CH622366A5

CH622366A5 - Device for regulating the temperature of a fluid

Info

Publication number: CH622366A5
Application number: CH544077A
Authority: CH
Inventors: Horst Mall; Richard Kaeser
Original assignee: Karlsruhe Augsburg Iweka
Priority date: 1976-05-07
Filing date: 1977-05-02
Publication date: 1981-03-31
Also published as: GB1583158A; NL7704960A; DE2620230A1; FR2350641A1; DK200277A; IT1086186B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines Fluides, welche einen Temperaturfühler, einen Stellantrieb und eine Übertemperatursicherung aufweist, wobei der Temperaturfühler und der Stellantrieb mit einer 35 Ausdehnungsflüssigkeit gefüllt sind und hydraulisch miteinander in Wirkverbindung stehen und wobei die Übertemperatursicherung aus einem Druckgefäss mit nachgiebiger Trennwand zwischen Ausdehnungsflüssigkeit und einem unter Druck stehenden Gas gebildet ist. 40 The invention relates to a device for regulating the temperature of a fluid, which has a temperature sensor, an actuator and an overtemperature fuse, the temperature sensor and the actuator being filled with an expansion fluid and hydraulically in active connection with one another, and wherein the overtemperature fuse from a pressure vessel with flexible Partition between the expansion liquid and a gas under pressure is formed. 40

Übertemperatursicherungen für Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art sind seit langem bekannt. Sie haben die Aufgabe, die zugehörigen Thermostatsysteme beim Auftreten zu hoher Innendrücke vor Zerstörung zu bewahren. Indirekt schützen sie damit auch die zu regelnde Anlage. Eine bekannte 45 Übertemperatursicherung besteht beispielsweise aus einer Stehlfeder, welche mit ihrer Kraft auf die Querschnittsfläche eines Verstellschlauches wirkt. Sie gestattet jedoch nur Übertemperaturen in der Grössenordnung von etwa 15-30° C. Ein derartiger Übertemperaturbereich ist unter den derzeit üblichen 50 und insoweit auch erforderlichen Geräte- bzw. Anlagen-Einsatzbedingungen nicht ausreichend. Bei höheren Temperaturen des Heizmediums verringert sich sogar der Übertemperaturbereich noch, weil der Verstellschlauch neben der Übertempera-turbelastung auch durch die Einstellung auf höhere Sollwerte 55 belastet wird. Overtemperature protection devices for devices of the type mentioned have been known for a long time. Their task is to prevent the associated thermostat systems from being destroyed if the internal pressure is too high. This also indirectly protects the system to be controlled. A known overtemperature protection consists, for example, of a standing spring, which acts with its force on the cross-sectional area of an adjustment hose. However, it only permits excess temperatures in the order of magnitude of approximately 15-30 ° C. Such an excess temperature range is not sufficient under the currently usual 50 and, in this respect, also required device or system operating conditions. At higher temperatures of the heating medium, the overtemperature range is even reduced because the adjustment hose is not only subjected to the overtemperature load, but also due to the setting to higher setpoints 55.

Die DT-PS 865 831 hat sich unter Berücksichtigung der den bekannten Thermostatausbildungen anhaftenden Nachteile die Aufgabe gestellt, eine demgegenüber vorteilhaftere Übertemperatursicherung zu schaffen. Die danach vorgeschlagene Über- w temperatursicherung ist als Balg-Druckspeicher ausgebildet. Bei dieser Sicherheitseinrichtung vermögen z.B. unter Druck-und/oder Bewegungs-Belastung Volumenänderungen im Balg aufzutreten. Diese haben ihre Ursache in der Eigenelastizität der Balgwandungen ; die Volumenänderungen vergrössern .0 dabei in unerwünschter Weise die Gesamtelastizität des Thermostaten. Bei Einbau eines derartigen Druckspeicher-Balges in einen Thermostatfühler wird ersterer bei Temperaturerhöhungen mitaufgeheizt, wodurch sich infolge der Erhöhung des Gasdruckes eine weitere unerwünschte Volumenänderung ergibt. Da die vorgeschlagene Übertemperatursicherung, nicht zuletzt wegen ihres beschränkten Bauvolumens, nur einen unwesentlich grösseren Übertemperaturbereich - etwa 20-40° C—zu erreichen vermag, kann sie der erwähnten Aufgabenstellung nicht gerecht werden. Taking into account the disadvantages inherent in the known thermostat designs, the DT-PS 865 831 has set itself the task of creating an overtemperature protection that is more advantageous in comparison. The excess temperature protection proposed according to this is designed as a bellows pressure accumulator. With this safety device, e.g. changes in volume occur in the bellows under pressure and / or movement. These are due to the inherent elasticity of the bellows walls; the volume changes undesirably increase the overall elasticity of the thermostat. When installing such a pressure accumulator bellows in a thermostat sensor, the former is also heated when the temperature rises, which results in a further undesirable change in volume due to the increase in gas pressure. Since the proposed overtemperature protection, not least because of its limited construction volume, can only reach an insignificantly larger overtemperature range - about 20-40 ° C - it cannot do justice to the task mentioned.

Die sich auf die Ausbildung eines Thermostaten beziehende DT-PS 1 233 644 geht von der Erkenntnis aus, dass ein Metall-federbald, welcher einerseits von Druckgas und andererseits vom Ausdehnungsmittel beaufschlagt wird, die nicht wünschenswerte Eigenschaft der Volumenänderung hat, wenn sich der Differenzdruck zwischen Aussen- und Innenseite des Metallfederbalges ändert, wodurch letztlich die Gesamt-Elastizität des Thermostaten in ebenfalls unerwünschter Weise eine Ver-grösserung erfährt. Die der genannten Druckschrift zugrunde liegende Erfindungsaufgabe bezweckt demgemäss, derartige Nachteile zu beseitigen und ausserdem das Sicherheitsorgan zu vereinfachen. Die Erfindung nach dieser Patentschrift besteht deshalb folgerichtig darin, dass die zwischen dem Ausdehnungsmittel und dem Druckgas vorgesehene nachgiebige Trennwand durch eine Flachmembran, vorzugsweise Metallmembran, einer flachen Membrandose verkörpert ist, die im Inneren des Druckgasbehälters angeordnet und durch einen Kanal oder eine Leitung mit dem Inneren des Ausdehnungsmittel-Behälters verbunden ist, und dass die Flachmembran im zulässigen Arbeitsdruckbereich des Ausdehnungsmittels an der gegenüberliegenden Wand der Membrandose anliegt. DT-PS 1 233 644, which relates to the formation of a thermostat, is based on the knowledge that a metal spring balancer, which is acted upon on the one hand by compressed gas and on the other hand by the expansion medium, has the undesirable property of volume change if the differential pressure between Changes the outside and inside of the metal bellows, which ultimately also increases the overall elasticity of the thermostat in an undesirable manner. The object of the invention on which the cited publication is based is accordingly intended to eliminate such disadvantages and also to simplify the security organ. The invention according to this patent therefore consistently consists in the fact that the flexible partition provided between the expansion agent and the compressed gas is embodied by a flat membrane, preferably a metal membrane, a flat membrane box, which is arranged inside the compressed gas container and through a channel or a line with the inside of the expansion agent container is connected, and that the flat membrane lies in the permissible working pressure range of the expansion agent on the opposite wall of the membrane box.

Die Aufgabenstellung für diesen Vorschlag ist von hier weniger interessierendem Belang, da das Hauptaugenmerk auf das Problem der Elastizität des Thermostaten gerichtet ist, jedoch ist der Übertemperaturbereich auch bei dieser Lösung klein. The task for this proposal is of less interest here, since the main focus is on the problem of the elasticity of the thermostat, but the overtemperature range is also small with this solution.

Die dem Vorschlag zufolge vorgesehene Flachmembran erlaubt durch ihre Formgebung nur eine relativ geringe Volumenaufnahme bei vertretbaren Abmessungen. Die Volumenaufnahme entspricht auch in diesem Falle nur relativ geringen Übertemperaturen. So erlaubt eine nach dem Vorschlag hergestellte Flachmembran bei einem baulich vertretbaren Durchmesser von ca. 50 mm lediglich eine Übertemperatur von etwa 10° C. Bei geringfügig grösseren aufzunehmenden Volumen wird die Fliessgrenze des Membran-Werkstoffes überschritten, die Membran mithin einer bleibenden Formveränderung unterworfen, was schliesslich zu deren Unbrauchbarkeit führt. Due to its shape, the flat membrane provided according to the proposal allows only a relatively small volume absorption with acceptable dimensions. In this case, too, the volume intake corresponds to only relatively low excess temperatures. For example, a flat membrane manufactured according to the proposal, with a structurally justifiable diameter of approx. 50 mm, only allows an excess temperature of approx. 10 ° C. If the volume to be absorbed is slightly larger, the flow limit of the membrane material is exceeded, and the membrane is therefore subjected to a permanent change in shape, which ultimately leads to their uselessness.

Dieser Membran-Druckspeicher hat im übrigen auch den Nachteil, dass der zum Erzielen eines ausreichenden Übertem-peraturvolumens notwendige Membran-Durchmesser zu unvertretbar grossen Bauvolumen führt; die unabdingbare Druckfestigkeit des Membran-Gehäuses erhöht den baulichen Aufwand weiter. Auch wird bei Überdehnung derartiger Membranen, welche bei den relativ geringen zulässigen Übertemperaturen praktisch unvermeidbar sind, ein zusätzliches Volumen erzeugt. Hierdurch wird der Sollwert in Richtung auf höhere Werte verschoben. Es liegt demgemäss auf der Hand, dass derartige Übertemperatursicherungen für den praktischen Anwendungsfall, insbesondere bei höheren Heizmitteltemperaturen, unbrauchbar sind. This diaphragm pressure accumulator also has the disadvantage that the diaphragm diameter required to achieve a sufficient excess temperature leads to an unacceptably large construction volume; the indispensable pressure resistance of the membrane housing further increases the structural effort. An additional volume is also generated when such membranes are overstretched, which are practically unavoidable given the relatively low permissible excess temperatures. This shifts the setpoint towards higher values. It is therefore obvious that such overtemperature protection devices are unusable for practical use, in particular at higher heating medium temperatures.

Angesichts der im Vorstehenden beschriebenen Mängel und Nachteile bei den teils bekannten und teils vorgeschlagenen Thermostaten, bei denen die zulässigen Übertemperaturen in der Regel nicht höher als 20—40° C sind, hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, einen Thermostaten ohne Hilfskraft zu schaffen, welcher, gemessen an den bekannten bzw. vorgeschlagenen Thermostat-Systemen, die Aufnahme wesentlich höherer Übertemperaturen ohne jegliche Beeinträchtigung der Betriebssicherheit und Lebensdauer gewährleistet. Die Übertemperatursicherung soll dabei einen vergleichsweise ge In view of the shortcomings and disadvantages described above in the partly known and partly proposed thermostats, in which the permissible excess temperatures are generally not higher than 20-40 ° C., the present invention has set itself the task of creating a thermostat without an assistant , which, measured on the known or proposed thermostat systems, ensures the absorption of significantly higher excess temperatures without any impairment of operational safety and service life. The overtemperature protection should be a comparatively ge

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ringen Bauraum beanspruchen und zudem auch kostengünstig und baulich einfach sein. rings take up space and also be inexpensive and structurally simple.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch, dass die im Druckgefäss eingesetzte Trennwand aus einer auf Biegung beanspruchten Membran aus einer gasdichten Kunststof- < folie besteht, die mit einer in den Gasraum des Druckgefässes hineindrückbaren, wellenförmig profilierten Ausstülpung versehen ist. This object is achieved according to the invention in that the partition wall used in the pressure vessel consists of a membrane which is subjected to bending and consists of a gas-tight plastic film which is provided with an undulating profiled protuberance which can be pressed into the gas space of the pressure vessel.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die in der Trennwand angebrachte Ausstülpung zum Zentrum der Trennwand hin in m eine ringförmige Vertiefung übergeht, und dass die Trennwand mit ihrem Rande zwischen Druckgefäss und einem Deckel gasdicht eingespannt ist. It can be provided that the protuberance in the partition merges into an annular recess in the center of the partition and that the edge of the partition is clamped gas-tight between the pressure vessel and a cover.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der am Druckgefäss angebrachte Deckel, welcher den Bereich der in einer Sollwert- i -Reguliereinrichtung untergebrachten Ausdehnungsflüssigkeit begrenzt, im wesentlichen der geometrischen Form der eingesetzten, nachgiebigen Trennwand entspricht, welche bei Normalbetrieb an der Innenwandung des Deckels anliegt. It is preferably provided that the cover attached to the pressure vessel, which limits the area of the expansion liquid accommodated in a setpoint-i regulating device, corresponds essentially to the geometric shape of the flexible partition used, which rests on the inner wall of the cover during normal operation.

In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungs- 20 beispiel dargestellt. Dabei zeigt In the drawing, the invention is shown in an exemplary embodiment. It shows

Fig. 1 einen Temperatur-Regler mit einer in einem Gehäuse angeordneten Sollwert-Reguliereinrichtung sowie einem Druckgefäss, und 1 shows a temperature controller with a setpoint regulating device arranged in a housing and a pressure vessel, and

Fig. 2 eine im Druckgefäss eingesetzte Trennwand. Fig. 2 is a partition used in the pressure vessel.

In Fig. 1 ist in einem Gehäuse 2 eine Sollwert-Regulierein-richtung 3 sowie ein Druckgefäss 4 angeordnet. Das Innere dieses Gefässes, in welchem sich eine als nachgiebige Trennwand 1 ausgebildete Membran befindet, ist mit einem unter bestimmten statischen Druck stehenden gasförmigen Medium 5,30 wie etwa Stickstoff, gefüllt. Der das Druckgefäss 4 verschlies-sende Deckel 6 ist mit einem Gewinde-Nippel 7 in das Gehäuse 3 a der Sollwert-Reguliereinrichtung 3 eingeschraubt. Die Membran 1 ist mit ihrem Aussenumfang ld zwischen dem Deckel 6 und dem Druckgefäss 4 gasdicht eingespannt. 35 In FIG. 1, a setpoint regulating device 3 and a pressure vessel 4 are arranged in a housing 2. The interior of this vessel, in which there is a membrane designed as a flexible partition 1, is filled with a gaseous medium 5, 30, such as nitrogen, which is under a certain static pressure. The cover 6, which closes the pressure vessel 4, is screwed into the housing 3a of the setpoint regulating device 3 with a threaded nipple 7. The outer circumference of the membrane 1 is clamped gas-tight between the cover 6 and the pressure vessel 4. 35

In der Sollwert-Reguliereinrichtung 3 sind ein Zylinder 3b sowie ein beim Einstellen des Sollwertes auf die Flüssigkeit 3c wirkender Kolben 3e angeordnet, welcher sich mittels der Einstellhandhabe 3d manuell verstellen lässt. Der Zylinder 3b ist einerseits über ein Kapillarrohr 8 mit einem Temperaturfühler 9 40 und andererseits über ein Kapillarrohr 8a mit einem Ventilstellantrieb 10 verbunden. Im Zylinder 3b befindet sich ferner eine Bohrung 3f, durch welche die Flüssigkeit 3c bei auftretendem Überdruck gelangt, um die Aussenseite der Membran 1 zu beaufschlagen. 45 A cylinder 3b and a piston 3e which acts on the liquid 3c when the setpoint is set and which can be manually adjusted by means of the setting handle 3d are arranged in the setpoint regulating device 3. The cylinder 3b is connected on the one hand via a capillary tube 8 to a temperature sensor 9 40 and on the other hand via a capillary tube 8a to a valve actuator 10. In the cylinder 3b there is also a bore 3f through which the liquid 3c passes when excess pressure occurs in order to act on the outside of the membrane 1. 45

Die in Fig. 2 dargestellte, aus einer praktisch gasundurchlässigen Kunststoff-Folie bestehende und als nachgiebige Trennwand 1 ausgebildete Membran weist mindestens eine wellenförmige Ausstülpung la auf, welche nach Übergang zum Zentrum 1 b hin dort mit einer konzentrisch verlaufenden ring- und/oder 50 rinnenförmigen Vertiefung lc versehen ist. The membrane shown in FIG. 2, which consists of a practically gas-impermeable plastic film and is designed as a flexible partition 1, has at least one undulating protuberance la, which after transition to the center 1b there with a concentrically running annular and / or 50 channel-shaped Depression lc is provided.

Dem Flüssigkeits-Thermostaten nach Fig. 1 mit der nachgiebigen Trennwand nach Fig. 2 liegt folgende Arbeitsweise zu Grunde: The liquid thermostat according to FIG. 1 with the flexible partition according to FIG. 2 is based on the following procedure:

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Die im Temperaturfühler 9 befindliche Flüssigkeit dehnt sich mit dessen Erwärmung aus. Sie gelangt durch das Kapillarrohr 8a in den Ventil-Stellantrieb 10. In diesem bewegt sie infolge der bei Erwärmung erzielten Ausdehnung die Ventilstange 10a und drosselt bzw. schliesst gänzlich ein - nicht dargestelltes - Ventil. Kühlt der Temperaturfühler 9 und damit auch die in diesem befindliche Fühlerflüssigkeit ab, öffnet über die Ventilstange 10a das - nicht dargestellte - Ventil wieder. The liquid in the temperature sensor 9 expands as it heats up. It reaches the valve actuator 10 through the capillary tube 8a. In this valve actuator, due to the expansion achieved when it is heated, it moves the valve rod 10a and completely throttles or includes a valve (not shown). If the temperature sensor 9 cools down and thus also the sensor liquid located in it, the valve (not shown) opens again via the valve rod 10a.

Das Einstellen des Sollwertes auf die gewünschte Temperatur erfolgt durch einmaliges axiales Verstellen des Kolbens 3e mittels der Einstellhandhabe 3d. Wird diese verdreht, vergrös-sert sich, beispielsweise durch Verschieben des Kolbens 3e das Volumen des Zylinders 3b, so dass vom Ventilstellantrieb 10 aus mehr Flüssigkeit in den Zylinder gelangen kann und somit das angeschlossene Ventil öffnet. Der der Flüssigkeit innewohnende Druck wirkt zugleich über die Bohrung 3f auf die Aussenseite der Membrane 1, welche dabei infolge des Druckes des gasförmigen Mediums 5 in ihrer Ausgangsstellung verbleibt. Beim Drehen der Einstellhandhabe 3d in nunmehr umgekehrter Richtung wird der Sollwert dementsprechend auf eine niedrigere Temperatur eingestellt. The setpoint value is set to the desired temperature by one-time axial adjustment of the piston 3e by means of the adjustment handle 3d. If this is rotated, the volume of the cylinder 3b increases, for example by displacing the piston 3e, so that more liquid can get into the cylinder from the valve actuator 10 and thus open the connected valve. The pressure inherent in the liquid also acts via the bore 3f on the outside of the membrane 1, which remains in its initial position due to the pressure of the gaseous medium 5. When the adjustment handle 3d is turned in the opposite direction, the setpoint is accordingly set to a lower temperature.

Bei dem Flüssigkeits-Thermostaten nach Fig. 1 wirkt nun einerseits der Druck des gasförmigen Mediums 5, wie etwa Stickstoff, im Druckgefäss 4 und andererseits der Druck der Fühlerflüssigkeit des Temperaturfühlers 9. Wird nun trotz geschlossenem Ventil vom Temperaturfühler 9 ein weiteres Ansteigen der über den Sollwert eingestellten Temperatur registriert, so dass eine Übertemperatur am Temperaturfühler entsteht, wird dessen damit verbundene Volumenzunahme - ohne dass eine Verschiebung des Kolbens 3e der Sollwert-Regulier-einrichtung 3 erfolgt - durch das Druckgefäss 4 aufgenommen, indem eine der Volumenzunahme entsprechende Lagever-änderung der Membran 1 erfolgt. Auf diese Weise wird ein unzulässiges Ansteigen des Innendruckes im Hydrauliksystem mit Sicherheit verhindert. Beim Nachlassen der durch den Temperaturfühler 9 registrierten Übertemperatur geht die Membran 1 - wiederum ohne jegliche Lageveränderung des Kolbens Sein ihre Ausgangslage zurück, wobei die Füllflüssigkeit wieder in das wirksame Hydrauliksystem zurückgespeist wird. 1 now acts on the one hand the pressure of the gaseous medium 5, such as nitrogen, in the pressure vessel 4 and on the other hand the pressure of the sensor liquid of the temperature sensor 9. If the valve is closed by the temperature sensor 9, a further increase in the over the Setpoint value set temperature registered so that an excess temperature arises at the temperature sensor, its associated increase in volume - without the piston 3e of the setpoint regulating device 3 being displaced - is absorbed by the pressure vessel 4 by a change in position corresponding to the increase in volume Membrane 1 takes place. In this way, an inadmissible increase in the internal pressure in the hydraulic system is reliably prevented. When the excess temperature registered by the temperature sensor 9 subsides, the membrane 1 returns to its starting position, again without any change in the position of the piston, the filling liquid being fed back into the effective hydraulic system.

Diese Vorrichtung eignet sich für Medien wie Flüssigkeit, Dampf, Gas oder dgl. This device is suitable for media such as liquid, steam, gas or the like.

Mit der beschriebenen Vorrichtung geht eine Reihe von Vorteilen einher, deren wichtigster darin zu sehen ist, dass die Übertemperatursicherung mit der aus einer Kunststoff-Folie bestehenden, nachgiebigen Trennwand hydraulisch Übertemperaturen aufnehmen kann, welche etwa bis zu 150° C oberhalb der am Temperaturfühler jeweils eingestellten Sollwert-Temperatur liegen. Hierdurch wird die Betriebssicherheit der Flüssig-keitsthermostate selbst, als auch damit der Schutz vor Überhit-zung der nachfolgenden Anlage entscheidend verbessert. Zugleich lässt sich dadurch die Anwendungsbreite dieser Geräte auch auf Anlagen mit sehr hohen Heizmitteltemperaturen ausdehnen. Bei Regelstrecken, welche nur kleine Zeitkonstanten aufweisen, so etwa Durchlauferhitzer mit grosser Heizflächendichte, stehende Dampf-Wärmeaustauscher mit kondensatseiti-ger Regelung u. a. m., lässt sich unter Anwendung der erläuterten Vorrichtung nun ebenfalls ein optimaler Anlagenschutz erreichen. The device described has a number of advantages, the most important of which can be seen in the fact that the overtemperature protection can hydraulically absorb overtemperature with the flexible partition made of a plastic film, which is approximately up to 150 ° C above that set on the temperature sensor Setpoint temperature. As a result, the operational safety of the liquid thermostats themselves, as well as the protection against overheating of the subsequent system, are decisively improved. At the same time, the range of applications for these devices can also be extended to systems with very high heating medium temperatures. In the case of controlled systems which have only small time constants, such as instantaneous water heaters with a large heating surface density, standing steam heat exchangers with condensate-side control and the like. a. m., optimal system protection can now also be achieved using the described device.

Aufgrund einfachen Aufbaus und geringen Bauvolumens ist die vorgeschlagene Lösung zudem auch weitaus preiswerter als die bekannten Lösungen. Because of its simple structure and small construction volume, the proposed solution is also far cheaper than the known solutions.

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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(1) is formed between the expansion liquid (3c) and a pressurized gas (5), characterized in that the partition wall (1) used in the pressure vessel (4) consists of a membrane that is subjected to bending and consists of a gas-tight plastic film, which contains a wave-shaped protuberance (la) which can be pushed into the gas space (5) of the pressure vessel (4) is provided. 15

1. Device for regulating the temperature of a fluid, which has a temperature sensor (9), an actuator (10) and an overtemperature fuse (1,4), the temperature sensor (9) and the actuator (10) having an expansion? Liquid (3c) are filled and hydraulically in operative connection with each other and the overtemperature protection from a pressure vessel (4) with a flexible partition

2. Device according to claim 1, characterized in that

that the protuberance (la) attached in the partition (1) merges into an annular recess (lc) towards the center (lb) of the partition, and that the partition (1) with its edge (ld) between the pressure vessel (4) and a Cover 20 (6) is clamped gas-tight.

3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that the lid (6) attached to the pressure vessel (4), which covers the area of the expansion liquid (3c) accommodated in a setpoint regulating device (3) limits, essentially corresponds to the geometric shape of the flexible partition (1) used, which bears against the inner wall of the cover (6) during normal operation.