<Desc/Clms Page number 1>
"Organesde commanda thermiques
La présente invention concerne des perfection- nements aux organes de commande thermiques et en particulier, un groupe piston-cylindre nouveau et perfectionne, de construction économique, répondant avec précision aux variations de dimensions d'un matériau de remplissage, dues à la température, et mainte- nant un joint étanche entre des pièces se déplaçant l'une par rapport à l'autre.
Diverses formes d'organes de commande thermiques ont été proposées antérieurement en vue de convertir l'énergie thermique en efforts mécaniques et en mouvement fournissant l'éner- gie motrice pour la manoeuvre de vannes, d'interrupteurs, etc...
Une disposition classique de ce type gênerai comprend un récipient rigide, conducteur de la chaleur à l'intérieur duquel est prévu un remplissage de matériau tel que de la cire qui subit un change- ment marqué dans son taux d'expansion et de contraction par suito de transitions entre les phases solides et liquides à l'intérieur d'une étendue de températures limitée et prédéterminée. En trad.ui- @
<Desc/Clms Page number 2>
saut les variations de dimensions du remplissage, dues à des causes thermiques, en courses mécaniques d'un or,gane de sortie mobile, on a d'ordinaire utilisé dans la pratique des diaphragmes en élastomère, en forme de manchon,
dont on peut assurer l'étan- chéité autour de leur périphérie pour être certain qu'aucun des volumes do remplissage critiques ne puisse être dérangé par des fuites même minimes. Quand on désire des courses de sortie substnatielles, ces diaphragmes sont très sensibles aux déforma- tions et aux dommages résultant d'un allongement excessif, de l'abrasion due au frottement, et des effets de pincement ou de tasse,,lente En outre, dans certaines constructions, en raison de l'élasticité de tels joints, les réponses à la sortie peuvent être lentes et il peut se produire des effets d'hystérésis qui empochent l'organe de sortie de se déplacer exactement jusqu'aux positions désirées, au cours de mouvements répétés.
Quoique les systèmes piston-cylindre conviennent bien pour les types de trans- lation mécanique présentant de l'intérêt, le problème de l'étan- chéité n'a pas été résolu jusqu'ici d'une manière satisfaisante et en outre, la nécessité d'un usinage de précision des alésages, des pistons, des bagues, etc..., entraînerait un prix de revient élevé pour des articles qui devraient être d'une construction peu coûteuse.
Les difficultés ci-dessus peuvent être évitées par l'emploi d'organes de commande thermique du type piston- cylindre, dans lesquels une forme spéciale de piston et de joint en élastomère actionnés' dynamiquement coopèrent avec un tube cylindrique dans lequel est disposé une masse de remplissage expansible.
L'un des buts de la présente invention est donc de fournir des organes d'actionnèrent thermiques d'une haute précision, nouveaux et perfectionnés, pouvant être fabriqués un prix de revient réduit et assurer un fonctionnement sans fuite avec des caractéristiques d'hystérésis améliorées.
<Desc/Clms Page number 3>
Un autre but est de fournir des organes de commande thermiques du type piston-cylindre dans lequel des pistons mobiles avec dispositifs d'étanchéité élastiques sont dilatas dynamiquement pour conserver les relations d'6tanoh6ité avec des tubes-cylindriques coopérants, dans des conditions de fonctionnement sévères et malgré l'usure.
Un autre but de l'invention est de fournir @ des pistons expansibles utiliser en particulier avec des orga- nes d'actionnement thermiques qui maintiennent une meilleure étanchéité par rapport à des surfaces intérieures de cylindres relativement imprécises, au cours de mouvements alternatifs en sens opposé.
L'invention a aussi pour but de fournir des pistons perfectionna @ouvant être orientés de manière commode et précise et coulisser de manière étanche dans des tubes d'orga- nes de commande thermiques contenant une masse de remplissage afin de régler avec précision les réponses de ces organes.
Un but supplémentaire de l'invention est de fournir un procédé nouveau et perfectionné pour assembler les organes de commande thermiques munis d'un remplissage au moins en partie liquide et régler les réponses de ceux-ci,
Suivant un aspect de l'invention, un organe de commande thermique comprenant un élément tabulaire allongé fermé à une extrémité et rempli au moins en partie d'un matériau répon- dant à la chaleur, qui se dilate de manière marquée en fondant, est équipé d'un piston mobile unique servant à enfermer et à sceller le remplissage près de l'extrémitéouverte du tube.
le piston est constitué par l'assemblage d'un élément cylindrique creux en élastomère, dont le diamètre ext4rieiir, ne dépasse pas normalement d'une manière appréciable le diamètre- intérieur du tube coopérant, d'une paire d'éléments rigides en forme de rondel- les dont chacun est disposé à une extrémité axiale de l'élément en élastomère, d'une broche centrale, passant dans les rondelles
<Desc/Clms Page number 4>
et dans l'élément en élastomère et engagée de manière étanche avec ce dernier, et d'un ressort, supporte entre une extrémité de la broche et l'une des rondelles, exerçant un effort de com- pression axial qui provoque un renflement circonférentiel de l'élément en élastomère appliquant hermétiquement celui-ci contre l'alésage du tube.
Une tige de cet organe de commande, dont une extrémité engage l'ensemble du piston de manière à pouvoir en être séparé, s'étend vers l'extérieur, au-delà de l'extrémité ouverte du tube, jusqu'à une soupape mobile munie d'un ressort, ou d'un élément similaire, et est obligée de suivre les mouve- ments du piston.
Quoique les aspects de cette invention que l'on crott nouveauxsoient exposés dans les revendications annexées, des détails supplémentaires quant au mode d'exécution préféré et aux autres avantages, buts et caractéristiques de l'invention peuvent être compris des plus facilement en se reportant à la description suivante faite en se référant aux dessins annexés, où : - La figure 1 est une vue de profil, partiel- lement en coupe, d'une soupape de sûueté à laquelle s'appliquent les principes de l'invention.
- La figure 2 est une vue à plus grande éohel- le d'un système piston-joint expansible, tel que celui utilisé dans la soupape de sûreté de la figure 1.
- La figure 3 montre la structure du systè- me piston-joint de la figure 2 en position relâchée, non compri- mée, avant l'assemblage des pièces, - La figure 4 illustre un système piston- joint perfectionné inséré dans un tube d'organe de commande rem- pli.
- La figure ? montre une vue'de détail à plus grande 6chelle des parties coopérantes d'une tige/de soupape, d'un système piaton-joint et d'un tube d'organe de commande ther- mique, dont certaines pièces sont découpées pour montrer les détails de la construction.
<Desc/Clms Page number 5>
- La figure 6 est une coupe longitudinale partielle dans une autre forme d'exécution du système piston- joint.
Une application typique de l'organe d'aotion- nement thermique perfectionna est caractérisée par l'appareil de sûreté automatique 7 illustra à la figure 1, où une soupape normalement fermée 8 répond aux efforts d'actionnement exerces par un organe de commande et de détection thermique 9. Cet appa- reil peut, par exemple, être installé au-dessus d'un réservoir à eau chaude au moyen d'un raccord filète 10 en immergeant l'élé- ment détecteur allongé dans l'eau chaude Le clapet mobile 11 maintenu hermétiquement sur le siège 12 du corps de soupape 13 par un ressort de compression Il+ empêche normalement l'échappe- ment du contenu du réservoir par le raccord d'entrée 10 et le passage de sortie 15.
L'effort exercé par le ressort 14 entre le clapet 11 et un chapeau de corps de soupape réglable 16 est réglé à l'usine pour être certain que la soupape s'ouvre seule- ment sous la pression du réservoir lorsque celle-ci tombe dans une étendue de pression étroite et prédéterminée, Cotte soupa- pe peut aussi être manoeuvrée à la main au moyen d'une poignée extérieure 17 munie d'une came, qui est fixée à un arbre ou une tige coulissante 18 passant de manière étanohe dans le chapeau l6 et fixée à l'organe 11. Ces dispositifs de relâchement de la pression, automatiques et manuels, s'ajoutent au fonctionnement automatique répondant aux mouvements de la tige provoqués par l'organe de commande thermique 9.
A cet effet, un élément tubulaire allongé 19 a son extrémité ouverte 20 fixée à un support de @@@@@ de so@@@@ 21 dans lequel peut passer le fluide et son extrémité fermée 22 s'étend 4ans le liquide du réservoir en vue d'une réponse optimale aux variations de température. Le tube 19 présente une surface intérieure essentiellement unie 23 d'un même diamètre et est en matériau présentant de bonnes caractéristiques de conductivité
<Desc/Clms Page number 6>
thermique et résistant à la corrosion.
La partie de la tige de soupape 18 partant de l'élément 11 vers le bas attend dans l'extrémité ouverte du tube 19 et engage dans celui-ci un systé- me spécial piston-joint désigné par 24, De préférence, la tige et le système piston-joint peuvent être séparés axialement l'un de l'autre, quoiqu'ils soient maintenue on engagement par lest actions combinées du ressort 14 et d'un matériau de remplissage 25, répondant aux variations de température, qui occupe l'espace compris entre le système piston-joint 24 et l'extrémité 22 fermée du tube.
Suivant une pratique courante,le remplissage peut consister essentiellement en une cire dont le point de fusion se situe approximativement à la température critique à laquelle le clapet 11 devrait s'écarter de son siège pour ouvrir la soupape de sûreté protectrice (par exemple, une température située juste en-dessous du point d'ébullition de l'eau du réser- voir) .
Des cires de pétrole ayant des températures de fusion très différentes peuvent s'obtenir facilement dans le commerce et être mélangées pour obtenir les caractéristiques de fusion dési- rées . Certaines cires et substances similaires augmentent très substantiellement de volume lorsqu'elles passent de l'état solide à l'état liquide, entre des limites de températures rapprochées et prédéterminées; cet accroissement de volume provoque le dépla- cement du système piston-joint 24 et le soulèvement de la tige 18 pour écarter l'organe 11 de son siège et obtenir l'action désirée rapide et positive de la soupape de sûreté .
Anciennement, la tendance des cires liquides sous pression (fondues) ou des matériaux similaires à fuir au- delà des joints mobiles exigeait l'emploi de diaphragmes et de manchons flexibles, généralement en élastomère, pouvant être ser- rés Ou attachés autrement autour de leur périphérie pour être
<Desc/Clms Page number 7>
certain qu'aucune quantité de liquide ne puisse s'échapper et ainsi modifier sérieusement le volume du remplissage ainsi que les caractéristiques de fonctionnement de l'organe do commande Ces joints deformables en élastomère sont excessivement coûteux, particulièrement sujets aux détériorations et il est difficile de les orienter par rapport à un volume particulier de remplissa- ge afin d'obtenir sûrement la réponse précise cherchée.
Par contre, le système piston- joint 24 peut être animé d'un mouve- ment alternatif sans perte importante de matériau de remplissage et en fait, si efficacement, que le tube peut oontenir avanta- geusement un remplissage consistant normalement en une aire soli- i difiée mais également en un. matériau supplémentaire pouvant transmettre un effcrt, tel que l'eau, qui est normalement à l'état liquide et dont on pourrait croire qu'elle pose des problèmes de fuite trs sérieux.
Comme le montrent en détail, les figures 2 et 3, le système piston-joint est une structure intégrée séparée, comprenant comme éléments constitutifs principaux un élément tubulaire élastique 26 on élastomère, deux rondelles rigides 27 et 28, une à chaque extrémité axiale de l'élément 26, un ressort hélicoïdal 29 et une broche d'assemblage centrale 30 aveo une tête 30c. La longueur 31, le diantre extérieur .
32 et le diamètre intérieur de l'élément élastique 26 à l'état relâché ou non comprimé (figure 3) sont choisis de telle maniè- re que quand cet élément est comprimé axialement jusqu'à une lon- gueur axiale 33 plus courte (figure 2), il a tendance à se renfler vers l'extérieur, jusqu'à avoir un diamètre extérieur 34 considérablement plus fort, tout en continuant à entourer de manière tanche la broche centrale 30. A cet effet, l'effort axial exerce sur l'élément 26 contenu par le diamétre intérieur du tube provoque l'application d'une pression radiale à la fois sur les parois intérieures du tube et sur la surface extérieure de la broche 30.
En outre, le diantre intérieur de l'élément élastique 26 peut être initialenent quelque peu inférieur au
<Desc/Clms Page number 8>
diamètre extérieur 35 de la broche 30, avec l'extrémité poin- tue 30a de celle-ci facilitant l'assemblage initial des pièces de dimensions différentes, Le diamètre expansé 34 est choisi pour qu'il dupasse dans une mesure importante le diamètre inté- rieur du tube 19 coopérant de l'organe de commande, de manière que l'élément élastique 26 maintienne constamment un contact étanche au fluide avec le tube dans toutes les conditions opéra- toires. Avant d'être inséré dans le tube de l'organe de commande, l'ensemble relâche (figure 3) est comprimé axialement dans la mesure désirée,
afin de maintenir l'engagement étanche ci-dessus et cet état comprimé est maintenu gràce à un sertissage 30b situé sous le niveau de la rondelle 27. Les rondelles 27 et 28 protègent l'élément élastique 26 en distribuant uniformément les efforts de compression axiaux; ces rondelles ont un diamètre légèrement inférieur à celui de l'intérieur du tube de l'organe de commande. Le ressort 29 et la tête 30c de la broche 30 ont, de préférence) un diamètre suffisamment inférieur à celui de l'intérieur du tube pour recevoir facilement l'extrémité infé- rieure de la tige creuse 18 qui les entoure sans les serrer.
Comme le montre la figure 1, le système élastique 24 dilaté engage la paroi intérieure du tube 19 sur une majeure partie de sa longueur et non seulement à la crête du renflement que montre la figure 2, le changement de dimensions étant compensé par une compression longitudinale plus forte du ressort 29.
Un aspect important du système piston-joint apparaît on considérant les effets défavorables éventuels qui pourraient se manifester en l'absence du ressort 29 quand le volume du remplissage du tube de l'organe de commande se contracte et quand le ressort 14 n'agit pas en même temps pour pousser la tige 18 contre la rondelle 28 avec uno force suffisante pour comprimer l'élément élastique 26 et le presser de la manibre étanche exigée contre l'intérieur du tube 19.
Cette situation pourrait se présenter quand la pression intérieure dans le réser-
<Desc/Clms Page number 9>
voir où le levier 17 actionne à la main écarte légèrement l'or- gane 11 de la soupape de son siège. Les effets de la pression négative s'exerçant sur l'élément élastique 26 provoqueraient une aspiration d'air ou de vapeur compressible du réservoir dans l'espace situé en-dessous de cet élément et ensuite, le volume efficace du remplissage serait perturbé, comme le seront son in- compressibilité effective, et l'organe de commande ne fonctionne- rait donc pas avec les caractéristiques prévues.
Toutefois, dans le système perfectionné 24 fonctionnant dynamiquement, y compris le ressort 29, celui-ci suffit pour maintenir au moins cette compression axiale de l'élément 26, et pour supprimer la fuite en sens inverse même quand la tige 18 est largement écartée de la rondelle 28. Ce ressort permet également au système do com- penser automatiquement les effets de l'usure dus au frottement.
Les efforts requis pour ramener le système piston-joint à une position prédéterminée dans le tube, après un déplacement forci et un refroidissement du remplissage, sont relativement faibles et prévisibles, de sorte que les caractéristiques d'hystérésis de l'organe de commande sont hautement désirables.
D'autres avantages du système 24 sont maté- rialisés quand celui-ci est inséré dans le tube 19 (figure 4).
Il est important que les surfaces extérieures de l'élément élasti- que 26 s'appliquent régulièrement contre les surfaces inté- rieures coopérantes du tube et que de sévères déformations ou dété- riortions résultent d'un pincement ou d'antres causes soient évl- tées. L'élément surdimensionné 26 serait quelque peu vulnérable ces perturbations si les efforts d'accouplement s'appliquaient directement ' la rondelle 28. On constate toutefois que l'accou- plement est amélioré en appliquant les efforts dans le sens de la flèche 36 à la tête 30c de la broche au moyen d'un outil 37.
Dans ces conditions, tout effort excessif sur l'élément élastique 26 aura pour résultat une expansion longitudinale oontre la ré- sistance du ressort 29, ce qui permettra à l'élément élastique de glisser en position plus facilement et plus doucement.
<Desc/Clms Page number 10>
Ces perfectionnements prennent une importance particulière quand le tube 19 est rempli en partie d'une cire solidifiée 25a, ou d'un produit similaire, et en partie d'un liquide incompressible 25b transmettant l'effort, tel que l'eau, qui occupe le volume restane à l'intérieur du tube (figure 4). Une certaine quantité du liquide doit pouvoir s'échapper pendant la phase d'insertion pour permettre au système piston-joint d'atteindre une position prédéterminée et la décompression élastique axiale du ressort 29 permet avantageuse-Dent la fuite nécessaire 38 àl'extrémité ouverte du tube.
L'adoption d'un remplissage liquide supplémentai- re permet un réglage très précis de l'organe de commande aux tem- pératures ambiantes tandis que si l'on cherche à appliquer la même technique avec seulement un remplissage de cire, celle-ci doit d'abord être fondue, les températures doivent être élevées,, le nettoyage de la cire qui a débordé est ennuyeux et il est ex- trêmement difficile de régler le volume critique exact du remplis- sage de cire dans l'organe de commande terndné, Le liquide utili- se doit être essentiellement non compressible, il ne doit pas pouvoir se mélanger à la cire ou à un autre matériau de remplis- sage,
il devrait résister à l'état liquide aux températures am- biantes et aux températures plus élevées auxquelles fondent la cire ou un autre matériau de remplissage et, il devrait, de préférence, présenter à peu près les mêmes caractéristiques d'expansion ther- mique que le matériau de remplissage solidifié. On peut satisfai- re déquatement à ces conditions en utilisant de l'eau essentiel- lenent pure avec un remplissage de cire solidifiée} ce remplissa- ge de cire subit en fondant un changement de volume de 10 Le en- viron, tandis que l'eau ne subit qu'un changement de volume rela- tivement faible entre les mêmes limites rapprochées de températures.
Le liquide incompressible supplémentaire de remplissage peu coû- @ feux, sert à transmettre les efforts dus à l'expansion du remplis- sage de ciré en système piston-joint et permet ainsi de n'utiliser qu'une quantité relativement faible de cire plus coûteuse en un
<Desc/Clms Page number 11>
point de détection éloigne en vue d'entraîner le système piston-. joint placé ailleurs ; un tube flexible peut raccorder las deux points et en tout cas, il suffit que la tige de sortie ou un autre organe entraîne par le système piston-joint soit relativement court ce qui permet d'économiser un mutai coûteux.
En outre, même si l'on n'utilise qu'une quantité relativement faible de liquide, elle sert à résoudre le problème posé par les vides appa- raissant entre le remplissage de cire solidifiés et le système piston-joint. A ce propos, la figure 4 montre le type de "tourbillon" 39 qui résulte d'habitude de la solidification de la cire et iJ. est évident que cette dépression a tendance à établir, entre le remplissage de cire et le système piston-joint, un vide qui pourrait affecter défavorablement les caractéristiques fonctionnelles de l'organe de commande thermique. Le liquido 25b élimine cette influence adverse.
Un autre avantage résulte du fait qu'on n'emploie qu'une quantité de cire aussi faible que possible, uniquement pour assurer le mouvement de sortie minimal exigé pour une application quelconque, en même temps qu'une quan- tité de liquide de remplissage relativement grande. A titre d'explication, on a constaté que le remplissage de cire seul a ten- dance à présenter une élasticité ou une compressibilité indésira- ble, qui rend moins prévisibles les caractéristiques fonctionnel- les de l'organe d'entraînement. Quand on ajoute dans la cavité de l'organe d'actionnement une quantité relativement grande d'un liquide moins compressible, tel que l'eau, l'élasticité ou la compressibilit totale est réduite avantageusement de manière significative.
La figure ? montre en détail la. coopération entre le système piston-joint 24 et un organe de sortie sépara- ble creux ou tige tubulaire 18a qui en général ressemble à la. tige 18 de la figure 1, sauf que son diamètre extérieur est suffisamment fort pour permettre un ajustement par glissement à l'intérieur du tube 19 qui guidera la tige de manilre plus pré-
<Desc/Clms Page number 12>
cise et évitera plus certainement toute possibilité' de soulève- ment unilatéral du système piston-joint par celle-ci.
La longueur 14 sur laquelle peuvent glisser la tige et la partie supérieure du système piston-joint permet d'assurer qu'ils ne se sépareront pas complètement si le système piston-joint ne suit pas les mouve- ments de la tige à tout moment, comme quand une pression excessive ou une manoeuvre manuelle de la soupape soulevé la tige de celle- ci de manière indépendante.
De préférence, la longueur axiale comprimée de l'élément élastique (essentiellement la longueur 33) de l'élément Elastique 26 à la figure 2) est suffisante pour em- pêcher le système piston-joint de sortir de son alignement concen- trique avec l'organe de commande tubulaire qui l'entoure. Toute- fois, dans une variante de construction telle que celle de la fleure 6, l'élément élastique 26' peut avoir une longueur rela- tivement réduite et l'une des rondelles d'extrémité est remplacée par un élément cylindrique creux allongé 28' dont le diam tre' extérieur est légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube 19.
Le ressort 29' et la broche d'attache centrale 30' fonctionnent essentiellement de la manière décrite précédemment à propos du système de la figure 2, pour conserver une bonne étanchéité à tout moment-tandis que l'élément 28' guide le systè- me 24' pour empêcher le désalignement de l'élément 26' dans le tuba 19.
Les éléments élastiques du système piston-joint sont en caoutchouc au silicone, en matière synthétique ou en caoutchouc qui n'est pas affectué par les hydrocarbures (tels que ceux d'un remplissage (le cire) et ne contient pas de soufre ou d'autres substances qui provoqueraient vraisemblablement une adhé.. rence indésirable au tube de l'organe de commande (en laiton par exemple) aux hautes températures.
Quand on désira un haut degré d'onttuosité entre le tube de l'organe de commande et le système élastique piston-joint, on peut prévoir autour de la periphérie de l'élément élastique un manchon flexible t,rés mince en un maté-
<Desc/Clms Page number 13>
riau relativement glissant comme le tétrafluoréthylène, ou bien on peut réduire la friction en enduisant les parties coopérantes de mica, ou en soumettant l'élément élastique à un traitenont de surface tel que le traitement dit "LCR" fourni par J. Royal Conpany, Barrington, Rhode Island, ou bien encore en appliquant aux parties coopérantes un fluorocarbone tel que celui vendu par Du Pont Corporation sous le nom commercial de "Vydaxar".
Quoique l'on ait choisi un ressort hélicoïdal, pour l'associer au système piston-joint, on peut le remplacer par d'autres formes d'éléments élastiques et, dans certains cas, on peut inverser la position de l'extrémité du système piston-joint qui porte le ressort (o'est.. à-dire qu'elle peut s'avancer dans le remplissage plutôt que s'étendre vers la tige). On peut naturellement employer des orga- nes d'actionnement appliquant ces principes dans des bats autres que l'actionnement de soupapes discuté spécifiquement ici.
En conséquence, quoique des formas d'exécution pratiques préférées de l'invention aient étéillustrées et décri- tes ici, il devrait être entendu qu'on peut y apporter diverses modifications, additions et substitutions sans s'écarter des principes appliqués et les revendications annexées visent à inclure toutes ces variations relevant de l'esprit véritable et de la portée de l'invention.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
<Desc / Clms Page number 1>
"Thermal control organs
The present invention relates to improvements to thermal actuators and in particular to a new and improved piston-cylinder unit, of economical construction, responding precisely to variations in the dimensions of a filling material, due to temperature, and maintaining a tight seal between parts moving relative to each other.
Various forms of thermal control members have been proposed previously with a view to converting thermal energy into mechanical forces and into movement providing motive energy for operating valves, switches, etc.
A conventional arrangement of this general type comprises a rigid, heat-conducting container within which is provided a filling of material such as wax which undergoes a marked change in its rate of expansion and contraction by suito transitions between solid and liquid phases within a limited and predetermined temperature range. In translation ui- @
<Desc / Clms Page number 2>
skipping the variations in the dimensions of the filling, due to thermal causes, in the mechanical strokes of a gold, mobile output gane, it has usually been used in practice elastomer diaphragms, sleeve-shaped,
which can be sealed around their periphery to ensure that none of the critical fill volumes can be disturbed by even minimal leaks. When substantial output strokes are desired, these diaphragms are very susceptible to deformation and damage resulting from excessive elongation, abrasion from friction, and pinching or cup effects. in some constructions, due to the elasticity of such joints, responses to the output may be slow and hysteresis effects may occur which prevent the output member from moving exactly to the desired positions, at course of repeated movements.
Although piston-cylinder systems are well suited for the types of mechanical translation of interest, the problem of sealing has not heretofore been satisfactorily solved and, moreover, the need precision machining of bores, pistons, bushings, etc., would result in a high cost price for items which should be of inexpensive construction.
The above difficulties can be avoided by the use of thermal actuators of the piston-cylinder type, in which a special form of dynamically actuated elastomeric piston and seal cooperate with a cylindrical tube in which is disposed a mass. expandable filling.
One of the aims of the present invention is therefore to provide new and improved thermal actuators with high precision, which can be manufactured at a reduced cost and ensure leak-free operation with improved hysteresis characteristics. .
<Desc / Clms Page number 3>
Another object is to provide thermal actuators of the piston-cylinder type in which movable pistons with resilient sealing devices are dynamically expanded to maintain the relationships of etanohity with cooperating cylindrical tubes, under severe operating conditions. and despite wear and tear.
Another object of the invention is to provide expandable pistons for use in particular with thermal actuators which maintain a better seal against relatively imprecise inner cylinder surfaces, during reciprocating movements in opposite directions. .
It is also an object of the invention to provide improved pistons which can be conveniently and precisely oriented and slide in a sealed manner in tubes of thermal actuators containing a filler mass in order to precisely regulate the response of the valve. these organs.
A further object of the invention is to provide a new and improved method for assembling thermal control members provided with at least partly liquid filling and for adjusting the responses thereof,
In accordance with one aspect of the invention, a thermal controller comprising an elongate tubular member closed at one end and filled at least in part with a heat responsive material which expands markedly upon melting is provided. a single movable plunger to enclose and seal the fill near the open end of the tube.
the piston is formed by the assembly of a hollow cylindrical elastomeric element, the outer diameter of which does not normally appreciably exceed the inner diameter of the cooperating tube, of a pair of rigid elements in the form of a washers each of which is disposed at an axial end of the elastomeric element, with a central pin, passing through the washers
<Desc / Clms Page number 4>
and in the elastomeric element and sealingly engaged therewith, and of a spring, supports between one end of the spindle and one of the washers, exerting an axial compressive force which causes a circumferential bulge of the elastomeric element hermetically applying the latter against the bore of the tube.
A rod of this control member, one end of which engages the whole of the piston so as to be able to be separated therefrom, extends outwards, beyond the open end of the tube, to a movable valve provided with a spring, or the like, and is forced to follow the movements of the piston.
Although novel aspects of this invention are set out in the appended claims, further details as to the preferred embodiment and other advantages, objects and features of the invention can be most readily understood by reference to the following description given with reference to the accompanying drawings, where: - Figure 1 is a side view, partially in section, of a safety valve to which the principles of the invention apply.
- Figure 2 is an enlarged view of an expandable piston-seal system, such as that used in the safety valve of Figure 1.
- Figure 3 shows the structure of the piston-seal system of Figure 2 in the relaxed, uncompressed position before the parts are assembled, - Figure 4 illustrates an improved piston-seal system inserted into a tube of control unit full.
- The figure ? shows an enlarged detail view of the cooperating parts of a stem / valve, a piaton-joint system and a thermal actuator tube, some parts of which are cut away to show the parts. construction details.
<Desc / Clms Page number 5>
- Figure 6 is a partial longitudinal section in another embodiment of the piston-seal system.
A typical application of the improved thermal actuator is characterized by the automatic safety device 7 illustrated in FIG. 1, where a normally closed valve 8 responds to the actuation forces exerted by a control and control member. thermal detection 9. This apparatus can, for example, be installed above a hot water tank by means of a threaded connection 10 by immersing the elongated detector element in hot water. The movable valve 11 held hermetically on the seat 12 of the valve body 13 by a compression spring II + normally prevents the escape of the contents of the reservoir through the inlet fitting 10 and the outlet passage 15.
The force exerted by the spring 14 between the plug 11 and an adjustable valve body cap 16 is set at the factory to ensure that the valve opens only under the pressure of the reservoir when this drops into the reservoir. A narrow and predetermined pressure range, the valve can also be operated by hand by means of an exterior handle 17 provided with a cam, which is fixed to a shaft or a sliding rod 18 passing steadily through the valve. cap 16 and fixed to the member 11. These pressure relief devices, automatic and manual, are in addition to the automatic operation responding to the movements of the rod caused by the thermal control member 9.
For this purpose, an elongated tubular member 19 has its open end 20 attached to a support 21 through which the fluid can pass and its closed end 22 extends into the liquid in the reservoir. for an optimal response to temperature variations. The tube 19 has a substantially smooth inner surface 23 of the same diameter and is made of a material having good conductivity characteristics.
<Desc / Clms Page number 6>
thermal and corrosion resistant.
The part of the valve stem 18 extending downwards from the element 11 waits in the open end of the tube 19 and engages therein a special piston-seal system designated 24, Preferably the stem and The piston-seal system can be axially separated from one another, although they are held in engagement by the combined actions of the spring 14 and a filling material 25, responding to the variations in temperature, which occupies the space between the piston-seal system 24 and the closed end 22 of the tube.
In common practice, the filling may consist essentially of a wax whose melting point is approximately at the critical temperature at which the valve 11 should move away from its seat to open the protective safety valve (for example, a temperature located just below the boiling point of the water in the tank).
Petroleum waxes with very different melting temperatures can be readily obtained commercially and can be mixed to achieve desired melting characteristics. Certain waxes and similar substances increase very substantially in volume when they pass from the solid state to the liquid state, between close and predetermined temperature limits; this increase in volume causes the displacement of the piston-seal system 24 and the lifting of the rod 18 to move the member 11 away from its seat and to obtain the desired rapid and positive action of the safety valve.
In the past, the tendency of pressurized (molten) liquid waxes or similar materials to leak past movable joints required the use of flexible diaphragms and sleeves, usually elastomeric, which could be clamped or otherwise tied around them. periphery to be
<Desc / Clms Page number 7>
certain that no quantity of liquid can escape and thus seriously modify the volume of the filling as well as the operating characteristics of the control member These deformable elastomer seals are excessively expensive, particularly prone to deterioration and it is difficult to orient them in relation to a particular filling volume in order to surely obtain the precise answer sought.
In contrast, the piston-seal system 24 can be reciprocated without significant loss of fill material, and indeed so efficiently that the tube can advantageously contain a fill normally consisting of a solid area. i dified but also in one. additional material capable of transmitting an effect, such as water, which is normally in a liquid state and which could be thought to pose very serious leakage problems.
As shown in detail in Figures 2 and 3, the piston-seal system is a separate integrated structure, comprising as main constituent elements an elastic tubular element 26 or elastomer, two rigid washers 27 and 28, one at each axial end of the element 26, a coil spring 29 and a central assembly pin 30 with a head 30c. Length 31, the outer diantre.
32 and the inside diameter of the elastic element 26 in the relaxed or uncompressed state (figure 3) are chosen such that when this element is compressed axially to a shorter axial length 33 (figure 2), it tends to bulge outwards, until it has a considerably larger external diameter 34, while continuing to tightly surround the central pin 30. For this purpose, the axial force exerts on the The element 26 contained by the inner diameter of the tube causes the application of radial pressure both on the inner walls of the tube and on the outer surface of the pin 30.
In addition, the internal diantre of the elastic element 26 may initially be somewhat less than the
<Desc / Clms Page number 8>
outer diameter 35 of spindle 30, with the pointed end 30a thereof facilitating the initial assembly of parts of different dimensions. Expanded diameter 34 is chosen so that it exceeds to a significant extent the inner diameter. of the tube 19 cooperating with the control member, so that the resilient element 26 constantly maintains fluid-tight contact with the tube under all operating conditions. Before being inserted into the tube of the control member, the release assembly (figure 3) is compressed axially to the desired extent,
in order to maintain the above sealed engagement and this compressed state is maintained thanks to a crimping 30b located below the level of the washer 27. The washers 27 and 28 protect the elastic element 26 by uniformly distributing the axial compressive forces; these washers have a diameter slightly smaller than that of the inside of the tube of the control member. The spring 29 and the head 30c of the pin 30 are preferably of a diameter sufficiently smaller than that of the interior of the tube to easily receive the lower end of the hollow rod 18 which surrounds them without tightening them.
As shown in Figure 1, the expanded elastic system 24 engages the inner wall of tube 19 over a major portion of its length and not only at the crest of the bulge shown in Figure 2, the change in dimensions being compensated for by longitudinal compression. stronger of the spring 29.
An important aspect of the piston-seal system appears when considering the possible adverse effects which could occur in the absence of the spring 29 when the volume of the filling of the tube of the control member contracts and when the spring 14 does not act. at the same time to push the rod 18 against the washer 28 with sufficient force to compress the elastic element 26 and press it in the sealed manner required against the inside of the tube 19.
This situation could arise when the internal pressure in the tank
<Desc / Clms Page number 9>
see where the lever 17 operates by hand slightly pulls the valve member 11 away from its seat. The effects of the negative pressure exerted on the elastic member 26 would cause a suction of air or compressible vapor from the reservoir into the space below this member and then the effective volume of the filling would be disturbed, as its effective compressibility will be, and the control member would therefore not operate with the expected characteristics.
However, in the improved dynamically operating system 24, including the spring 29, this is sufficient to maintain at least this axial compression of the element 26, and to suppress the leakage in the opposite direction even when the rod 18 is widely spaced apart. washer 28. This spring also enables the system to automatically compensate for the effects of wear due to friction.
The forces required to return the piston-seal system to a predetermined position in the tube, after forced displacement and cooling of the filling, are relatively low and predictable, so that the hysteresis characteristics of the controller are highly. desirable.
Further advantages of system 24 are realized when it is inserted into tube 19 (Figure 4).
It is important that the outer surfaces of the resilient member 26 rest evenly against the cooperating inner surfaces of the tube and that severe deformation or damage results from pinching or other causes. tees. The oversized member 26 would be somewhat vulnerable to these disturbances if the coupling forces applied directly to the washer 28. It is found, however, that the coupling is improved by applying the forces in the direction of arrow 36 to the shaft. head 30c of the spindle by means of a tool 37.
Under these conditions, any excessive stress on the elastic member 26 will result in longitudinal expansion against the resistance of the spring 29, which will allow the elastic member to slide into position more easily and smoothly.
<Desc / Clms Page number 10>
These improvements take on particular importance when the tube 19 is filled partly with a solidified wax 25a, or a similar product, and partly with an incompressible liquid 25b which transmits the stress, such as water, which occupies the volume remains inside the tube (figure 4). A certain quantity of the liquid must be able to escape during the insertion phase to allow the piston-seal system to reach a predetermined position and the axial elastic decompression of the spring 29 advantageously allows the necessary leakage 38 at the open end of the tooth. tube.
The adoption of an additional liquid filling allows a very precise adjustment of the control member to the ambient temperatures, while if one seeks to apply the same technique with only one filling of wax, this one must first be melted, the temperatures must be high ,, cleaning of the overflowing wax is boring and it is extremely difficult to set the exact critical volume of wax filling in the tarnished controller, The liquid used must be essentially non-compressible, it must not be able to mix with wax or other filling material,
it should withstand in the liquid state at room temperatures and at the higher temperatures at which wax or other filler melts and, preferably, it should have approximately the same thermal expansion characteristics as the solidified filling material. These conditions can be satisfactorily met by using essentially pure water with a solidified wax filling; this wax filling undergoes a volume change of about 10 L in melting. The water undergoes only a relatively small change in volume between the same close temperature limits.
The additional inexpensive incompressible filling liquid serves to transmit the forces due to the expansion of the waxed filling in a piston-seal system and thus makes it possible to use only a relatively small quantity of more expensive wax. in one
<Desc / Clms Page number 11>
Detection point moves away in order to drive the piston-system. seal placed elsewhere; a flexible tube can connect las two points and in any case, it suffices that the output rod or another member driven by the piston-joint system is relatively short, which saves an expensive mutai.
Furthermore, even if only a relatively small amount of liquid is used, it serves to solve the problem of voids occurring between the solidified wax filling and the piston-seal system. Incidentally, Figure 4 shows the type of "swirl" 39 which usually results from the solidification of the wax and the like. It is evident that this depression tends to establish, between the wax filling and the piston-seal system, a vacuum which could adversely affect the functional characteristics of the thermal controller. Liquid 25b eliminates this adverse influence.
Another advantage results from the fact that only as little wax is used as possible, only to provide the minimum exit movement required for any application, together with a quantity of filling liquid. relatively large. By way of explanation, it has been found that filling with wax alone tends to exhibit undesirable elasticity or compressibility which makes the functional characteristics of the driver less predictable. When a relatively large amount of a less compressible liquid, such as water, is added to the cavity of the actuator, the overall elasticity or compressibility is advantageously reduced significantly.
The figure ? shows in detail the. cooperation between the piston-seal system 24 and a hollow separable output member or tubular rod 18a which generally resembles the. rod 18 of figure 1, except that its outer diameter is strong enough to allow a sliding fit inside the tube 19 which will guide the manilre rod more pre-
<Desc / Clms Page number 12>
cise and will more certainly avoid any possibility of unilateral lifting of the piston-seal system by it.
The length 14 over which the rod and the upper part of the piston-seal system can slide ensures that they will not separate completely if the piston-seal system does not follow the movements of the rod at all times, such as when excessive pressure or manual operation of the valve lifted the valve stem independently.
Preferably, the compressed axial length of the elastic member (essentially the length 33) of the Elastic member 26 in Figure 2) is sufficient to prevent the piston-seal system from moving out of its concentric alignment with the. tubular control member which surrounds it. However, in an alternative construction such as that of flower 6, the elastic member 26 'may have a relatively reduced length and one of the end washers is replaced by an elongated hollow cylindrical member 28'. the outside diameter of which is slightly less than the inside diameter of the tube 19.
Spring 29 'and center tie pin 30' operate essentially as previously described in connection with the system of Figure 2, to maintain a good seal at all times - while element 28 'guides the system. 24 'to prevent misalignment of element 26' in snorkel 19.
The elastic elements of the piston-seal system are made of silicone rubber, synthetic material or rubber which is not affected by hydrocarbons (such as those of a filling (wax) and does not contain sulfur or other substances which would likely cause undesirable adhesion to the actuator tube (eg brass) at high temperatures.
When a high degree of tightness is desired between the tube of the control member and the elastic piston-seal system, a flexible sleeve t, res thin in a material can be provided around the periphery of the elastic member.
<Desc / Clms Page number 13>
relatively slippery like tetrafluoroethylene, or the friction can be reduced by coating the co-operating parts with mica, or by subjecting the elastic element to a surface treatment such as the so-called "LCR" treatment supplied by J. Royal Conpany, Barrington , Rhode Island, or alternatively by applying to the cooperating parts a fluorocarbon such as that sold by Du Pont Corporation under the trade name of "Vydaxar".
Although a coil spring has been chosen, to associate it with the piston-seal system, it can be replaced by other forms of elastic elements and, in some cases, the position of the end of the system can be reversed. piston-seal which carries the spring (o is .. that is to say that it can advance into the filling rather than extend towards the rod). Actuators applying these principles can of course be employed in fields other than the valve actuation specifically discussed herein.
Accordingly, although preferred practical embodiments of the invention have been illustrated and described herein, it should be understood that various modifications, additions and substitutions may be made thereto without departing from the principles applied and the appended claims. are intended to include all such variations within the true spirit and scope of the invention.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.