DD139887A5

DD139887A5 - Betaetigungsvorrichtung fuer die verstellung eines beweglichen elements,insbesondere des verschlussstuecks eines ventils

Info

Publication number: DD139887A5
Application number: DD78208844A
Authority: DD
Inventors: Zbignew R Huelle; Leif Nielsen
Original assignee: Danfoss As
Priority date: 1977-11-03
Filing date: 1978-11-02
Publication date: 1980-01-23
Also published as: GB2008748B; FR2408049A1; DE2749252C3; JPS5477325A; AU4129078A; US4258899A; AU526657B2; FR2408049B1; DE2749252A1; US4318529A; SE7811365L; DE2749252B2; DK154579C; JPS5725751B2; IT7869514A0; CA1123404A; GB2008748A; CH640620A5; SE437422B; DK484678A

Description

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Betätigungsvorrichtung zur Verstellung beweglicher Elemente, insbesondere eines Ventilverschlußstückes

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungsvorrichtung für die Verstellung eines beweglichen Elementes, insbesondere, des Verschlußstückes eines Ventils, mit einem Arbeitsraum, der ein Ausdehnungsmedium,.eine· diesem Wärme zuführende oder entziehende Heiz- bzw« Kühlvorrichtung, eisen Eückmelde-Temperaturfühler und einen durch das Medium verlagerbaren, durch eine Gegenkraft belasteten, die Verstellung des beweglichen Elementes bewirkenden Wandabschnitt. aufweist, und mit einer Steuereinheit, die die Heiz- bzw« Kühlvorrichtung in Abhängigkeit von der rückgemeldeten Temperatur und wenigstens einer weiteren Funktion,;wie Soll-, wert_f Führungsgröße o. dgl», mit Strom versorgt*

Charakteristik: der bekannten technischen Lösungen

Bei einer bekannten Betätigungsvorrichtung dieser Art ist der Arbeitsraum mit einer Ausdehnungsflüssigkeit gefüllt und einseitig durch einen mit einem Ventilschaft verbundenen und durch eine Rückstellfeder belasteten Kolben abgeschlossen. Das Ventil dient der Temperaturregelung in Räumen» Die Steuereinheit versorgt einen Heizwiderstand in der Ausdehnungsflüssigkeit mit einem Strom, der von der rückgemeldeten Temperatur der Ausdehnungsflüssigkeit, der gemessenen Raumlufttemperatur und einem eingestellten Sollwert für

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die Raumlufttemperatur abhängt. Eine stärkere Ausdehnung der Flüssigkeit wird durch, erhöhte Beheizung, eine Zusammenziehung der Flüssigkeit durch Wärmeabgabe an die Umgebungsluft erzielt*

Derartige Betätigungsvorrichtungen arbeiten verhältnismäßig träge« Denn einerseits ist es zur Erzielung eines vorgegebenen Hubs des beweglichen Wandabschnitts erforderlich, eine bestimmte Menge der Ausdehnungsflüssigkeit um eine bestimmte Temperaturdifferenz zu erhitzen, was eine vorgegebene Wärmemenge erfordert; andererseits kann über den Heizwiderstand nur eine begrenzte Heizleistung zugeführt werden. Darüber hinaus kann auf die Stellung des beweglichen Elementes nur mittels dieser Beheizung eingewirkt werden. Wegen dieser großen Zeitkonstante ist auch, zumindest bei einfach aufgebauten Steuereinheiten, mit einem starken Überschwingen im Betrieb zu rechnen.

Ziel der Erfindung

Das.Ziel der Erfindung besteht darin, bewegliche Elemente, z.B. von Ventilen, Drosseln, schneller verstellen und eine Regelung effektiver vornehmen zu können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Betätigungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die rascher anspricht und sich daher besser in Regelkreise einbeziehen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindußgsgemäß dadurch gelöst, daß der Arbeitsraum mit einem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch gefüllt ist und daß die Steuereinheit so ausgelegt und die Gegenkraft so

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gewählt ist, daß der Wandabschnitt unter dem Einfluß des temperaturabhängigen Dampfdruckes im Arbeitsraum und der Gegenkraft GleichgewichtsStellungen einnimmt_β

Eine solche Betätigungsvorrichtung kann rascher arbeiten, weil die zu beheizende oder zu kühlende Flüssigkeit lediglich einen Teil des Arbeitsraumes einnimmt, weil bereits geringere Temperaturunterschiede ausreichen, um ausreichend große Druckunterschiede hervorzurufen und weil in vielen Fällen die Gegenkraft so klein gehalten werden kann, daß bereits kleine Druckunterschiede im Arbeitsraum zu ausreichenden Verlagerungen des Wandabschnittes führen_e Wegen der kleineren Zeitkonstante eignet sich die Betätigungsvorrichtung auch besser für den Einbau in Regelkreisen« Hinzu kommt noch, daß eine Verstellung nicht nur durch eine Druckänderung im Arbeitsraum, sondern auch durch eine Änderung der Gegenkraft möglich ist, was praktisch ohne Zeitverzögerung erfolgen kann»

Insgesamt ergibt,sich eine durch die Steuereinheit von Ferne einstellbare bzw«, steuerbare Betätigungsvorrichtung, die für viele-Zwecke, wie die Verstellung von Ventilen, Drosselklappen ο« dgl_e, brauchbar ist.

Mit besonderem Vorteil ist der verlagerbare Wandabschnitt durch eine flache Membran gebildet« Da der Hub einer solchen Membran verhältnismäßig klein ist, ändert sich im Betrieb die Größe des mit Dampf gefüllten Teils des Arbeitsraumes nur geringfügig« Dies bedeutet, daß nur eine sehr geringe Wärmeenergie zur Verdampfung bzw_o Kondensation von Dampf er-forderlich ist_s hierdurch wird die Ansprechgeschwindigkoit noch weiter erhöht*

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Ein solch kleiner Hub ergibt sich, auch, wenn eine flache Membran das Ventilverschlußstück bildet. Dies reicht in vielen Fällen aus, beispielsweise wenn ein Ventilsitz mit ausreichend großem Durchmesser verwendet wird, der in Verbindung mit dem kleinen Hub einen genügenden Durchtrittsquerschnitt definiert»

Eine andere Möglichkeit, mit einem kleinen Hub auszukommen und dadurch die Wärmeenergie für ein Verdampfen oder Kondensieren gering zu halten, besteht darin, daß das bewegliche Element das Verschlußstück eines Pilotventils ist_s das in Reihe mit einer Drossel liegt, und daß der Druckabfall an der Drossel einen durch eine Feder belasteten Kolben zur Verstellung des Verschlußstückes eines Hauptventils steuerte Diese Maßnahme läßt sich auch mit der Verwendung einer Membran als verlagerbarer Wandabschnitt kombinieren. Auf diese Weise können beispielsweise Flüssigkeitsventile mit vergleichsweise großen Strömungsmengen gesteuert werden»

Besonders günstig ist es hierbei, wenn die Gegenkraft wenigstens teilweise durch die den Kolben belastende Feder erzeugt wird« Diese Feder bewirkt nämlich eine interne Rückführung, so daß ein stabileres Verhalten erzielt wird_s ohne daß dies einen Eingriff in die Steuereinheit oder den Regelkreis erfordert*

Eine solche interne ßückführuag kann man auch bei einem Ventil mit umgekehrter Charakteristik erzielen, wenn die Gegenkraft durch einen das Pilotventil öffnenden Druck erzeugt wird und die den Kolben belastende Feder in Richtung des Dampfdruckes wirkte

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Günstig sind ferner solche Anwendungszwecke, bei denen die Gegenkraft zumindest teilweise durch, einen Druck erzeugt wirdj der von der Stellung des beweglichen Elementes abhangig ist. Hier kann durch den Arbeitsraum eine ^Druckrefereaz gebildet werden, die einen konstanten Wert beibehält, .während eine sehr rasche Regelung dadurch erfolgt, daß bei einer Xnderung des vom beweglichen Element abhängigen Druckes praktisch sofort eine Verstellung des beweglichen Elementes erfolgt,

Ausführungsbeispiele .

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung' dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläuterte Es zeigen?

Fig. 1s einen Querschnitt durch ein Flüssigkeitsventil mit der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung!

Fig. 2s "die Anwendung dieses Ventils bei einem mit Wasser gekühlten Kondensator}

Fig* 3* einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsfprm eines Flüssigkeitsventils j

Fig. 4s eine Anwendung des Ventils der Fig₉ 3;

Fig_c 3« den Querschnitt durch einen Teil eines weiteren Flüssigkeitsventils und

Fig, 6s im Querschnitt ein Ventil mit einer weiteren Ausführungsfora der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung*

Figo 1 zeigt ein Hauptventil I₈ das mittels eines Pilotyeatils 2 gesteuert \?irdj das,seinerseits von einer Betätigungsvorrichtung 3 abhängig ist*

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Das Hauptventil weist ein Gehäuse 4 mit Zuflußstutzen 5 und Abflußstutzen 6 sowie einem dazwischen liegenden Ventilsitz auf· Ein Verschlußstück 8 ist einstückig mit einem Kolben ausgebildet, der durch eine Feder 10 belastet ist. Diese Feder stützt sich an einer Platte 11 ab, die mit dem Verschlußstück 12 des Pilotventils gekoppelt ist« Dieses Verschlüßstück arbeitet mit einem Ventilsitz 13 zusammen, das einen Druckraum 14 mit einem Auslaßkanal 15 verbindet. In einem zugehörigen Einlaßkanal 16 ist eine Drossel 17 angeordnet. Die Strömung über.die Drossel 17 hängt von der öffnung des Pilotventils 2 ab_e Der Druckabfall an der Drossel 17 erzeugt eine Druckdifferenz, die von unten auf den Kolben 9 wirkt und diesen so weit nach, oben verschiebt, bis es infolge der Zusammendrüclamg der Feder 10 eine Gleichgewichtsstellung gibt.

Die Betätigungsvorrichtung weist in einer Kapsel 18 einen Arbeitsraum 19 auf, der zum Teil mit Flüssigkeit 20 und zum Teil mit Dampf 21 gefüllt ist. In dem Arbeitsraum befindet sich eine Heizvorrichtung 22 in der Form eines Heizwiderstandes und ein Rüclonelde-Temperaturfühler 23 in der Form eines MDC~Widerstandes. Diese beiden Elemente sind über isoliert durch den Kapselboden 24· herausgeführte Stifte 25 und entsprechende Leitungen 26 mit einer Steuereinheit 27 verbunden, die die Heizvorrichtung 22 in Abhängigkeit von dem Signal des Rückmelde-TemperaturfühXers 23? dem Signal eines äußeren Temperaturfühlers 28 und einem mittels Drehknopf 29.einstellbaren Sollwert mit Strom versorgte Der Arbeitsraum 19 ist unten durch einen verlagerbaren Wandabschnitt in der Form einer Membran 30 abgeschlossen. Diese, ist am Rand einge-. spannt und in der Mitte durch eine Platte 3I unterstützt· Die Platte wirkt unter Zwischenschaltung einer Wellrohrabdichtung 32 auf einen Schaft 33, der das Verschlußstück 12

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des Pilotventils 2 trägt. Über einen Stutzen 34 kann zusätzlich ein zusätzlicher Druck zugeführt werden.

Fig. 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel. Hier ist das Hauptventil 1 in eine Wasserzuleitung 35 geschaltet, die.sich als Rohrleitung_J36 i& einem Kondensator 37 fortsetzt. In eine Meßtasche 38, die in dem unteren Teil des Kondensators 37 vorgesehen ist, taucht der äußere Fühler 28. Gasförmiges Kältemittel wird über die Leitung 39 in den Kondensator eingeführt und flüssiges Kältemittel über die Leitung 40 abgeführt» Der Anschluß 34 steht zur Atmosphäre hin offen.

Damit ergibt sich die folgende Betriebsweise: Steigt die vom äußeren Fühler gemessene Kältemitteltemperatur t_& über den mit dem Knopf 29 eingestellten Sollwert, so erfolgt eine stärkere Beheizung der Heizvorrichtung 22, die mit einer nur kleinen Zeitverzögerung zu.einer Erhöhung des Dampfdruckes p_f im Arbeitsraum 19 führt. Diesem Druck steht einerseits die Kraft der Feder 10 und andererseits der in dem Anschluß 34 herrschende atmosphärische Druck p_a entgegen. Infolgedessen hat das Verschlußstück 12 des Pilotventils eine Gleich™ gewichtssteilungj die sich bei Erhöhung des Dampfdruckes p^ im Arbeitsraum 19 nach unten verschiebt. Hierbei reichen schon ganz geringe Verlagerungen, um den Druckabfall an der Drossel I7 wesentlich zu ändern, wodurch der Kolben 9 des Hauptventils.1 eine neue Stellung einnimmt, nämlich nach oben wandert. Hierdurch wird die Feder 10 zusammengedrückt und dadurch das Verschlußstück 12 und die Membran 30 nach oben verlagert, obwohl der Dampfdruck p_f gleich geblieben ist. Diese Rückführung vermindert ein überschwingen»

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Die Pig. 3 und 4· zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wird die Steuereinheit 27 zur Einstellung und Konstant haltung des Dampfdruckes p_f benutzt, der in diesem Fall einen Beferenzdruck bildet, während über den Anschluß 34· der Kondensatordruck p·- als Steuerdruck zugeführt wird. Das Ventil hat denselben Aufbau wie dasjenige der Pig. 1, weshalb auch durchgehend dieselben Bezugszeichen verwendet worden sind. Lediglich das Verschlußstück 12a des Pilotventils, das mit dem Ventilsitz 13a zusammenwirkt, arbeitet gegenläufig zu dem Pilotventil der Fig. 1* Bei steigendem Dampfdruck Pj, im Arbeitsraum 19 schließt das Pilotventil, bei steigendem ^Druck p_k öffnet das Pilotventil. Der Anschluß 34- ist mit dem" Dampf raum 4-1 des Kondensators 37 über eine Leitung 4-2 verbunden, um den Kondensatordruck p_k unterhalb der Membran 30 wirksam zu machen.„Bei dieser Sachlage entfällt der äußere Temperaturfühler 28.

Damit ergibt sich die folgende Betriebsweise: Steigt der Druck im Kondensator 37» steigt auch der Druck p^ am Anschluß 34-« Hierdurch wird das Pilotventil, ge öffnet. Das Verschlußstück 12a verlagert sich nach oben. Eine ganz geringe Verla-» gerong genügt, um den Druckabfall an der Drossel 17 wesentlich zu ändern, wodurch der Kolben 9 des Hauptventils eine neue Stellung einnimmt, nämlich nach oben wandert.

Bei der Ausführungsform der !ig. 5 entspricht das Hauptventil demjenigen der Fig. 1. Es ist daher lediglich die das Pilot-r ventil 2 verstellende Betätigungsvorrichtung 3b dargestellt. In diesem Fall befindet sich der Arbeitsraum 19b unterhalb der Membran 30b_f wodurch, ein steigender Dampfdruck p^. das Schließen des Pilotventils bewirkt. Die übrigen Teile entsprechen denjenigen der Fig. 1 und sind lediglich, weil sie

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eine andere Lage haben, mit dem Bezugszeichen b versehen· Diese Konstruktion kann, wenn der Anschluß 34b an dem Kondensator-Dampfraum 41 angeschlossen wird, in gleicher Weise wie die Ausführungsform der Pig» 3 arbeiten. Der Vorteil ist aber darin zu sehen, daß in gleicher Weise.wie in Fig. 1 eine Rückführung über die Feder 10 erfolgt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist ein Ventil 43 gezeigt, das in der Saugleitung einer Kälteanlage angeordnet werden kann, also von dampfförmigem Kältemittel durchströmt wird. Das Ventil 43 weist ein Gehäuse 44 mit einem ringför~ migen Einlaßkanal 45 und einem zentrischen Auslaßkanal 46 auf,.die durch einen Ventilsitz 47 voneinander getrennt sind. Eine auch als Verschlußstück dienende Membran 48 ist zwischen einem Flansch 49 am Gehäuse und einem Flansch 50 an einer Kapsel 51 befestigt. Letztere ist oben durch einen schalenförmigen Deckel 52 abgeschlossen. Die Kapsel 51» &&£ Deckel 52, eine Ringscheibe 53 und ein Balg 54 bilden einen Arbeitsraum 35* Dieser ist mit einem zweiphasigem Medium, die flüssige Phase_56 und eine Dampf-Phase 37 besitzt, gefüllt. Der Boden 58 des Balges 54 hat die Querschnittsgröße des Ventilsitzes 47 und liegt auf der Membran 48 auf«, Durch den Deckel 52 gehen drei Stifte,59. Eine Glasisolation 60 dient gleichzeitig als Dichtung. In der Flüssigkeitsphase ist als Heizvorrichtung 61 ein Heizwiderstand in der Form eines Wendeis aus Widerstandsdraht und als Rückmelde-Tempe? raturfühler 62 ein HDC-WIderstand angeordnet. Diese Elemente sind über die drei Stifte 59 und eine gehäusefeste Verbindung 63 sowie über Leitungen 64 mit einer Steuereinheit 65 verbunden. Diese weist einen Drehknopf 66 zur Einstellung eines Sollwertes für den im Arbeitsraum 55 herrschenden Dampfdruck p^ auf«

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Demzufolge herrscht im Arbeitsraum 55 ^ein konstanter Dampfdruck p_f, der auf die durch den Boden 58 bestimmte Druckfläche wirkt. In entgegengesetzter Richtung drückt der Yen-. dampferdruck ρ auf die äußere Ringfläche und - mit wesentlich geringerer Wirkung - der Saugdruck ρ auf die zentrische Kreisfläche der Membran 48. Hierbei stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein* Steigt der Verdampferdruck ρ , hebt sich die Membran 48 stärker.vom Ventilsitz 47 ab, so daß der Verdampferdruck wieder sinkt· Auf diese.Weise wird der Verdampferdruck annähernd konstant gehalten*

Das zweiphasige Füllmedium ist so gewählt, daß es beim Gleichgewichtszustand eine höhere Temperatur hat als das Kältemittel und als die ümgebungstemperatur» Wenn der Verdampferdruck erhöht werden soll, wird durch stärkere Beheizung die Teniperatur der flüssigen Phase 56 erhöht. Soll dagegen der Verdampferdruck gesenkt werden, kann die flüssige Phase 56 und die Dampfphase ^ durch Wärmeabgabe an das Kältemittel und. die Umgebungstemperatur eine geringere Temperatur annehmen, so daß der Dampfdruck p^ sinkt. Der so eingestellte Dampfdruck bleibt dann immer derselbe, gleichgültig wie weit das Ventil öffnen muß, um den gewünschten Verdampferdruck aufrechtzuerhalten·

Von den dargestellten Ausführungsbeispielen kann in vielfacher Hinsicht abgewichen werden, ohne den Erfindungsgedankea zu verlassen. Beispielsweise kann das Ventil der Fig. 1 auch für andere Flüssigkeiten wie Wasser, z_eB. Sole, oder auch für Gase verwendet werden« Die Steuereinheit kann auch noch weitere Abhängigkeiten berücksichtigen. Beispielsweise kann zum Zweck einer raschen Rückführung das Verschlußstück des Hauptventils in Fig. 1 mit einem den Hub rückmeldenden Weggeber versehen sein. Als Eüblvorriclitung kommen beispielsweise Pöltier-Elemeate in Betracht«

Claims

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1, Betätigungsvorrichtung zur Verstellung beweglicher Elemente, insbesondere eines Ventilverschlußstückes mit einem Arbeitsraum, der ein Ausdehnungsmedium, eine diesem Wärme zuführende oder entziehende Heiz- bzw. Kühlvorrichtung, einen Rückmelde-Temperaturfühler und einen durch das Medium verlagerbaren, durch eine Gegenkraft belasteten, die Verstellung des beweglichen Elementes bewirkenden Wandabschnitt aufweist, und mit einer Steuereinheit, die die Heiz- bzw. Kühlvorrichtung in Abhängigkeit von der rückgemeldeten Temperatur und wenigstens einer weiteren Funktion, wie Sollwert, Führungsgröße o· dgl., mit Strom versorgt, gekennzeichnet dadurch, daß der Arbeitsraum (19; 19b; 55) mit einem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch gefüllt ist und daß die Steuereinheit (27; 65) so ausgelegt und die Gegenkraft so gewählt ist, daß der Wandabschnitt (30? 30bj 4-8) unter dem Einfluß des temperaturabhängigen Dampfdruckes (p_f) im Arbeitsraum und der Gegenkraft Gleichgewichtsstellungen einnimmt* .

2. Betätigungsvorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der verlagerbare Wandabschnitt durch eine flache Membran (30; 30b; 48) gebildet ist«

3, Betätigungsvorrichtung nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine flache Membran (48) das Ventilverschlußstück bildet.

4. Betätigungsvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das bewegliche Element das Verschlußstück (12; 12a; 12b) eines Pilotventils (2) ist, das in Reihe mit einer Drossel (I7) liegt, und daß der Druckabfall an der Drossel einen durch eine Feder (10)

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belasteten Kolben (9) zur Verstellung des Verschlusstükkes (8) eines Hauptventils (1) steuert.

5· Betätigungsvorrichtung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch., daß die Gegenkraft wenigstens teilweise durch die den Kolben (9) belastende Feder (10) erzeugt wird.

6, Betätigungsvorrichtung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Gegenkraft durch einen das Pilotventil (2) öffnenden Druck (p,) erzeugt wird und die den Kolben (9) belastende Feder (10b) in Richtung des Dampfdruckes wirkt.

7· Betätigungsvorrichtung.nach einem der Punkte 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Gegenkraft zumindest teilweise durch einen "^ruck (ρ ) erzeugt wird, der von der Stellung des beweglichen Elementes abhängig ist.