Podstawową częścią termostatu jest tzw. element rozszerzalny. Poznamy jego budowę, charakterystyki i podstawowe zasady montażu. Nie będzie prawdopodobnie możliwości częstego wykorzystywania tych informacji w serwisie, ale uważam, że wobec rosnącej ilości zastosowań termostatów, wiedza ta może być pomocna, szczególnie osobom “wchodzącym” w zawód.

Budowa elementu rozszerzalnego
Element rozszerzalny jest podstawową częścią termostatu. Są dwa typy:
- element rozszerzalny z wkładką z elastomeru - rys. 19;
- element rozszerzalny z membraną - rys. 20.

Metalowa obudowa 4 elementu rozszerzalnego jest wypełniona parafiną 3. Dla zwiększenia przewodnictwa cieplnego do parafiny jest dodany metalowy proszek. Parafina jest ogrzewana energią cieplną pobieraną od medium (ciecz lub gaz) otaczającego element rozszerzalny. Gdy zostanie osiągnięta temperatura topnienia parafiny, zaczyna się zmiana jej stanu skupienia ze stałego w ciekły. Wzrasta również objętość parafiny 3, co zwiększa ciśnienie parafiny pp, dlatego obudowa 4 musi być odpowiednio wytrzymała. Gdy siła pochodząca od ciśnienia parafiny pp będzie większa od siły powrotnej sprężyny Fs1, trzpień 1 zaczyna się wysuwać.



Rys. 19. Przekrój elementu rozszerzalnego z wkładką z elastomeru: 1 - trzpień roboczy; 2 - wkładka z elastomeru; 3 - materiał rozszerzalny; 4 - obudowa. Oznaczenia na rysunku: h - wysunięcie trzpienia roboczego; Fs1 i Fs2 - siły powrotne sprężyny, przy położeniu początkowym lub wysuniętym trzpienia roboczego; pp - ciśnienie roztopionej płynnej parafiny. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

W elemencie rozszerzalnym z wkładką z elastomeru 2 (rys. 19), parafina naciska na trzpień roboczy za jej pośrednictwem. W elemencie rozszerzalnym z membraną (fot. 20) ciśnienie parafiny pp działa na membranę 6. Jej ruch jest przenoszony na trzpień roboczy 1 pośrednictwem tzw. przełożenia hydraulicznego 5 (fot. 20). Wykorzystana jest tu zasada, zgodnie z którą objętość substancji wypełniającej przestrzeń 5 (producent nie podaje jej rodzaju), przetłoczonej w następstwie ruchu membrany 6, jest równa objętości substancji, która dopływa pod trzpień roboczy 1 i wymusza jego ruch. Jeśli powierzchnia przekroju trzpienia roboczego 1 jest mniejsza niż powierzchnia czynna membrany 6, to skok trzpienia roboczego będzie większy niż skok membrany.



Rys. 20. Przekrój elementu rozszerzalnego z membraną: 1 - trzpień roboczy; 3 - materiał rozszerzalny; 4 - obudowa; 5 - przełożenie hydrauliczne; 6 - membrana. Oznaczenia na rysunku: h - wysunięcie trzpienia roboczego; Fs1 i Fs2 - siły powrotne sprężyny, przy położeniu początkowym lub wysuniętym trzpienia roboczego pp - ciśnienie roztopionej płynnej parafiny. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Wzrost temperatury parafiny ponad temperaturę topnienia powoduje dalszy wzrost objętości i ciśnienia parafiny pp, co powoduje większe wysunięcie h trzpienia roboczego 1. Dla uzyskania pożądanej charakterystyki elementu rozszerzalnego, czyli pożądanej wartości wysunięcia h trzpienia roboczego 1 przy określonej temperaturze elementu rozszerzalnego, wraz ze wzrostem wartości wysunięcia trzpienia roboczego 1 elementu rozszerzalnego rośnie siła sprężyny powrotnej, np. od wartości Fs1 do Fs2 (fot. 19 i 20), aby zrównoważyć siłę pochodzącą od ciśnienia parafiny pp, rosnącego ze wzrostem temperatury. Gdy temperatura płynnej parafiny zmniejsza się, jej objętość i ciśnienie maleją. Trzpień roboczy powraca w kierunku pozycji początkowej pod wpływem siły sprężyny zewnętrznej.
Skład parafiny jest tak dobierany, aby:
- topiła się w określonej temperaturze;
- w stanie ciekłym wzrost jej temperatury o każdy stopień Celsjusza powodował wzrost objętości w stopniu wymaganym dla uzyskania pożądanej charakterystyki.

Element rozszerzalny jest bezobsługowy. Zasada jego działania nie zmieniła się od lat pięćdziesiątych. Elementy rozszerzalne o nią oparte są wykorzystywane w najbardziej wymagających zastosowaniach. Obecnie do ich budowy w mniejszym stopniu używa się mosiądzu, a więcej aluminium i tworzyw sztucznych. Elementy rozszerzalne są produkowane w różnych wykonaniach o różnych charakterystykach (rys. 21). O jakości elementu rozszerzalnego świadczą: precyzja ruchu trzpienia roboczego, powtarzalność charakterystyki i jego niezawodność.



Rys. 21. Różne wykonania elementów rozszerzalnych z wkładką z elastomeru. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Charakterystyki elementów rozszerzalnych
Są dwie podstawowe charakterystyki:
- charakterystyka stromo-nachylona, łamana (rys. 22a);
- charakterystyka liniowa (rys. 22a).
Charakterystyka elementu rozszerzalnego jest dobierana dla określonego zastosowania. Każda z nich cechuje się omówionymi poniżej wielkościami, wyróżnionymi na rys. 22.



Rys. 22. Dwa typy charakterystyk elementów rozszerzalnych: a - stromo-nachylona, łamana; b - liniowa. Charakterystyka obrazuje zależność pomiędzy skokiem trzpienia roboczego a temperaturą elementu rozszerzalnego. Oznaczenia na wykresie: Tpo - temperatura początku otwarcia; ZRT - zakres regulacji temperatury; Tmax - maksymalna temperatura pracy; hr - skok trzpienia roboczego w zakresie regulacji, tzw. regulacyjny; hd - dodatkowy skok trzpienia roboczego; hmax - maksymalny skok trzpienia roboczego; H - histereza charakterystyki. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Temperatura początku otwarcia (Tpo). Jest to temperatura, przy której trzpień roboczy wysuwa się z położenia początkowego o 0,1 mm. Tę wielkość wysunięcia przyjmuje się umownie za początek otwarcia np. zaworu termostatu, który otwiera przepływ płynu chłodzącego przez chłodnicę.

Zakres regulacji temperatury (ZRT). Jest to zakres temperatury, w którym dany element rozszerzalny prowadzi regulację temperatury - dla tego zakresu temperatury jest skonstruowany. Zakres ten zaczyna się temperaturą początku otwarcia (Tpo), a kończy temperaturą:
- dla charakterystyki stromo-nachylonej, łamanej - odpowiadającej punktowi, w którym zmienia się kąt nachylenia linii charakterystyki;
- dla liniowej - odpowiadającej punktowi, w którym jest osiągana założona wartość skoku regulacyjnego (hr).
Zakres regulacji temperatury wynosi przeciętnie od 12 do 15OC.

Maksymalna temperatura pracy (Tmax). Jest to maksymalna temperatura, w której dany element rozszerzalny może pracować. Jej wartość zależy od zakresu temperatur pracy, dla którego dany element rozszerzalny został zaprojektowany.

Skok trzpienia roboczego w zakresie regulacji, tzw. regulacyjny (hr). Jest to skok trzpienia roboczego odpowiadający zakresowi regulacji temperatury (ZRT). Jego wartość wynosi od 3 do 15 mm.

Dodatkowy skok trzpienia roboczego (hd). Jest to różnica pomiędzy wysunięciem trzpienia roboczego przy maksymalnej temperaturze pracy a wysunięciem przy górnej temperaturze zakresu regulacji. Dodatkowy skok trzpienia roboczego pozwala uzyskać np. zwiększenie otwarcia zaworu, dla zmniejszenia niebezpieczeństwa przegrzania silnika, po przekroczeniu górnej granicy dopuszczalnego zakresu regulacji temperatury.

Maksymalny skok trzpienia roboczego (hmax). Jest to suma skoku trzpienia roboczego w zakresie regulacji (hr) i dodatkowego skoku trzpienia roboczego (hd). Jego wartość wynosi od 7 do 25 mm.

Histereza charakterystyki (H). Jeśli charakterystyka elementu rozszerzalnego jest wyznaczana przy wzroście temperatury a następnie powtórnie przy obniżaniu temperatury, to przy wzroście temperatury te same wartości skoku trzpienia roboczego elementu rozszerzalnego występują przy wyższych wartościach temperatury niż przy obniżaniu temperatury. Tę różnicę temperatur, dla każdej wartości skoku trzpienia elementu rozszerzalnego, nazywamy histerezą. Jej przyczyną są siły tarcia występujące pomiędzy ruchomymi częściami elementu rozszerzalnego.

Siły działające na element rozszerzalny
Mechanicy kupują przeważnie element rozszerzalny wraz z termostatem z odpowiednio dobranymi elementami sprężystymi. Dla pełniejszej wiedzy poznajmy podstawowe siły działające na element rozszerzalny.
Charakterystyka elementów sprężystych elementu rozszerzalnego. Dla uzyskania wymaganej charakterystyki elementu rozszerzalnego i ruchu powrotnego trzpienia roboczego, siła pochodząca od ciśnienia parafiny pp, o zmieniającej się wartości, musi być równoważona przez odpowiednio zmieniającą się siłę jednego lub więcej elementów sprężystych np. Fs1 lub Fs2 (rys. 19 i 20).

Minimalna siła powrotna. Jest to minimalna wartości siły, z którą element sprężysty musi działać na trzpień roboczy elementu rozszerzalnego, niezbędna, aby po obniżeniu temperatury elementu rozszerzalnego poniżej temperatury początku otwarcia (Tpo), trzpień roboczy powrócił do pozycji początkowej. Dla różnych wykonań elementu rozszerzalnego wartość tej siły wynosi od 30 do 300N.

Maksymalne obciążenie elementu rozszerzalnego. Jest to maksymalna wartość siły, która może działać na trzpień elementu rozszerzalnego. Jest to suma:
- sił elementów sprężystych działających na trzpień elementu rozszerzalnego w zakresie skoku regulacyjnego (hr) i w zakresie skoku dodatkowego (hd) (rys. 24, 25 i 26);
- sił pochodzących od naporu płynącego czynnika na płytkę zaworu, połączoną z trzpieniem roboczym elementu rozszerzalnego.

Dla różnych wykonań elementu rozszerzalnego wartość tej siły wynosi od 100 do 1500 N.

Wyznaczanie charakterystyki elementu rozszerzalnego
Aby uzyskać porównywalne wyniki, musi się ono odbywać w takich samych warunkach - oczywiście przy założeniu określonej tolerancji. Takie same muszą być:
- charakterystyka sprężyny, z którą współpracuje trzpień elementu rozszerzalnego;
- szybkość nagrzewania lub chłodzenia.

W firmie Behr Thermot-tronik charakterystyka elementów rozszerzalnych jest wyznaczana na stanowisku pokazanym na rys. 23. Wanna 1 jest napełniona glikolem, wodą lub ich mieszaniną. W tym płynie jest zanurzony element rozszerzalny 5 zamocowany w przyrządzie zegarowym 2, do pomiaru skoku trzpienia roboczego elementu rozszerzalnego. W przyrządzie 2 jest sprężyna, która obciąża trzpień elementu rozszerzalnego. Płyn w wannie jest ogrzewany grzałką 6, z prędkością 1OC/min. Jego temperaturę mierzy termometr 3. Dla uzyskania równomiernego rozkładu temperatury płynu w wannie, jest ona przepompowywana pompą 4.



Rys. 23. Stanowisko do wyznaczania charakterystyki elementu rozszerzalnego: 1 - wanna; 2 - czujnik ruchu trzpienia roboczego elementu rozszerzalnego; 3 - termometr mierzący temperaturę płynu w wannie; 4 - pompa przetłaczająca płyn; 5 - badany element rozszerzalny; 6 - grzałka płynu w wannie. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Praca termostatu w zabudowanego w obudowie może jednak odbiegać od charakterystyki wyznaczonej na stanowisku pomiarowym dla samego elementu rozszerzalnego, gdyż inne mogą być:
- siły działające na trzpień elementu rozszerzalnego;
- warunki wymiany ciepła pomiędzy elementem rozszerzalnym termostatu a medium (ciecz lub gaz) przepływającym wokół niego.

Z powyższego powodu konieczne są badania termostatu w stanie zamontowanym w obudowie w rzeczywistych warunkach pracy.

Zabudowa elementu rozszerzalnego
Przykłady zabudowy elementu rozszerzalnego i elementów sprężystych są pokazane na rys. 24, 25 i 26 oraz opisane w podpisach pod rysunkami. Podstawowe zasady zabudowy elementu rozszerzalnego są zestawione poniżej.
- Element rozszerzalny musi pracować w zakresie temperatur, dla których został opracowany.
- Trzpień roboczy elementu rozszerzalnego nie może być obciążany siłami większymi niż dopuszczalne.
- Trzpień roboczy (rys. 24 i 25) lub trzpień roboczy i korpus (rys. 26) muszą mieć możliwość swobodnego przemieszczania się, aż do uzyskania przez element rozszerzalny maksymalnej temperatury pracy.
- Gdy temperatura elementu rozszerzalnego jest niższa od temperatury początku otwarcia Tpo i trzpień roboczy jest w położeniu początkowym, musi być on zabezpieczony tuleją zderzakową przed obciążeniem siłami zewnętrznymi (TZ, na rys. 24, 25 i 26).



Rys. 24. Przykład zabudowy elementu rozszerzalnego. Skok regulacyjny (hr) i dodatkowy (hd) jest wykonywany przez trzpień roboczy w tym samym kierunku. W położeniu początkowym (po lewej stronie rysunku), trzpień roboczy jest ustalony tuleją zderzakową TZ. Charakterystyka sprężyny jest tak dobrana, aby trzpień termostatu mógł wykonywać skok roboczy i dodatkowy. (Źródło: Behr Thermot-tronik)



Rys. 25. Przykład zabudowy elementu rozszerzalnego. Skok regulacyjny (hr) i dodatkowy (hd) jest wykonywany przez trzpień roboczy w tym samym kierunku. W położeniu początkowym (po lewej stronie rysunku), trzpień roboczy jest ustalony tuleją zderzakową TZ. Sprężyna S2 ma większą sztywność (mniejszą podatność) od sprężyny S1. (Źródło: Behr Thermot-tronik).



Rys. 26. Przykład zabudowy elementu rozszerzalnego. Skok regulacyjny (hr) jest wykonywany przez trzpień roboczy, natomiast skok dodatkowy (hd) jest wykonywany w kierunku przeciwnym, przez obudowę elementu rozszerzalnego. W położeniu początkowym (po lewej stronie rysunku), trzpień roboczy jest ustalony tuleją zderzakową TZ. Sprężyna S2 ma większą sztywność (mniejszą podatność) od sprężyny S1. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Artykuł powstał na podstawie materiałów udostępnionych przez firmę Behr Thermot-tronik GmbH & Co.

mgr inż. Stefan Myszkowski
Studio Konstrukcyjno-Konsultacyjne