hohlnieten
60 und 62 ausgestattet, die nach dem Anbringen durch die Unterseite
64 der Halteplatte 50 hindurchragen und diese festklemmen.
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Wie in Fig. 6 zu sehen ist, weist die Unterseite 64 der Platte
50 einen in der Mitte gelegenen Vorsprung 66 auf, der zur Aufnahme
des Gewindes einer Schraube 68 mit einer Öffnung versehen ist. Ein zweiter
Vorsprung 70 liegt nahe am Rand der Halteplatte 50 zur Halterung des
einseitig gelagerten Zapfens 18. Die obere Fläche 58 der Platte
50 ist an der dem Vorsprung 70 gegenüberliegenden Stelle vorzugs,weise
mit einer Vertiefung versehen oder abgedreht, um eine passende Lagerfläche
72 herzustellen. In der dargestellten Ausführungsform enthält die einseitige
Lagerung des Zapfens 18 ein Zwischenstück 74, das eine vergrößerte, ringförmige
Schulter 76
hat, die mit der Lagerfläche 72 zusammenwirkt. Ein Ende
des Zwischenstücks 74 ist mit einem Gewinde 78
versehen und wird von einer
Unterlegscheibe und einer Gegeni-nutter 80 in der richtigen Lage gehalten.
Das Zwischenstück des Zapfens enthält einen runden Stift 82 von geringerem
Durchmesser, der von der Schulter 76 nach oben ragt und gut in die Innenbohrung
in dem Zapfen 18 hineinpaßt. Der Zapfen 18 ist also auf dem Zwischenstück
einseitig gelagert und kann Drehbewegungen ausführen.
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Die Lagerbüchse 84 kann mit dem Zapfen 18 aus einem Stück bestehen
oder andersartig mit diesem fest verbunden sein. Wie in Fig. 5 zu sehen ist,
ist sie mit einem Ausleger 86 ausgestattet. der an seinem äußeren Ende eine
verstellbare Schraube 88 trägt, deren Ende als Leitstift auf einer Führungsscheibe
90
liegt. Die Führungsscheibe 90 wird von einem Steuerhebel
92 des Thermostaten getragen, der einerseits für Schwenkbewegungen
um die Schraube 68 herum schwenkbar gelagert ist. Eine Schraubenfeder
170 ist vorgesehen, um die Schraube 88 gegen die Führungsscheibe
90 zu drücken.
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Der Temperaturfühler 16 ist eine Bimetallspirale, deren Ende
94 radial zur Spirale nach innen ragt und an dem Zapfen 18 festgemacht ist.
Das freie Ende der Birnetallspirale 16 trägt den Schaltkontakt 20, der gegen
die verstellbare Schraube 22 anstoßen kann, diese bildet den festen Teil des Schaltkontaktes.
In der Nähe des festen Teils 22 befindet sich ein Permanentmagnet 96, durch
den eine Schnappwirkung zwischen den Kontaktstellen 20 und 22 und ein beträchtlicher
Ansprechbereich im Betrieb erzielt werden kann.
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Der bewegliche Kontakt 20 weist an der Rückseite ein Blech
100 aus einem magnetischen Stoff auf, das einen Kontaktkörper 102 auf einem
biegsamen Metallstreifen 104 trägt. Der Metallstreifen 104 ist am Blech
100, z. B. durch Niete 106 und 108, befestigt. Das Blech
100 ist am freien Ende der Bimetallspirale 16
in der Nähe des Niets
108 örtlich verschweißt. Die Bewegung des Steuerhebels 92 und der
Führungsscheibe 90 verändert mit Hilfe des Leitstifts 88 die Lage
des Zapfens 18 und des Auslegers 86, um auf diese Weise den Temperatursollwert
einzustellen, bei dem sich die Kontakte 20 und 22 öffnen oder schließen.
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Auf dem äußeren Ende des Bolzens 54 und des Teils 56 des Schaltkontaktes
wird eine ebene Platte 110
angebracht, die deutlich in Fig. 7 wiedergegeben
ist. Die Platte 110 hat an zwei entgegengesetzten Enden je eine Öffnung
112 zur Aufnahme der Hohlniete 60
und 62 (Fig. 5), wobei der
Hohlniet 60 auf dem Bolzen 54 in gut leitender Verbindung mit der Platte
110 steht. Diese enthält einen Schlitz 114, der bogenförmig um die Achse
eines Niets 116 herum angeordnet ist. Es sind auch für die Aufnahme der Niete
122 und 124 geeignete Öffnungen in der Platte 110
vorgesehen, die die Hilfsheizanordnung
126 tragen. Die Heizanordnung 126 enthält ein Blättchen
128 aus einem Isolationsstoff, das eine bestimmte Form hat, den Widerstandsdraht
24 und die Klemme 26. Wie am besten in Fig. 8 zu sehen ist, ist das
Blättchen 128 aus einem Isolationsstoff in einem Abstand von etwa 1,5 mm
parallel zur benachbarten Platte 110 mit Hilfe einer Unterlegscheibe 134
aus Isolationsmaterial am Niet 122 angebracht. Eine ähnliche Unterlegscheibe befindet
sich am Niet 124. Das Blättchen 128 aus Isolationsstoff hat einen langgestreckten
Endabschnitt 138, der eine Kerbe 140 aufweist. Die Endabschnitte werden durch
einen zusammenlaufenden Mittelabschnitt verbunden, der die Widerstandswicklung 24
trägt. Eine Öffnung 137 in der Platte 110
nahe an der Klemme
26 nimmt eine Verbindung 28
auf, die, von dem Niet 108 am freien
Ende des Bimetallstreifens 16 kommend, nach dem endgültigen Aufbau an der
Klemme 26 angelötet wird.
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Der Widerstandsdraht 24 in der dargestellten Ausführungsform ist mit
Email überzogen (0,28 mm dick) und läuft von der Anschlußklemme
26 zwischen dem Endabschnitt 136 und der Platte 110 her zur
schmalsten Stelle des zusammenlaufenden Mittelabschnitts. Dannist der Draht in einer
einzigen Lage bis zur breitesten Stelle des zusammenlaufenden Mittelabschnitts aufgewickelt.
Das freie Ende 30 des Widerstandsdrahts 24 endet ohne elektrischen Anschluß
an anderen Schaltelementen, ist nach der dargestellten Ausführungsform in die Kerbe
140 hineingeführt und um den Isolationsstoff des Blättchens 128 festgemacht.
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Die Anzapfung 38 ist an der Wicklung des Widerstandsdrahtes
24 zwischen den Enden auf ungefähr einem Drittel der Gesamtlänge des zusammenlaufenden
Mittelabschnitts, von dem breitesten Teil aus gerechnet, starr befestigt und elektrisch
angeschlossen. Der Gesamtwiderstand bis zu jedem Ende des Widerstandsdrahts 24 auf
dem zusammenlaufenden Mittelabschnitt, von der festen Anzapfung 38 aus
gerechnet,
beträgt, wie oben festgestellt, 0,4 bis 0,5 Ohm und ist ungefähr gleich auf
beiden Seiten, da die Drahtlänge und daher der Widerstand jeder Wicklung am breiteren
Teil des zusammenlaufenden Mittelabschnitts größer als am schmaleren Teil ist.
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Die Anzapfung 38 wird vorzugsweise durch eine Schleife des
Widerstandsdrahtes 24 gebildet, die in der in Fig. 7 gezeigten Weise zusammengedreht
wird, um die Anzapfung zu versteifen und eine Öse 142 zur Aufnahme des Endes
156 des Widerstands 40 herzustellen, das in Fig. 9 gezeigt ist. Eine
Hülse aus einem Isolationsstoff, die nicht dargestellt ist, wird auf die Anzapfung
38 gestülpt und liegt zwischen der Öse 142 und der angezapften Wicklung,
um jeglichen elektrischen Kontakt zwischen der Anzapfung 38 und der Metallplatte
110 zu vermeiden.
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Auf der der Hilfsheizanordnung 126 gegenüberliegenden Seite
der Platte 110 ist ein um den Niet 116
drehbarer Einstellhebel 146
angebracht, dessen einer Arm 32 gebogen ist, so daß er durch den Schlitz
114 hindurchgeht, den Widerstandsdraht berührt und auf ihm entlanggleitet, während
der andere Arm 147 sich in Richtung auf den Außenrand der Platte 110
hin erstreckt.
Eine Zeigermarke 148 ist am äußersten Ende des Arms 147 vorgesehen, die sich mit
entsprechenden Marken auf der Platte 110 decken kann. In der dargestellten
Ausführungsform sind diese Marken, die auf der abgewendeten Seite der in Fig.
7
gezeigten Platte 110 liegen, in Amperewerten des durch den in dem
Thermostaten fließenden Strom geeicht, um dieselbe Wärmemenge der Hilfsheizung für
jeden Stromwert zu erzielen. Der verstellbare Hebelarm 32
steht über den Niet
116 mit der Platte 110 in leitender Verbindung, die ihrerseits über
den Hohlniet 60
durch den Bolzen 54 hindurch an die Klemme 150
elektrisch
angeschlossen ist. Die Klemme 150 ragt unter der Halteplatte 5,0 hervor,
wie in Fig. 6 zu sehen ist.
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Die Widerstandswickluna 24 wird zwischen ihrem freien Ende
30 und der festen Anzapfung 38 schmaler, damit der Widerstand der
Hilfsheizung ungefähr exponentiell mit der Verschiebung des Kontakthebels
32 abnimmt. Wenn also der Kontakthebel in Richtung auf den Punkt
38 zu verschoben wird, nimmt der Gesamtwiderstand ab und verursacht dadurch
eine leichte Stromzunahme. Da ja die erzeugte Wärme dem Quadrat des Stroms und dem
Widerstand proportional ist, der die Heizung 24 bildet, bringen dessen nichtlineare
(im wesentlichen exponentielle) Widerstandsänderungen bei Verschiebung des Kontakthebels
32 annähernd lineare Ab-
stände zwischen den kahbrierten Marken auf
der Skala der Platte 110 mit sich. Die Verjüngung der Widerstandswicklung
24 zwischen dem festen Punkt 38
und dem Anschluß 26 bewirkt die erwünschte
Verringerung des Markenabstandes in der Gegend, in der der Kontakthebel
32 bei einer Verschiebung auf den Anschluß 26 zu am Punkt
38 vorbeigleitet, wie in Fig. 7 zu sehen ist. Der Grund hierfür liegt
darin, daß die Widerstandswerte R und RB der Fig. 2 annähernd gleich sind
und eine leichte Verschiebung des Kontakthebels 32 auf die Klemme
26 zu die relativen Stromwerte I und I, bei dieser Stellung nicht so stark
verändert wie eine ähnliche Verschiebung des Kontakthebels 32 in größerer
Nähe der Klemmen 26.
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Wie man aus Fig. 6 erkennen kann, ist der Hilfsheizwiderstand
24 oberhalb des Fühlers 16 angebracht, so daß die in der Widerstandswicklung
24 erzeugte Wärme auf die Bimetallspirale 16 strahlte. Der Hilfsheizwiderstand
24 hat eine Wärmeübergangszahl KR, die zum großen Teil vom Abstand zwischen ihm
und dem Außenrand 17 des Bimetallelements 16 abhängt. Die Heizwirkung
auf den Bimetallstreifen kommt allein durch die Strahlung zustande, wenn der Wicklung
24 Strom zugeführt wird. Es ist zwischen dem oberen Ende des Zapfens 18 und
der Platte 110 keine elektrische Verbindung vorhanden, und es hat auch jeder
Teil eine andere elektrische Spannung.
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Der eine Stromzweig durch den Thermostaten von dem beweglichen Kontakt
20 her führt über den Niet 108, die biegsame Leitung 28 zur Klemme
26
der Vorheizwicklung 24 und zum Kontakthebel 32,
der mit der Platte
110 verbunden ist. Der andere parallele Zweig fährt von dem Kontakt
20 durch die Bimetallspirale 16 zu deren Ende 94, das mit dem Zapfen
18 verbunden ist, und von der Leitung 156
zur Öse 142 an der Anzapfung
38, die in Fig. 7
dargestellt ist.
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Der Widerstand 40, der die in Verbindung mit Fig. 4 erklärte, gewünschte
Betriebsweise ermöglicht, ist an der Innenfläche der Bimetallspirale 16 befestigt,
wie in Fig. 6 ersichtlich ist, und weist infolgedessen eine größere Wärmeübergangszahl
KR-B als die Heizwicklung 24 auf. In den Fig. 9 und 10 ist der Widerstand
40 so gezeigt, wie er wirklich konstruiert sein kann. Er enthält eine einzige Wicklung
des Widerstandsdrahts 153, dessen kurzes Ende 154 und dessen längeres Ende
156 zwischen zwei Blättchen 158
und 160 aus Isolationsstoff
liegen. Das Blättchen 158
ist ein relativ festes Papier mit zwei vorragenden
Ecken 162, die auf die gegenüberliegenden Seiten des Bimetallstreifens
16 passen, während das Blättchen 160
ein biegsameres Material ist,
z. B. ein durchsichtiger oder ein Deckstreifen mit einer zum Blättchen
158
gekehrten Haftseite. Um die beiden Teile der Wicklung in einem gewissen
Abstand voneinander zu halten, sind im Blättchen 158 passende Furchen vorgesehen.
Ein Haftmittel wird auf die Fläche 166 gebracht und auf der Innenfläche der
inneren Bimetallspirale 16
als zweites Widerstandselement angeordnet, wie
in Fig. 6 zu sehen ist. Das kurze Ende 154 wird z. B. durch Löten am Abschnitt
94 des Bimetallstreifens angeschlossen, während das längere Ende 156 an der
Öse 142 am Punkt 38 befestigt wird, der am besten in Fig. 7 zu sehen
ist.
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Beim Zusammenbau werden die Bimetallspirale 16
und die Lagerbüchse
84 an dem Zapfen 18 befestigt. Dann wird der Zapfen auf dem Zwischenstück
74 der Lagerung in die richtige Lage gebracht. Die Schraubenfeder 170 wird
auf das obere Ende des Zapfens 18 gesetzt. Ihr unteres, freies Ende
172
berührt den Abschnitt 94 der Bimetallspirale 16, wie in Fig.
6 erkennbar ist. Ihr oberes Ende kann in die Öffnung 174 in dem Isolationsblättchen
128 eingreifen, wie in Fig. 7 zu sehen ist. Alle in Fig.
7 dargestellten Einzelteile werden vorzugsweise zuerst zusammengebaut. Die
entstandene Baugruppe wird auf dem Bolzen 54 und dem Teil 56 der Halteplatte
50
angebracht. Hierdurch kommt eine Baugruppe zustande, die alle benötigten
elektrischen Schaltkomponenten enthält.
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Ein Gehäuse 180 für eine Skalenscheibe, das in den Fig.
5, 6, 11 und 12 dargestellt ist, ist im allgemeinen zylindrisch ausgebildet
und enthält eine große Vertiefung in der Mitte auf seiner Außenseite, um eine runde
Skalenscheibe 182 aufnehmen zu können. Eine
Lagerbüchse 184
ist als ein Teil des Gehäuses 180
vorgesehen und trägt ein Bimetallthermometer
186,
das einer Markenreihe auf der einen Seite der Skalenscheibe
182 gegenübersteht und die Umgebungstemperatur im Bereich des Thermostaten
anzeigt. Die Schraube 68 steckt locker in der Lagerbüchse 184 und trägt auf
ihrem unteren Ende einen Zwischenring 190,
den Steuerhebel 92, einen
Federring 192 und eine Mutter 194. Die Mutter 194 ist auf das Ende der Schraube
68 aufgeschraubt und mit einem zylindrischen Teil 196 versehen, der
durch den Zwischenring 190 '
den Federring 192 und den Steuerhebel
92 hindurchläuft, wodurch sich der Steuerhebel 92 um die Achse der
Schraube 68 drehen kann. Eine Scheibe 195 ist auf dem äußeren Ende
der Lagerbüchse 184 befestigt und bedeckt infolgedessen die Bimetallspirale
186.
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Am Steuerhebel 92 ist ein Haltearm 198 befestigt, der
einen Zeiger 200 trägt und zu einer zweiten Markenreihe auf der Seite der Skalenplatte
182 gehört, die der von dem Zeiger 188 des Thermometers verwendeten
gegenüberliegt. Der Haltearm 198 reicht durch eine bogenförmige Öffnung 202
ins Gehäuse 180
hinein, die durch gestrichelte Linien in Fig. 12 angegeben
ist. Der äußere Umfang der Führungsscheibe 90, die aus einem Stück mit dem
Steuerhebel 92 hergestellt ist, ist auch durch gestrichelte Linien in Fig.
12 dargestellt. Die in den Fig. 11 und 12 gezeigten Bauteile werden auf der
Halteplatte 50 in die richtige Lage gebracht und mit einer Mutter 204 festgezogen,
die in Fig. 6 zu sehen ist.