РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 2002 года по МПК G05D23/01 

Изобретение относится к устройствам автоматического регулирования температуры и может быть использовано в автомобильной промышленности и двигателестроении для автоматического регулирования температуры охлаждающей среды в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания.

В автомобильных двигателях широко применяются регуляторы температуры прямого действия (термостаты), использующие термочувствительные элементы с твердым или жидким наполнителями [1]. Термочувствительный элемент с твердым наполнителем представляет собой герметичный баллон, заполненный смесью церезина (нефтяного воска) и медного или алюминиевого порошка. Эта смесь герметизируется в баллончике с помощью резиновой мембраны, на которой установлена направляющая втулка, в которой с возможностью продольного перемещения установлен шток, открывающий клапан линии охлаждения (идущей к радиатору). При холодном двигателе клапан полностью закрыт и открыта линия перепуска. При нагреве термочувствительного элемента охлаждающей жидкостью до (80... 85)^oC церезин начинает плавиться, увеличивая свой объем, и через резиновую мембрану толкает шток, который приоткрывает клапан холодильной линии. В результате этого температура охлаждающей жидкости поддерживается на оптимальном уровне (87...92)^oC. В этих регуляторах используется увеличение объема вещества при переходе из твердой фазы в жидкую.

Термочувствительные элементы с жидким заполнителем представляют собой сильфон, заполненный легкокипящей жидкостью (смесь этилового спирта и воды). При нагреве свыше 75^oС жидкость интенсивно испаряется и давление насыщенных паров в сильфоне быстро возрастает и растягивает сильфон, который с помощью штока связан с клапаном холодильной линии, и клапан открывается. Таким образом, фактически такие термочувствительные элементы являются не жидкостными, а газоконденсационными и используют пропорциональную зависимость давления насыщенных паров легкокипящих жидкостей, помещенных в замкнутый объем, от их температуры.

Как видим, и в том, и в другом случае используется термомеханический эффект, возникающий при переходе рабочего вещества при его нагревании из одного агрегатного состояния в другое (в первом случае из твердого в жидкое, во втором - из жидкого в газообразное). Это позволяет получить достаточно высокую чувствительность термочувствительного элемента, необходимую для управления клапаном холодильной линии. При этом линия перепуска остается нерегулируемой (т.е. всегда полностью открытой), что снижает эффективность работы таких регуляторов. Кроме того, в обоих случаях используется сложное рабочее вещество, вследствие чего коэффициенты преобразования соответствующих чувствительных элементов имеют весьма существенный разброс и нестабильность во времени. А это требует индивидуальной регулировки каждого регулятора при их производстве и периодической подстройки при эксплуатации. Кроме того, как показывает практика [2, 3], эти регуляторы весьма ненадежны в эксплуатации. Причем основной причиной отказов является разгерметизация термосистемы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению являются жидкостные регуляторы температуры прямого действия типа РТП. В качестве прототипа принимается регулятор температуры прямого действия, содержащий корпус, имеющий два поперечных отверстия, одно - со стороны холодильной линии, другое - со стороны линии перепуска, клапан холодильной линии, клапан линии перепуска и герметичную термосистему, заполненную рабочей жидкостью, меняющей свой объем при изменении температуры. Шток термосистемы с помощью регулировочной гайки крепится к крышке корпуса [4]. Термочувствительная система этого регулятора состоит из сильфона и дополнительного термобаллона, что позволяет обеспечить необходимую чувствительность, не используя фазовые переходы рабочего вещества. Наличие в конструкции двух клапанов, управляющих и холодильной линией, и линией перепуска, позволяет обеспечить эффективное регулирование при сравнительно небольших перемещениях клапанов. Но это предопределяет сложность конструкции, большие габариты и недостаточную надежность таких регуляторов.

Покажем, что наличие дополнительного термобаллона, объем которого существенно превышает объем сильфона, действительно позволяет повысить чувствительность термосистемы. Действительно, линейное перемещение дна сильфона, а следовательно, и связанного с ним штока, регулирующего положение клапана, будет определяться следующим образом.

Изменение общего объема рабочей жидкости, заполняющей термосистему, будет
ΔV = (V_co+V_б)βΔT,
где V_Co - начальный объем сильфона (до изменения температуры);
β - температурный коэффициент объемного расширения рабочей жидкости;
V_б - объем дополнительного термобаллона;
ΔT - изменение температуры рабочей жидкости.

Поскольку объем дополнительного термобаллона изменяться не может, а изменение объема сильфона происходит за счет изменения его длины (средний диаметр его остается неизменным), то это удлинение будет

где D_C - средний диаметр сильфона.

Определяя относительное удлинение, получим

Отсюда следует, что без дополнительного термобаллона относительная чувствительность термосистемы будет равна

Поскольку коэффициент объемного расширения рабочих жидкостей можно принять равным 10•10^-4 1/град (для различных жидкостей он лежит в пределах (7. ..12)•10^-4 1/град, то получаем относительную чувствительность сильфонных термосистем 10^-3 1/град. Следовательно, чтобы получить абсолютную чувствительность такой термосистемы хотя бы на уровне 0,1 мм/град необходимо увеличивать начальную длину сильфона до 100 мм. Если же использовать термосистему с дополнительным термобаллоном, то начальная длина сильфона может быть выбрана гораздо меньше (причем с ее уменьшением чувствительность будет расти за счет роста отношения, поэтому начальная длина здесь ограничивается снизу только требованием обеспечения предельно возможной деформации сильфона без его разрушения). А чувствительность термосистемы может быть существенно увеличена за счет увеличения отношения. Но, конечно, и этот путь имеет свой предел, поскольку увеличение объема дополнительного термобаллона приводит к увеличению габаритов и удорожанию всего терморегулятора. В частности, терморегулятор прямого действия типа РТП-32Б, рассматриваемый в качестве прототипа, имеет габариты 300 х 130 х 80 мм и массу 3 кг.

Техническими задачами, на решение которых направлено изобретение, являются существенное увеличение чувствительности термосистемы, за счет чего повышается точность регулирования температуры при существенном упрощении конструкции и уменьшении габаритов всего регулятора температуры, и повышение его надежности.

Данные задачи решаются путем использования в качестве термочувствительной системы герметичного полого цилиндра, заполненного рабочей жидкостью, сквозь одну из торцевых стенок которого проходит шток, диаметр которого существенно меньше внутреннего диаметра цилиндра.

Кроме того, клапаны холодильной линии и линии перепуска выполнены в виде цилиндрической гильзы, которая размещена с минимальным зазором в цилиндрической полости корпуса регулятора температуры и жестко скреплена с цилиндром термосистемы. На противоположных боковых стенках гильзы, обращенных к холодильной линии и линии перепуска, выполнены два поперечных сквозных отверстия, высота которых превышает высоту отверстий в стенках корпуса. Гильза установлена с возможностью продольного перемещения и поочередного перекрытия отверстий в корпусе регулятора в зависимости от температуры регулируемой среды, таким образом, что когда одно из отверстий начинает закрываться, другое начинает открываться, а когда одно из них полностью закрыто, другое полностью открыто.

Принцип работы такой термочувствительной системы поясняется чертежом, показанным на фиг.1.

Цилиндр 1 с внутренним диаметром D_B заполнен рабочей жидкостью 2. Через его торцевую стенку проходит шток 3 диаметром d, который может перемещаться при изменении объема жидкости. Герметичность внутренней полости цилиндра обеспечивается сальником 4. Цилиндр помещается в среду с регулируемой температурой. При ее изменении меняется и температура рабочей жидкости, а значит, и ее объем, что приводит к соответствующему перемещению штока 3, воздействующего на клапан терморегулятора. Покажем, что чувствительность такой термосистемы будет в D² _B/d² раз выше, чем у сильфонной термосистемы.

Обозначив длину внутренней полости цилиндра L, а начальное положение штока l₀, получаем:
начальный объем рабочей жидкости (при температуре Т₀)

изменение ее объема при изменении температуры на величину ΔT:

перемещение штока

А для сильфона длиной L, заполненного термочувствительной жидкостью (без дополнительного термобаллона), длина изменится на величину
Δl = βΔTL.
Если пренебречь l₀ по сравнению с L D² _B/d², то мы и получим увеличение чувствительности приблизительно в D² _B/d² раз. Взяв диаметр штока в 10 раз меньше, чем внутренний диаметр цилиндра, получим увеличение чувствительности в 100 раз.

Простота и компактность данной термосистемы позволит существенно упростить конструкцию и уменьшить габариты всего регулятора температуры. А высокая чувствительность такой термосистемы позволит существенно повысить точность регулирования температуры.

На фиг. 2 представлена предлагаемая конструкция регулятора температуры прямого действия. Термосистема, описанная выше, здесь имеет те же обозначения, что на фиг.1, но дополнена пружиной 5. Корпус 1 термосистемы жестко прикреплен к гильзе 6, которая может продольно перемещаться (вместе с термосистемой) в цилиндрической полости корпуса 7 регулятора температуры. Корпус 7 регулятора температуры имеет два боковых патрубка, один из которых соединяется с холодильной линией (радиатором), а другой - с линией перепуска. В нижнее отверстие корпуса 7 регулятора температуры поступает охлаждающая среда от двигателя. В корпусе 7 регулятора температуры в середине боковых патрубков имеются два поперечных сквозных отверстия 8 и 9, которые вместе с соответствующими отверстиями 10 и 11 в боковых стенках гильзы 6 образуют конструктивно объединенные клапаны холодильной линии и линии перепуска. Отверстия 10 и 11 в гильзе 6 расположены таким образом, что при полностью закрытом отверстии линии холодильника отверстие линии перепуска будет полностью открыто. Сверху корпус 7 регулятора температуры закрывается герметичной крышкой 12, к которой с помощью регулировочной гайки 13 крепится шток 3 термосистемы. Пружина 14 обеспечивает фиксацию положения штока относительно крышки 12. Для выравнивания давлений в надгильзовом и подгильзовом пространстве регулятора температуры в верхней (торцевой) стенке гильзы имеются отверстия 15.

Регулятор температуры работает следующим образом. При холодном двигателе с помощью регулировочной гайки 13 положение гильзы 6 устанавливается таким образом, чтобы клапан линии перепуска был полностью открыт. При этом клапан линии холодильника будет полностью закрыт. По мере разогрева двигателя рабочая жидкость 2 в термосистеме будет разогреваться, ее объем увеличивается и шток 3 будет выдвигаться, перемещая гильзу 6 вместе с термосистемой вниз. При этом клапан на перепуск будет постепенно прикрываться, а клапан на холодильную линию открываться. Величина зоны пропорционального регулирования будет определяться шириной отверстий клапанов и выбранной величиной чувствительности термосистемы. При полном прохождении зоны пропорционального регулирования отверстие 9 на перепуск окажется полностью перекрытым, а отверстие 8 на холодильную линию будет далее оставаться полностью открытым при превышении верхнего порога регулирования температуры (например, из-за неисправности радиатора) за счет увеличенной высоты отверстия 10 (по сравнению с высотой отверстия 8). А для того, чтобы при температурах ниже нижнего порога регулирования (при холодном двигателе) отверстие 9 не оказалось перекрытым, высота отверстия 11 в гильзе 6 также должна быть существенно больше высоты отверстия 9. Нижний и верхний пороги регулирования температуры могут регулироваться одновременно регулировочной гайкой 13, с помощью которой шток 3 термосистемы крепится к крышке 12 корпуса регулятора температуры. При этом ширина зоны пропорционального регулирования остается неизменной. Чтобы термосистема вместе с гильзой не могла проворачиваться внутри цилиндрического отверстия корпуса, в гильзе может быть сделан продольный паз, а в корпусе - шпонка (на чертеже не показано).

Существенное упрощение конструкции данного терморегулятора по сравнению с прототипом стало возможным именно благодаря высокой чувствительности предлагаемого термопреобразователя, которая обеспечивает достаточно большой ход гильзы 6, чтобы обеспечить эффективную работу регулятора температуры при небольших его габаритах. А простота конструкции определяет высокую технологичность и надежность работы регулятора. Таким образом, все поставленные задачи успешно решены.

Список литературы
1. Роговцев В.Л., Пузанков А.Г., Олдфильд В.Д. Устройство и эксплуатация автотранспортных средств: Учебник водителя. - М.: Транспорт, 1989. с.51-52.

2. Борисенко Е. Термостат от "десятки" на "Самару". За рулем, 7, 2000 г. , с.184-185.

3. Сачков М. Кто кого нагреет? За рулем. 11, 2000 г., с.178.

4. Приборы и средства автоматизации: Отраслевой каталог 2. Регулирующая и исполнительная техника 112.4 Регуляторы прямого действия. - М.: Информприбор, 1990, с.85-86, рис.156.

Изобретение относится к устройствам автоматического регулирования температуры и может быть использовано в автомобильной промышленности и двигателестроении для автоматического регулирования температуры охлаждающей среды в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания. Технический результат - существенное увеличение чувствительности термосистемы, за счет чего повышается точность регулирования температуры, при существенном упрощении конструкции и уменьшении габаритов всего регулятора температуры и повышении его надежности. Результат достигается тем, что в качестве термосистемы использован полый герметичный цилиндр, заполненный рабочей жидкостью, сквозь одну из торцевых стенок которого пропущен закрепленный регулировочной гайкой на крышке корпуса шток существенно меньшего диаметра, чем внутренний диаметр цилиндра. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Регулятор температуры прямого действия, содержащий корпус, имеющий два поперечных сквозных отверстия, одно - со стороны холодильной линии, другое - со стороны линии перепуска, клапан холодильной линии, клапан линии перепуска и герметичную термосистему, заполненную рабочей жидкостью, меняющей свой объем при изменении температуры, шток которой с помощью регулировочной гайки крепится к крышке корпуса, отличающийся тем, что в качестве термосистемы используется герметичный полый цилиндр, заполненный рабочей жидкостью, а шток проходит сквозь одну из его торцевых стенок и имеет диаметр существенно меньше внутреннего диаметра цилиндра. 2. Регулятор температуры по п. 1, отличающийся тем, что клапаны холодильной линии и линии перепуска выполнены в виде цилиндрической гильзы, которая размещена с минимальным зазором в цилиндрической полости корпуса регулятора и жестко скреплена с цилиндром термосистемы, а на ее противоположных боковых стенках, обращенных к холодильной линии и линии перепуска, выполнены два поперечных сквозных отверстия, высота которых превышает высоту отверстий в стенках корпуса, причем гильза установлена с возможностью продольного перемещения и поочередного перекрытия отверстий в корпусе регулятора в зависимости от температуры регулируемой среды, таким образом, что когда одно из отверстий начинает закрываться, другое начинает открываться, а когда одно из них полностью закрыто, другое полностью открыто.