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Vorrichtung zur Erzeugung von Schubbewegungen mittels elektrisch
beheizbarer Ausdehnungsmedien Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung
von 80hubbewegungen mittels eines elektrisch beheizbaren, in einem abgeschlossenen
Raum auf einen Antriebskolben wirkenden Ausdehnungsmediums, dessen in Äbhängigkeit
von der Temperatur hervorgeru#enen Volumenänderungen entsprechende Verschiebungsbewegungen
einer mit dem Antriebskolben verbundenen, aus dom
abgeschlossenen
Raum nach außen geführten Kolbenstange bewirken. Vorzugsweise bezieht sich die Erfindung
auf die vielfach auch als Wärmemotoren oder Thermomotoren bekannten Vorrichtungen
dieser Art, welche zur Betätigung von Schalt- und Regelventilen, Klappenventilen,
Ventilschiebern dienen, die in Abhängigkeit von der Stellung des Antriebskolbens
geöffnet oder geschlossen werden sollen. Dabei wird meistens mit einem flilssigen
Medium gearbeitet, dessen Wärmedehnung bzw. Volumenvergrößerung die gewünschte Antriebskraft
erzeugt. Es sind aber auch Verfahren bekannt, bei denen verdampfbare Flüssigkeiten
oder auch gasförmigen Medien verwendet werden.
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Ollen bisher bekannten Wärme- oder Thermomotoren haftet der Nachteil
an, daß die vorzugsweise in rora von Federrohrbalgen mit Balgböden ausgebildeten
Antriebskolben unter der Wirkung des Ausdehnungsmediums den angetriebenen Teil des
Regelobjektes immer nur in die eine oder andere Endstellunge bewegen, dagegen Zwischenstellungen
nicht zulassen. Dieser Mangel ist besonders unerwünscht bei der Betätigung von Regelventilen
od. dgl., die von einet solchen Wärmemotor entweder vollständig geöffnet oder vollständig
geschlossen
werden, aber nicht auf mehr oder weniger große Durchlassöffnungen eingestellt werden
können.
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Der Verwendungsbereich dieser Wärmemotoren war daher praktisch auf
reine AUF-ZU- Ventile beschränkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Yorrichtungen zur Erzeugung
von Schubbewegungen mittels elektrisch beheizbarer Ausdehnungsmedien zu schaffen,
die eine Einstellung der Regelobjekte auch auf beliebige Zwischenwerte zwischen
den Endstellungen rmöglichen und daher besonders zur Betätigung von Ventilen aller
Art geeignet sind, bei denen eine solche Zwischenregelung erforderlich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst,
daß in dem Heizstromkreis der elektrischen Beheizung des Ausdehnungsmediums ein
Unterbrecherkontakt angeordnet ist, der mindestens von einem mit der Kolben- bzw.
Ventilbetätigungastange nachgiebig gekuppelten, zwischen zwei ortsfesten Anschlägen
spielenden Schaltglied betätigbar ist. Dieses Schaltglied bewirkt eine Öffnung des
Unterbrecherkontaktes und damit eine Abschaltung des Heizstromes, wenn sich das
Volumen des Ausdehnungsmedium. um ein bestimmtes Maß vergrößert und die Kolben-
bzw. Ventilstange
entsprechend vorgeschoben hat, und umgekehrt
eine Schließung des Unterbrecherkontaktes und damit eine Wiedereinschaltung des
Ueizstromes, wenn sich das Volumen des Ausdehnungsmediums durch die Abkühlung um
ein bestimmtes Maß verringert hat, wodurch die Kolben-bzw. Ventilstange entsprechend
zurückgezogen worden ist. Die Rückführung der Kolben- bzw. Ventilstange erfolgt
zweckmäßig in an sich bekannter Weise unter der Wirkung einer Rückstellfeder, die
den Arbeitskolben oder Arbeitsbalg in den abgeschlossenen Behälter des iusdehnungsmediums
zurückdrückt. Dieses Spiel wiederholt sich ständig und führt dazu, daß die Kol.
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ben- bzw. Ventilstange zwar fortwährend kleine aufwärts und abwärts
bzw. vorwärts und rückwärts verlaufende Hubbewegungen vornimmt, dabei aber nur um
die jeweils eingestellte Mittellage pendelt, die dem gewünschten Zwischenwert des
Regelbereiches entspricht.
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Das nachgiebig mit der Kolben- bzw. Ventilstange gekuppelte Sohaltglied
besteht gesäß einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung aus einem
reibungsschlüssig mit der Kolben- oder Ventilstange verbundenen Klemmkörper, beispielsweise
einer federnd an diese Stange angedrückten Schalthülse, die einen zwischen den ortsfesten
Anschlägen beweglichen
Schaltstift trägt. Dieser Schaltstift kann
auf das freie Ende eines federnden Kontakthebels einwirken und denselben von seinem
Gegenkontakt abheben, um den Heizstromkreis zu unterbrechen. Die Lage der ortsfesten
Anschläge, welche die Hubbewegungen des Schaltgliedes in beiden Richtungen begrenzen,
aber eine weitere Verschiebung der Kolben- oder Ventilstange unter tberwindung der
Reibungskraft gestatten, kann vorzugsweise willkürlich verändert werden, um Jede
gewünschte Zwischenstellung des rärmemotoru und damit des zu verstellenden objektes
einatellen zu können. Ein Regelventil kann auf diese Weise von dem Wärmemotor in
einer bestimmten Öffnungsstellung gehalten werden, ohne dass die sonstige, zuverlässige
und sichere Arbeitsweise eines solchen Antriebes beeinträchtigt wird.
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Um daß Öffnen und Schließen des elektrischen Kontaktschalters auch
unabhängig von der Tätigkeit des Schaltgliedes vornehmen zu können, kann in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung eine willkürlich zu betätigende Steuerung vorgesehen
werden, die entweder direkt auf den Kontakthebel des Unterbrechen einwirkt oder
den Heizstromkreis über einen mehrpoligen Kontaktechalter auf die gewünschte Arbeitsweise
einstellt Diese und weitere Erfindungsmerkmale sind nachstehend näher beschrieben.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen
beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen: Fig. 1 in einem schematischen Längsschnitt
ein Regelventil mit einer thermischen Antriebsvorrichtung und einem in seiner Mittelstellung
befindlichen Steuergestänge, Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Fig. 1 mit dem Steuergestänge
in einer oberen Stellung, Fig. 3 den gleichen Ausschnitt aus der Fig. 1 mit dem
Steuergestänge in einer unteren Stellung, und Fig. 4 eines ähnlichen Ausschnitt
aus der Fig. 1 mit einem Mehrgeschalter.
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Der in Fig. 1 schematisch dargestellte, zur Betätigung eines Regelventils
dienende Thermomotor oder Wärmemotor besteht aus einem vorzugsweise zylindrischen
Behälter 1, dessen Innenraum 1' mit einer Ausdehnungsflüssigkeit gefüllt ist. In
diesen Flüssigkeitsraum
ragt von unten her ein Federrohr 2, welches
zuxammen mit einem Balgboden 2' einen als Arbeitskolben wirkenden Balg bildet. Mit
dem Balgboden 2' ist eine Kolbenstange oder Ventilbetätigungsstange 3 verbunden,
welche, durch den Federball abgedichtet, nach außen gefuhrt ist. Die Ventilbetätigungsstange
3 trägt an ihrem unteren Ende einen Ventilkegel 4, der mit dem Ventilsitz 5 eines
Regelventils 5' zusammenarbestet. Die Anordnung ist so getrof#fen, daß bei einer
Ausdehnung des in dem Behälterraum 1' befindlichen Flüssigkeitsvolumens der Federbalg
2, 2' zusammengedrückt und die Ventilbetätigungsstange 3 nach unten bewegt wird,
wodurch der Ventilkegel 4 in seine Schließstellung gebracht wird, während umgekehrt
bei einer Abkühlung und entsprechenden Zusammenziehung des Flüssigkeitsvolumens
die Ventilbetätigungstange 3 unter der Wirkung einer in dem Federball 2, 2t untergebrachten
Schraubenfeder 6 nach oben bewegt wird, wodurch der Ventilkegel 4 von seinem Sitz
5 abgehoben und das Ventil geöffnet wird.
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Die Beheizung des Flüssigkeitsbehälters 1 erfolgt genuß dem Ausführungsbeispiel
mit Hilfe er den Behälter 1 umgebenden Heizwicklung 7, die duroh
einen
Stromkreis 8 an eine Stromquelle 9 angeschlossen ist. Anstelle eines außen auf den
Behälter 1 aufgebrachten Heizleiters könnte auch z.B. eine Beheizung durch in den
Flüssigkeitsraum lt tauchende Elektroden vorgenommen werden, die den Heizstrom unmittelbar
dem Ausdehnungsmedium zuführen. Dieses Medium wird im allgemeinen eine FlUsxigkeit
sein, die bei einer Erwärmung ihr Volumen vergrößert, ohne ihren Aggregatzustand
zu ändern. Es könnten gegebenenfalls aber auch verdampfbare FlUssigkeiten oder auch
Gase verwendet werden.
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Auf der Kolbenstange oder Ventilbetätigungsstange 3 ist reibungsschlüssig
eine Schalthülse 10 angeordnet, die normalerweise die Bewegungen der Stange 3 mitmacht,
aber diese Stange durch sich hindurchgleiten läßt, wenn-ie von einer äußeren Kraft
festgehalten wird, die größer ist als der Reibungswiderstand der Schalthülse auf
der Stange 3. An der Sohaithülse 10 ist ein Schaltstift 11 befestigt, der sich mit
der litilse 10 zwischen zwei ortsfesten Anschlägen 12 und 13 hin und her bewegen
kann.
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Der Schaltstift 11 kann bei seinen Bewegungen einen elektrischen
Kontakt 14 betätigen, dessen elastisch federnder Kontakthebel 15 mit dem Schaltstift
11 zusammenharbeitet. Wenn der Schaltstift 11 am oder nahe am Oberen ortsfesten
Anschlag 12 anliegt, gibt er den Kontakthebel 15 frei, wo daß der im Stromkreis
8 liegende Kontakt 14 geschlossen ist. Wenn sich die von der Ventilbetätigungsstange
3 mitgenommene Schalthülse 10 abwärts bewegt, ## wobei der Schaltstift 11 bis an
den unteren ortsfesten Anschlag 13 gelangen kann, stößt der Schaltstift 11 gegen
das freie Ende des federnden Kontakthebels 15 und entfernt denselben von dem Gegenkontakt
der Kontaktvorrichtung 14, wodurch der Stromkreis 8 unterbrochen wird.
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Mit dem federnden Kontakthebel 15 kann ferner ein Steuergestänge
16 zusammenarbeiten, welches mit zwei in einem gegenseitigen Abstand liegenden Steueranschlägen
17 und 18 versehen ist, die wahlweise mit dem Kontakthebel 15 in Berührung gebracht
werden können, um des Kontakthebel 15 willkürlich in seine Schließstellung zu zwingen
oder in seine Öffnungsstellung zu bringen. Die Anordnung ist so getroff.n,
daß
die von dem Steuergestänge 16 ausgeübte Kraft größer als die Reibungskraft der Schalthülse
10 auf der Ventilbetätigungsstange 3 ist. Diese Reibungskraft ist wiederum größer
als die elastische Federkraft des Kontakthebels 15.
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Wenn das Steuergestänge 16 aus'seiner in Fig.
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1 gezeigten Mittelstellung nach oben in die in Fig.
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2 gezeigte Stellung bewegt wird, so drückt der Steueranschlag 18 den
federnden Kontakthebel 15 und den Schaltstift 11 mit der Schalthülse 10 nach oben,
bis der Schaltstift 11 an den oberen ortsfesten Anschlag 12 stößt. Dadurch wird
der Federkontakt 14 zwangsläufig geschlossen und der Heizstrom eingeschaltet. Die
Heizwicklung 7 bewirkt eine Erwärmung der in dem Behälterraum lt befindlichen Ausdehnungsflüssigkeit,
deren Volumen sich entsprechend vergrößert.
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Dadurch wird die Ventilbetätigungsstange 7 von dem sich verkürzenden
Federbalg 2, 2' entgegen der Wirkung der Druckfeder 6 abwärts bewegt,und zwar so
langes bis sich der Ventilkegel 4 auf den Ventilsitz 5 des Regelventils 5' gesetzt
hat. Die Ventilbetätigungsstange 3 gleitet hierbei unter Uberwindung der Reibung
durch die Schaithülse 10 hindurch, weil die von dem
Steuergestänge
ausgeübte Kraft größer als die Reibungskraft zwischen der Schalthülse 10 und der
Ventilstange 3 ist. Der Schaltstift 11 bleibt daner bei diesem Vorgang an dem oberen
ortsfesten Anschlag 12, und der federnde Kontakthebel 15 hält den Federkontakt 14
und damit den Stromkreis 8 geschlossen.
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Wenn das Steuergestänge 16, wie in Fig. 3 dargestellt, nach unten
bewegt wird, nimmt der Steueranschlag 17 den federnden Kontakthebel 15 mit und hebt
ihn von dem Gegenkontakt der Kontaktvorrichtung 14 ab. Dadurch wird dieser Kontakt
in seine Öffnungsstellung gebracht, in welcher er unabhängig von den weiteren Stellungen
der Schalthülse 10 mit dem Schaltatift 11 bleibt. Infolgedessen wird und bleibt
der Heizstromkreis 8 geöffnet, so daß dem Flüssigkeitsbehälter 1 keine weitere Wärme
durch die Heizwicklung 7 zugeführt wird. Infolgedessen kühlt sich die Ausdehnungsflüssigkeit
in dem Behälterraum 1' ab und verringert ihr Volumen entspr.-chend. Die Druckfeder
6 drUckt den Federbalg 2, 2 tiefer in den Flüssigkeitsraum 1' hinein, wodurch die
Ventilbetätigungsstange 3 in ihre obere Stellung
verschoben und
der Ventilkegel 4 von dem Ventilsitz 5 abgehoben wird. Das Regelventil 5' wird dadurch
in seine volle Öffnungsstellung gebracht.
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Wenn sich das Steuergestänge 16 gemäß Fig. 1 in seiner neutralen
Mittelstellung befindet, und wenn der Schaltstift 11 an dem oberen ortsfesten Anschlag
12 anliegt, so legt sich der federnde Kontakthebel 15 auf seinen Gegenkontakt an
der Kontaktvorrichtung 14, so daß der Heizstromkreis 8 geschlossenist. Dadurch wird
der Ausdehnungsflüssigkeit über die Heizwicklung 7 Wärme zugeführt, die Flüssigkeit
dehnt sich entsprechend aus und die Ventilbetätigungsstange 3 wird abwärts bewegt,
wie im vorstehenden bereits beschrieben worden ist. Hierbei wird die Schalthülse
10 zunächst durch die Reibung Von der Ventilstange 3 mitgenommen, und der Schaltstift
11 bewegt sich ebenfalls abwärts auf den unteren ortsfesten Anschlag 13 zu. Bevor
er gegen den Anschlag 13 stößt, trifft er auf das freie Ende des federnden Kontakthebels
15, biegt denselben nach unten und öffnet dadurch den Kontakt 14. Der Heizstromkreis
8 wird unterbrochen, die Wärme zufuhr zum Behälter 1 hört auf und die Ausdehnungsflüssigkeit
im Raum 1' kühlt sich ab und zieht sich entsprechend
zusammen,
so daß die Ventilstange 3 unter der Wirkung der Druckfeder 6 aufwärts bewegt wird.
Bevor aber der bei dieser Bewegung von der SchalthUlse 10 mitgenommene Schaltstift
11 an den oberen ortsfesten Anschlag 12 gelangt, wird der federnde Kontakthebel
15 von dem Schaltstift 11 freigegeben, der Kontakt 14 wird geschlossen, die AusdehnungsSlüssigkeit
wird wieder erwärmt und dehnt sich aus, so daß das Arbeitsspiel in der beschriebenen
Weise von neuem beginnt.
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Auf diese Weise bewegt sich die Ventilstange AX 3 zwar um kleine Wege
auf- und abwärts, aber. ihre Mittelstellung ändert sich praktisch nicht. Auf diese
Weise kann also die thermische Vorrichtung ähnlich wie ein elektrischer Betätigungsmotor
auf Öffnen, Schließen und Stillstand durch entsprechende Einstellung des Steuergestänges
16 gesteuert werden.
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Das Steuergestänge 16 braucht nicht unbedingt unmittelbar auf den
federnden Kontakthebel 15 wirken.
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Gemäß einer Variantc der Erfindung kann z.B. auch ein Mehrwegeschalter
in dem Heizstromkreis 8 vorgesehen werden, welcher entsprechend gesteuert wird.
Bei der in Big. 4 gezeigten Ausführungsform einer solchen Anordnung wird ein Mehrwegeschalter
21 durch ein
Steuergestänge 22 betätigt. Der Mehrwegeschalter kann
bei diesem Ausführungsbeispiel in drei verschiedene Kontaktstellungen I, II und
III gebracht werden. In der Stellung 1 ist der Heizstromkreis 8 unterbrochen, so
daß die Heizwicklung 7 keine Wärme abgibt und die Flüssigkeit im Behälterraum lt
ihr Volumen verringert, wodurch die Ventilstange 3 aufwärts bewegt und der Ventilkegel
4 von dem Ventilsitz 5 abgehoben wird. In der Stellung II ist der Federkontakt 14
in den Heizstromkreis 8 eingeschaltet, was der Mittelstellung des Steuergestänges
16 gemäß Fig. 1 entspricht. Die gewünschte Ventilstellung wird dann in der bereits
beschriebenen Weise durch dauernd wechselndes Ein- und Ausschalten des Heizstromes
gehalten, wobei die Ventilstange 3 nur kleine Auf- und Abwärtsbeiwegungen ausführt.
Wenn schließlich der Kontakthebel des Mehrwegeschalters 21 auf den Kontakt III gesteuert
wird, ist der Federkontakt 14 überbrückt und kurz geschlossen. Dann ist der Heizstromkreis
8 dauernd geschlossen, die Heizwicklung 7 führt der Ausdehnungsflüssigkeit dauernd
Wärme zu, deren Volumen sich edgprechend vergrößert und Uber den Federbalg 2, 2'
und die Ventilstange 3 das Regelventil 5' schließt.
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Selbstverständlich beschränkt sich~die Erfindung nicht auf die vorstehend
beschriebenen und in Zeichnung schematisch veranschaulichten Ausführungsbeispiele,
sondern sie umfaßt alle Varianten im Rahmen der wesentlichen Erfindungsmerkmale.
Beispielsweise kann anstelle eines dreipoligen Mehrwegeschalters 21 auch ein fünfpoliger
Schalter verwendet werden. In der Kontaktstellung I dieses Schalters wäre der Heizstromkreis
8 geöffnet, wodurch die Ausdehnungsflüssigkeit im Behälter 1 in kürzester Zeit abgekühlt
würde. In der Kontaktstellung II könnte eine geringere Heizleistung eingeschaltet
werden, wodurch die Abkühlung der Auzdehnungsflüssigkeit verlangsamt würde. In der
Kontaktstellung III könnte der Federkontakt 14 eingeschaltet sein, der den Heizstrom
abwechselnd auf die kleine Heizleittung zum langsamen Abkühlen und auf eine mittlere
Heizleistung zum langsamen Erwärmen der Ausdehnungsflüssigkeit schaltet. In der
Kontaktstellung IV würde die mittlere Heizleistung für eine langsame Erwärmung und
schließlich in der Kontaktstellung V die ##### größte Heizleistung für eine schnelle
Xrwärmung der Ausdehnungsflüssigkeit eingeschaltet sein.
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Dadurch kann auf einfache Weise erreicht werden, daß der Thermomotor
mit verschiedenen Verstellgeschwindigkeiten arbeitet, welche willkürlich mit Hilfe
eines Steuergestänges eingestellt werden können. Ferner könnten anstelle des elektrischen
Federkontaktes auch andere, z.B. optische, indikative, galvanische oder kapazitive
Kontaktvorrichtungen verwendet werden. Auch die Ausbildung des mit der Ventilbetätigungsstange
3 zusammenarbeit enden Schaltelements kann auf andere Weise vorgenommen werden.
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Schließlich kann selbstverständlich anstelle eines Regelventils auch
ein sonstiges Regelobjekt von der thermischen Vorrichtung betätigt werden, wie z.B.
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eine Ventilklappe, ein Ventilschieber oder eine sonstige zu regelnde
Vorrichtung.
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Patent ansprüche