CH638873A5

CH638873A5 - Thermodynamischer stellantrieb.

Info

Publication number: CH638873A5
Application number: CH730479A
Authority: CH
Inventors: Hans Michael Mayer
Original assignee: Elektrowatt Ag
Priority date: 1979-08-09
Filing date: 1979-08-09
Publication date: 1983-10-14
Also published as: DE3028532A1; GB2057128A; JPS5654271A; GB2057128B; JPS6358780B2; SE8005212L; NL189423B; DE3028532C2; NL8004515A; NL189423C; FR2463297B1; SE441788B; FR2463297A1

Description

Die Erfindung betrifft einen thermodynamischen Stellantrieb mit einer gekapselten Kammer, welche Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, unter Wärmeeinwirkung verdampfendes Medium enthält und eine durch die Volumenänderung des Mediums bewegbare Wand aufweist, und mit Mitteln, um die Bewegung der beweglichen Wand auf ein Betätigungsglied zu übertragen.

Bekannte Stellantriebe dieser Art zeichnen sich durch eine sehr träge Reaktion auf Temperaturänderungen aus. Diese Trägheit lässt den Einsatz der bekannten Stellantriebe zur Betätigung von Regel ventilen wegen der langen Stellzeiten problematisch erscheinen.

Es ist zwar denkbar, die Trägheit der bekannten Stellantriebe dadurch zu verkleinern, dass man der Kammer, in der das Medium durch Übergang von der Flüssig- in die Dampfphase oder umgekehrt sein Volumen verändert, eine besonders rasch ansprechende und mithin eines erhöhten Energieaufwands bedürfenden Heiz- bzw. Kühleinrichtungen zuordnet.

Andererseits ist es eine bekannte Tatsache, dass sich mit Stellantrieben der eingangs genannten Art besonders grosse Stellwege erzielen lassen, bedenkt man, dass sich je nach dem verwendeten Medium und je nach Druckverhältnissen in der Kammer Volumenverhältnisse zwischen Flüssig- und Dampfphase von etwa 1:20 bis etwa 1:40 ergeben.

Ein Zweck der Erfindung ist daher darin zu sehen, einen Stellantrieb der eingangs genannte Art zu schaffen, dessen Ansprechtätigkeit besonders gering ist.

Dieser Zweck wird beim vorgeschlagenen Stellantrieb gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass die Kammer ein erster Teilraum einer durch die bewegliche Wand unterteilten Dose ist, deren zweiter, vom ersten Teilraum thermisch isolierterTeil-raum ebenfalls mit dem Medium gefüllt ist, wobei der Rauminhalt des ersten Teilraumes bei verflüssigtem Medium einem Bruchteil des Rauminhaltes des zweiten Teilraumes entspricht, und dass zwischen diesem und dem Betätigungsglied eine hydraulische Übertragungeinrichtung vorhanden ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben, in deren einzigen Figur ein schematischer Axialschnitt durch einen Stellantrieb gezeigt ist.

Der dargestellte Stellantrieb 10 weist ein Gehäuse 11 auf, in dessen oberem Bereich eine aus zwei Schalen 12,13 aufgebaute zylindrische Dose 14 angeordnet ist. In der Dose 14 ist ein aus einem thermisch schlecht leitenden und wärmeisolierenden Material hergestellter Kolben 15 verschiebbar gelagert und gegen die Innenwand der Dose 14 mit einem Kolbenring 16 abgedichtet. Der Kolben 15 teilt somit den Innenraum der Dose 14 in zwei Teilräume 17,18. Beide Teilräume sind mit einem Medium, z. B. Trichlor-Fluormethan gefüllt, das bei normaler Umgebungstemperatur flüssig und bei steigender Temperatur allmählich ganz in die Dampfphase übergeht. In der dargestellten Stellung ist das Medium flüssig, so dass der Rauminhalt des Teilraumes 17 nur einem kleinen Bruchteil des Rauminhaltes des Teilraumes 18 entspricht.

Der den Teilraum 17 überspannenden Schale 12, welche aus einem guten Wärmeleiter ist, ist einerseits eine elektrische Heizwicklung 19 und andererseits ein Satz Kühlbleche 20 zugeordnet. Schlitze 21 im Gehäuse 11 sorgen für eine Belüftung der Kühlbleche 20 durch die Umgebungsluft.

An der den Teilraum 18 umgebenden Schale 13 ist das eine Ende eines Verbindungsrohres 22 angeschlossen, dessen anderes Ende dicht in einer fest im Gehäuse verankerten Trennwand 23 verankert ist. An der dem Verbindungsrohr 22 abgekehrten Seite ist an der Trennwand 23 das eine Ende des Faltenbalges 24 befestigt, an dessen anderem Ende mittels einer Scheibe 26 das obere Ende eines Betätigungsgliedes 25 befestigt ist. Das in der Form eines Stössels ausgebildete Betätigungsglied ist durch eine nabenartige Durchführung 27 in der Mitte des das Gehäuse 11 abschiessenden Bodens 28 herausgeführt und steht unter der Wirkung einer Rückholfeder 27, die das Bestreben hat, das Betätigungsglied 25 in das Gehäuse 11 zu drängen und damit den Faltenbalg 24 zusammenzudrücken.

Der Faltenbalg 24 ist ebenfalls mit dem Medium gefüllt und steht über das Verbindungsrohr 22 mit dem Teilraum 18 in Verbindung.

Wenn - wie im vorliegenden Fall - die auf den Teilraum 18 wirksame Querschnittfläche des Kolbens 15 gleich gross wie die wirksame Querschnittfläche des Faltenbalges 24 ist, dann ist das Übersetzungsverhältnis zwischen den Hubbewegungen des Kolbens 15 und des Betätigungsgliedes 25 1:1.

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25

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638 873

Um in diesem Falle den Gleichlauf zwischen Kolben 15 und dem Betätigungsglied 25 möglichst hysteresefrei zu halten, ist zwischen dem beweglichen Ende des Faltenbalges 24 und der dem Teilraum 18 zugekehrten Seite des Kolbens 15 eine Abstandhalter-Stange 30-z. B. aus Glas, aus einem rostfesten Stahl oder aus einem anderen, eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Material-angeordnet, welche Stange 30 sich mit Spiel durch das Verbindungsrohr 22 erstreckt.

Wird der Heizwicklung 19 eine bestimmte Heizleistung- das Stellsignal - zugeführt, erhöht sich die Temperatur der Schale 12 und somit im Teilraum 17 so lange, bis die von den Kühlblechen 20 abgeführte Wärme der zugeführten Heizleistung entspricht. Durch diese Temperaturerhöhung verdampft ein Teil des Mediums im Teilraum 17, und dadurch wird der Kolben 15 gegen die Wirkung der Feder 29 nach unten gedrückt. Die Verdampfung des Fluidums im Teilraum 17 erfolgt dank dessen geringem Rauminhalt sehr rasch und hält so lange an, bis das Gleichgewicht zu der mit der Verschiebung des Kolbens 15 nach unten einhergehenden Druckzunahme im Teilraum 17 hergestellt wird.

Durch seine Abwärtsbewegung verdrängt der Kolben 15 aus dem Teilraum 18 Medium durch das Verbindungsrohr 22 hindurch und an der Stange 30 vorbei in den Faltenbalg 24, der sich dementsprechend ausdeht und seine Bewegung-wie gesagt-gegen die Wirkung der Feder 29 an das Betätigungsglied überträgt, das seinerseits an ein nicht dargestelltes Stellglied, z. B. ein Regelventil gekoppelt sein kann.

Erfährt die Zufuhr der Heizleistung eine Änderung, ändert sich die Temperatur im Teilraum 17 dementsprechend und entweder entsteht mehr Dampf oder ein Teil des Dampfes kondensiert wieder, bis das Gleichgewicht Druck/Temperatur 5 erneut hergestellt ist.

Es ist zu beachten, dass zweckmässig der Rauminhalt des -unbeheizten -Teilraumes 17 gerade so gross gewählt wird, dass die darin vorhandene Menge des Mediums ausreicht, um bei vollständiger Verdampfung den gewünschten Hub zu ergeben. 10 Dieser Hub kann allenfalls durch Anschläge am Betätigungsglied 25 und/oder am Kolben 15 begrenzt werden.

Der Raum zwischen der Schale 13 und der Trennwand 23 kann mit einem Wärmeisoliermaterial 31 ausgefüllt sein, damit die Temperaturschwankungen unterworfenen Teile des Stellantrie-15 bes möglichst gut von dessen übrigen Teilen thermisch isoliert sind.

Besonders trägheitsarm arbeitet der Stellantrieb dann, wenn der Bereich, in dem die Temperaturen im Teilraum 17 sich verändern, erheblich über der normalen Umgebungstemperatur 20 liegt. Dann nämlich erfolgt bei einer Verminderung der Heizleistung die Abkühlung im Teilraum 17 erheblich schneller. So mag der normale Temperaturbereich im Teilraum 17 zwischen 100 und ca. 180°Cliegen. Zur Aufrechterhaltung solcher Temperaturen im Teilraum 17 ist dank dessen geringem Rauminhalt nur 25 eine vergleichsweise geringe Heizleistung erforderlich.

Der dargestellte Stellantrieb kann in beliebiger Lage montiert werden. Es versteht sich, dass anstelle des Kolbens 15 auch eine Membrane oder ein Faltenbalg verwendet werden kann.

M

1 Blatt Zeichnungen

Claims

638 873 PATENTANSPRÜCHE

1. Thermodynamischer Stellantrieb mit einer gekapselten Kammer, welche Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, ein unter Wärmeeinwirkung verdampfendes Medium enthält und eine durch die Volumenänderung des Mediums bewegbare Wand aufweist, und mit Mitteln, um die Bewegung der beweglichen Wand auf ein Betätigungsglied zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer ein erster Teilraum (17) einer durch die bewegliche Wand ( 15) unterteilten Dose (14) ist, deren zweiter, vom ersten Teilraum (17) thermisch isolierter Teilraum (18) ebenfalls mit dem Medium gefüllt ist, wobei der Rauminhalt des ersten Teilraumes ( 17) bei verflüssigtem Medium einem Bruchteil des Rauminhaltes des zweiten Teilraumes entspricht, und dass zwischen diesem und dem Betätigungsglied (15) eine hydraulische Übertragungseinrichtung (22, 24) vorhanden ist.

2. Stellantrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet. dass die Dose ( 14) zylindrisch ist und durch einen verschiebbaren Kolben (15) oder einen Faltenbalg oder eine Membrane in die zwei Teilräume (17,18) unterteilt ist, wobei der zweite Teilraum (18) über eine Verbindungsleitung (22) mit einem mit dem Medium gefüllten, ausserhalb der Dose angeordneten Faltenbalg verbunden ist, der einerends ortsfest abgestützt ist und andernends an das unter der Wirkung einer Rückholfeder stehende Betätigungsglied (25) gekoppelt ist.

3. Stellantrieb nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dose ( 14), die Verbindungsleitung (22) und der ausserhalb der Dose angeordneten Faltenbalg (24) koaxial zueinander angeordnet sind.

4. Stellantrieb nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den zweiten Teilraum (18) wirksame Querschnittsfläche des Kolbens (15), des Faltenbalges oder der Membrane gleich gross wie die wirksame Querschnittsfläche des ausserhalb der Dose angeordneten Faltenbalges (24) ist.

5. Stellantrieb nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein einerends am Kolben (15), am Faltenbalg oder an der Membrane und andernends am andern Ende des ausserhalb der Dose angeordneten Faltenbalges (24) abgestützter Abstand-halter-Stab (30) vorgesehen ist, der mit Spiel durch die Verbindungsleitung (22) führt.

6. Stellantrieb nach einem der Patentansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben, (15) der Faltenbalg bzw. die Membrane aus einem thermisch schlecht leitenden Material besteht.

7. Stellantrieb nach Patentanspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (22) und der Abstandhal-ter-Stab (30) aus einem thermisch schlecht leitenden Material bestehen.

8. Stellantrieb nach einem den Patentansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Kolben (15), dem Faltenbalg bzw. der Membrane gegenüberliegende Wand des ersten Teilraumes (17) in Wirkverbindung mit einer Heizeinrichtung, z.B. einer elektrischen Heizwicklung (19), und mit einer Kühleinrichtung (20) steht.