устройство для регулирования температуры

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее охлаждающий радиатор, заполненный охлаждающей жидкостью, последовательно соединенные и помещенные в корпус датчик температуры и блок регулирования, а также вентилятор охлаждения, привод которого соединен с выходом блока регулирования, отличающееся тем, что, с целью повышения точности поддержания температуры охлаждающей жидкости, корпус блока регулирования выполнен теплопроводным, снабжен выступом и размещен в радиаторе таким образом, что выступ введен в контакт с охлаждающей жидкостью, при этом корпус блока регулирования заполнен теплопроводным наполнителем, который, за исключением выступа, отделен от стенок корпуса теплоизоляционным наполнителем, а датчик температуры размещен в выступе корпуса блока регулирования и одним своим торцом закреплен непосредственно на торце выступа, соприкасающемся с охлаждающей жидкостью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам автоматического регулирования температуры и может быть использовано для регулирования температуры охлаждающей среды в замкнутом объеме, в частности охлаждающей жидкости в двигателе внутреннего сгорания автомобиля.

Известны устройства для регулирования температуры, использующие в качестве измерительного датчика термобиметаллический датчик или терморезистор, а в качестве исполнительного устройства - управляемый тиристор, включенный последовательно с нагревательным элементом.

Устройство для регулирования температуры [1] содержит термобиметаллический контактный датчик температуры, два диода, динистор, конденсатор, симистор, во время отрицательной полуволны питающего напряжения конденсатор заряжается до напряжения пробоя динистора и разряжается через управляющий электрод симистора, который подключает нагревательный элемент к источнику питания.

Недостатком известного устройства является низкая надежность за счет контактного датчика температуры, недостаточная точность из-за значительной зоны включения-выключения контактного термобиметаллического датчика температуры, наличие сложного механического регулятора заданной температуры (на схеме не показан), которым регулируется зазор в термобиметаллическом элементе.

Известно устройство регулирования температуры [2], содержащее балансную мостовую схему с датчиком температуры, операционный усилитель с обратной связью, диод, параметрический стабилизатор напряжения, эмиттерный повторитель, полупроводниковый транзисторный нагревательный элемент, мостовой выпрямитель, вторую цепь обратной связи.

Недостатком этого устройства является "дребезг" в точке сравнения выходного сигнала усилителя и всего исполнительного устройства, вызванный наличием отрицательной обратной связи по переменному току.

Общим недостатком рассмотренных устройств является их функционирование в режиме нагрева регулируемой емкости, которая охлаждается естественным образом, от внешней среды. Это не позволяет использовать рассмотренные устройства для стабилизации температуры замкнутого объема (емкость) при наличии в нем внутреннего источника тепла.

Известно устройство для охлаждения силовой установки [3], содержащее блок управления, блок исполнительных механизмов с фазовыми тиристорными регуляторами, два сумматора, два источника опорного напряжения, усилитель, датчики температур окружающей среды и силовой установки, электродвигатель, вентилятор, входной и выходной воздуховоды, дополнительный воздуховод, два трехвходовых клапана, датчик напряжения питания, исполнительный механизм управления клапанами.

Поддержание температуры силовой установки осуществляется путем перераспределения воздуха между входным и выходным воздуховодами с помощью трехвходовых клапанов и дополнительного воздуховода, подключенного к третьим входам обоих клапанов, в зависимости от фактической температуры силовой установки и окружающей среды.

Основным недостатком этого устройства является его значительная сложность и невозможность использования для охлаждения малых объемов, а также значительная зона регулируемых температур, связанная с наличием в контуре регулирования электромеханических клапанов и трубопроводов, недостаточная точность регулирования, связанная с невозможностью установки датчика температуры в такое место силовой установки, которое характеризовало бы интегральную температуру силовой установки.

Наиболее близким техническим решением-прототипом является терморегулятор для охлаждения двигателя внутреннего сгорания ТМ-108 [4], содержащий корпус в виде полого стакана, в котором в воздушном пространстве установлен термобиметаллический выключатель, контакты которого подключены к обмотке реле, включающего вентилятор охлаждения поверхности двигателя. Стакан с терморегулятором ввинчивается в отверстие в рубашке двигателя, а его дно контактирует с охлаждающей двигатель жидкостью.

Недостатками терморегулятора ТМ-108 являются: недостаточная надежность, связанная с наличием механических контактов; низкая надежность сохранения установленной температуры регулирования, связанная с тем, что терморегулятор устанавливается в рубашку двигателя, имеющую значительные вибрации при работе; значительная зона включения и выключения терморегулятора из-за плохого контакта собственно датчика температуры (термобиметаллического элемента) из-за плохого контакта дна стакана с жидкостью и наличия воздушного зазора между датчиком температуры и корпусом (дном стакана) терморегулятора, из-за подгара контактов, приводящего к изменению точек срабатывания и возможному выходу датчика из строя.

Зона регулирования ТМ-108 составляет 2^о, а так как эта зона имеет возможность увеличиваться из-за вибрационной разрегулировки, то надежность работы, т.е. надежность поддержания температуры охлаждающей жидкости в заданном диапазоне, низкая, что приводит к работе двигателя с перегревом, т.е. к его дополнительному износу и преждевременному выходу из строя.

К этим недостаткам следует добавить низкие эксплуатационные качества известного терморегулятора: необходимость постоянной проверки его работоспособности.

Целью изобретения является повышение точности поддержания температуры охлаждающей жидкости.

Цель достигается тем, что устройство для регулирования температуры содержит охлаждаемый радиатор, последовательно соединенные и помещенные в корпус датчик температуры и блок регулирования, а также вентилятор охлаждения, привод которого соединен с выходом блока регулирования, а корпус блока регулирования выполнен теплопроводным, снабжен выступом и размещен в радиаторе таким образом, что выступ введен в контакт с охлаждающей жидкостью. Корпус блока регулирования заполнен теплопроводным наполнителем, который, за исключением выступа, отделен от стенок корпуса теплоизоляционным наполнителем, а датчик температуры размещен в выступе корпуса блока регулирования и одним своим торцом закреплен непосредственно на торце выступа, соприкасающемся с охлаждающей жидкостью.

На фиг.1 показана структурная схема устройства для регулирования температуры; на фиг.2 - пример выполнения схемы блока регулирования.

Устройство для регулирования температуры содержит датчик 1 температуры, выступ 2 корпуса, корпус блока 3 регулирования, теплопроводный наполнитель 4, блок 5 регулирования, охлаждаемый радиатор 6, привод вентилятора 7, вентилятор 8 охлаждения, охлаждающую жидкость 9, изоляционный наполнитель 10.

В состав блока 5 терморегулирования входит измерительный мост 5.1; операционный усилитель 5.2, работающий в режиме компаратора с резистором 5.3 обратной связи; фильтр 5.4, транзисторный усилитель 5.5, диод 5.6.

Датчик 1 температуры представляет собой терморезистор, помещенный внутрь выступа корпуса 2 и одним торцом соединенный с ним непосредственно и через теплопроводный наполнитель.

Корпус блока 3 регулирования предназначен для установки в охлаждаемый радиатор 6, температура в котором должна поддерживаться постоянной, так, что выступ корпуса 2 полностью погружен в этот радиатор, например в охлаждающую жидкость внутри рубашки двигателя внутреннего сгорания.

Датчик 1 температуры электрически соединен с первым входом блока 5 регулирования, предназначенного для преобразования температуры, до которой нагревается выступ корпуса 2, в электрический сигнал на первом выходе. Блок 5 соединен вторым входом с первым входом привода вентилятора 7 и с источником питания, третьим входом - с общей шиной источника питания, а выходом - с вторым входом привода вентилятора 7, в качестве которого может быть использован электродвигатель 7.1, подключаемый к источнику питания контактами коммутатора 7.2.

Блок 5 регулирования может быть выполнен по схеме фиг.2. Измерительный мост 5.1, в одно из плеч которого включен датчик 1 температуры (входы I₁ и I₂), одной диагональю подключен к источнику питания через фильтр 5.4 (входы 2 и 3), вторая (измерительная) диагональ подключена к входам операционного усилителя 5.2, работающего в режиме компаратора, который охвачен положительной обратной связью на резисторе 5.3. Входы питания компаратора 5.2 подключены к шинам источника питания через фильтр 5.4, а его выход соединен с входом транзисторного усилителя 5.5.

Фильтр 5.4 в виде последовательной RC-цепи подключен к источнику питания (вход 2) и общей шине (вход 3) и предназначен для исключения ложных срабатываний компаратора 5.2 и предохраняет его от выхода из строя при бросках напряжения питания.

Транзисторный усилитель 5.5 предназначен для усиления мощности выходного сигнала компаратора 5.2 и образования низкоомного выхода для подключения нагрузки и состоит из резистивного делителя, включенного между выходом компаратора и общей шиной источника питания, средним выводом подключенного к базе транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине, а коллектор - к выходу блока 5 и через диод 5.6 - к шине источника питания.

Диод 5.6 предназначен для защиты транзистора усилителя 5.5 от импульсов отрицательной полярности, возникающих при выключении транзисторта из-за индуктивного тока обмотки реле 7.2.

Для температурной компенсации измерительного моста 5.1 и параметров компаратора 5.2 блок 5 регулирования помещен внутрь корпуса 3, который заполнен теплопроводным наполнителем 4. Так как выступ корпуса 2 находится в жидкости с постоянной температурой (в пределах регулирования), то при всех колебаниях температуры внешней окружающей среды температура элементов блока 5 изменяется в незначительных пределах. Таким образом, температурная погрешность блока 5 значительно уменьшается, что повышает точность регулирования температуры и надежность схемы регулирования.

Установка датчика 1 температуры в непосредственной близости от блока 5 регулирования, заключение их в металлический корпус 3 обеспечивают высокую помехоустойчивость за счет резкого сокращения длины проводов между датчиком 1 и входом компаратора 5.2 и за счет экранирующего действия металлического корпуса блока регулирования, непосредственно соединенного с охлаждаемым радиатором 6.

Устройство для регулирования температуры работает следующим образом. Корпус блока 3 регулирования устанавливается внутрь охлаждаемого радиатора, например внутрь рубашки двигателя внутреннего сгорания, посредством ввинчивания в резьбовое отверстие оболочки до упора, при этом выступ корпуса 2 попадает в охлаждающую жидкость 9.

При нормальных климатических условиях сопротивление датчика 1 температуры велико, напряжение на первом (инверсном) входе компаратора 5.2 больше, чем на втором его входе, и на выходе компаратора 5.2 формируется нулевой уровень, транзистор усилителя 5.5 закрыт, коммутатор 7.2 не включается и электродвигатель 7.1 привода 7 не вращает вентилятор 8.

При нагреве охлаждающей жидкости при работе двигателя автомобиля сопротивление датчика 1 уменьшается и при достижении температуры регулирования, например, 92^оС напряжение на первом входе компаратора 5.2 становится больше напряжения на его втором входе.

Компаратор 5.2 переключится, транзистор усилителя 5.5 откроется, коммутатор 7.2 переключится и подключит электродвигатель 7.1 привода 7 к источнику питания. Электродвигатель 7.1 начнет вращать вентилятор 8, который охлаждает оболочку радиатора 6 с охлаждающей жидкостью 9, которая в свою очередь охлаждается, охлаждая выступ корпуса 2 и находящийся в нем датчик 1 температуры.

После того, как температура охлаждающей жидкости понизится, например, до температуры 87^оС компаратор 5.2 переключится в начальное состояние, транзистор усилителя 5.5 закроется, коммутатор 6 отключится, электродвигатель 7.1 остановится и вентилятор 8 перестанет охлаждать радиатор 6.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: повышенную точность регулирования температуры в широком диапазоне климатических условий эксплуатации за счет термостатирования блока регулирования; повышенную помехоустойчивость за счет сокращения длины проводов, соединяющих датчик температуры с блоком регулирования, размещения датчика температуры и блока регулирования в одном экранирующим корпусе; повышенную надежность за счет термостатирования блока регулирования; меньшую тепловую инерцию за счет выполнения выступа корпуса из теплопроводного материала, непосредственного контакта (прижатия) торца датчика температуры к поверхности выступа корпуса.