DE2137492A1

DE2137492A1 - Membran fur Meß und Regelgerate

Info

Publication number: DE2137492A1
Application number: DE19712137492
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-08-03
Filing date: 1971-07-27
Publication date: 1972-02-10
Also published as: NL7110638A; DE2166982C3; IT940990B; BE770837A; GB1366508A; DE2137492B2; DE2166982A1; DE2166982B2

Description

O Λ OTT /Q

PATENTANWÄLTE L· I O f ** Ό £,

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL.-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH

Dipl.-Ing. Selting KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

Z 6. JUL11971 Sg/est.

Dr. Ir. Guido Amandus De Lepeleire, Waverse baan 178, B- 3030 Heverlee, Belgien

Membran für Meß- und Regelgeräte

Die vorliegende Erfindung betrifft eine taschenartige Membran, insbesondere für Meß- und Regelgeräte, die mit einem Druckunterschied funktionieren, sowie eine mit obiger Membran ausgerüstete Luftklappe, zur Verwendung in einer Klimaanlage, wo sie zum Regeln eines Luftdurchflusses oder eines Luftmischungsverhältnisses in Abhängigkeit einer zu regelnden Veränderlichen, z.B. einer Temperatur, dienen kann.

Die bekannten Membranen haben verschiedene Formen und Einbauweisen. Die einfachste Membran ist flach und kreisförmig und wird durch Einspannen am Umfang eingebaut. Es werden auch geformte Membranen verwendet, vielfach mit verstärktem Rand. Für größere Hübe stehen Rollmembranen zur Verfügung, die in einem Zylinder mit einem Kolben mit großem Spiel eingebaut werden. In sonstigen Fällen werden Bälge anstelle von Membranen ver-

109887/1255

Wendet. Es handelt sich um ein meistens kreisförmiges Rohr mit dünnen biegsamen Wänden und abwechselnd großem und kleinem Durchmesser, hergestellt durch Gießen, Verformung oder Schneiden des Werkstoffes. Vollständigkeitshalber seien auch die sogenannten Bourdonfedern genannt. Dies sind gekrümmte Hohlkörper, die unter der Einwirkung eines Druckunter-schiedes verformt werden.

Die in der Klimatechnik üblichen Luftklappen werden von Hand oder automatisch mittels elektrischer oder pneumatischer Servomotoren, die mittels Fühler und manchmal Verstärker von einem geeigneten Energieversorgungssystem gespeist werden, eingestellt. Auch werden sogenannte mechanische Luftklappen verwendet, die sich durch das sich ergebende Gleichgewicht von Gewichten, Federkräften und evtl. Dämpferreaktionen sowie die resultierenden Kräfte der auf die beweglichen Teile der Klappe vom Luftstrom aufgebrachten Druckunterschiede einstellen. Auf diese Weise werden u.a. konstante Durchflußmengen erzeugt. Durch die Änderung der Vor- . spannung einer Feder,z.B. mittels eines Servomotors, können

* auch veränderliche Durchflußmengen erzeugt werden.

' Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Membran der eingangs genannten Art anzugeben, die nur geringe Steuerdrücke benötigt und sich infolge der großen Biegsamkeit der zu verforraenden Wandungsteile besonders als Antriebselement in Luftklappen o.dgl. eignet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie aus einer flachen Tasche oder aus mehreren an den Flachseiten luftdicht miteinander verbundenen flachen Taschen besteht, deren Volumen durch Öffnungen in den Anschlußwänden der Taschen miteinander in Verbindung stehen, daß

Ϊ09887/1255

'die Taschen zwischen zwei biegesteifen,gelenkig miteinander verbundenen Platten montiert sind,und daß die Biegesteifigkeit der im Betrieb zu verformenden Wandteile der Membran vernachlässigbar klein ist gegenüber der Dehnungssteifigkeit der Wände und der Platten.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert*

Figuren 1 bis 4 zeigen mehrere einfache Ausführungsformen einer Membran in verschiedenen Ansichten_p

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer Luftklappe mit Taschenmembran,

FIg₀ 6 zeigt eine Weiterbildung der Klappe nach Figo 5* und

Fig. 7 bis 11 zeigen weitere Ausführungsformen,,

Fig. 1 bis 4 zeigen eine Membran nach der vorliegenden Erfindung jfobel, wie aus Fig. 1 hervorgeht, eine nahezu rechteckige wirksame Oberfläche vorausgesetzt ist.

Fig. 2 und 3 zeigen zwei Querschnitte einer eingebauten Membran in zwei verschiedenen Positionen und zwar mit minimaler Dicke oder Volumen (Fig. 2) und aufgeblasen bis Maximal-volumen (Fig. 3)° Diese Membran besteht aus einer flachen Tasche mit luftdichten, dünnen und biegsamen Wänden 1. Die Tasche ist mit einem Druckanschluß β versehen und zwischen zwei Platten 2 und 3* die sich / gegenüber einander beilegen können_s in dem Sinne einge- ; baut, daß die Relativbewegung der Platten mittels einer /. geeigneten Führung bzv;. eines Gelenkes, die aber in Fig.

/ 109887/12SS

_ 2f _.

-und 3 nicht dargestellt ist, geführt und beschränkt wird. Grundsätzlich bedeutet diese Relativbewegung eine Änderung des mittleren Abstandes zwischen den beiden Platten, die übrigens gegenseitig nahezu parallel aufgestellt sind. Aus praktischen Gründen soll oft eine Rotation mit beschränkter Amplitude um eine zu beiden Platten parallele Achse 7 bevorzugt werden (siehe Fig. 1). Grundsätzlich soll die Dicke H der Tasche relativ klein sein, verglichen mit der Taschenbreite L, zur Beschränkung der Spannungen in den Wänden und zur Beschränkung der Veränderung der wirksamen Tasehenbreite Le. Wenn größere Hübe verlangt werden, kann eine Membran mit mehreren Taschen 11 Anwendung finden, wie in Fig. 1 dargestellt. Einen schematischen Querschnitt zeigt Fig. 4'. Die zusammenliegenden Taschen, jede vergleichbar mit der Einzeltasche in den Fig. 2 und J>, stehen miteinander durch die öffnungen 5 in den gemeinsamen flachen Wandteilen in Verbindung, während das Ganze durch Schweißen bzw. Leimen der einander berührenden Wandteile luftdicht gemacht ist. Ebenso wie die Membran mit Einzeltasche hat auch die Mehrfachtaschenmembran einen Druckanschluß 6 und wird zwischen zwei steifen Platten 2 und j5 mit veränderlichem Zwischenabstand eingebaut.

Es sei darauf hingewiesen, daß eine Mehrfachtaschenmembran keinesfalls einem Balg gleichgestellt werden kann , und daß ihr Verhalten ganz verschieden ist.Die dünnen und biegsamen Wände der Taschenmembran zeigen keine spürbare Steifheit gegen Biegung und sind nur Zugkräften gegenüber formfest. Die flachen Wandteile zwischen den einzelnen Taschen oder in Berührung mit den Platten 2 und 3 xverden im Betrieb nicht verforrnt.Sie dienen im wesentlichen nur dazu, die Zugkräfte, die am Umfang in den gebogenen

1098S7/1255

Wandteilen mit veränderlicher Krümmung hervorgerufen werden, auszugleichen. Gegebenenfalls können diese nahezu flachen Teile auch aus einem steiferen Werkstoff hergestellt werden. Die Oberfläche der öffnungen 5 muß selbstverständlich relativ klein sein im Vergleich zurwirksamen Oberfläche der Membran; sonst würde das Ausgleichen der Zugkräfte, wie oben dargelegt, nur fehlerhaft oder nicht gesichert sein.

Verschiedene Herstellungsverfahren können herangezogen werden. Z.B. kann man von einem gezogenen Schlauch mit passendem Durchmesser ausgehen und die Taschen und Mehrfachtaschen durch Schneiden, Schweißen bzw. Leimen fertigen.

Pig· 5 bis 9 zeigen Luftklappen nach der vorliegenden Erfindung. Es werden verschiedene Konstruktionsvarianten gezeigt sowie einige der vielfachen Schaltmöglichkeiten. Fig. 10 und 11 zeigen Luftmischklappen nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 zeigt eine besonders einfache Bauart einer Luftklappe mit Taschenmembran. Diese Klappe hat eine Einlaßkammer 21 und eine Auslaßkammer 22, die miteinander durch die öffnung 23, deren freier Durchlaß stetig mittels des um das Gelenk 7 bewegbaren Blattes 2h geändert werden kann, in Verbindung stehen. Dieses Blatt 24 wird von einer direkt anliegenden Membran 11, die zwischen dem Blatt und der festen Wand der Auslaßkammer 22 montiert ist, reguliert« Die Membran wird einem geeigneten Druckunterschied ausgesetzt, und zwar an der Außenseite dem Luftdruck stromabwärts der Klappe, und an der Innenseite

109887/1255

.einem veränderlichen Steuerdruck Px, derart, daß das Blatt 24 In die gewünschte Position gebracht wird. Im gezeigten Beispiel wird der Steuerdruck in einem Steuerkreis, der stromaufwärts und stromabwärts der zu regulierenden Klappe angeschlossen ist, erzeugt. Das Verhältnis der Strömungswiderstände der Steuerkreiszweige 31 und 32 wird durch Verstellen einer kleinen Scheibe 30 geändert, die dem offenen Ende des Zweiges 32 gegenüberliegt. Das Blatt 24 stellt sich so ein, daß alle . angreifenden Kräfte sich ausgleichen. Es läßt sich leicht * verstehen, daß die Luftklappe bei entsprechender Bemessung aller Bauteile der Klappe und des Steuerkreises in Abhängigkeit vom angelegten Steuerdruck, d.h. von der Position der Scheibe 30 (und dem Einlaßdruck), geschlossen oder geöffnet oder auch in einer beliebigen Zwischenlage gehalten werden kann. Wenn die Scheibe 30 auf einem Bimetallstreifen montiert wird, kann die Luftklappe eine stetige thermostatische Regelung durchführen.

Fig. 6 zeigt schematische Querschnitte einer verbesserten Bauart. Auch hier ist eine Einlaßkammer 21 und eine Auslaßkammer 22 vorhanden. Außerdem ist ein Kasten 12 mit ) eingebauter und um das Gelenk 7 drehbarer Platte 3 angebaut, Am Plattenende ist ein bewegbares Blatt 24 fest aufgesetzt, das eine zum Gelenk 7 konzentrisch gelegene Form aufweist. Dieses Blatt gleitet durch einen engen Schlitz in der Wand zwischen dem Kasten 12 und den Kammern 21 und 22 und ändert den freien Durchlaß der Klappe. Das bewegbare Teil 3 und 24 wird von einer direkt an der Platte 3 anliegenden und im obigen Kasten 12 eingebauten Taschenmembran reguliert. Für Sonderzwecke kann zusätzlich ein Gegengewicht bzw. eine Feder vorgesehen sein. Der Schlitz zum Durchtritt des bewegbaren Blattes 24

109887/1255

verursacht notwendigerweise eine gewisse Undichtigkeit, wodurch die im Betrieb verwendbaren Druckunterschiede beschränkt sind. Mittels einer sehr einfachen Schaltung kann jedoch eine Luftklappe der beschriebenen Art einen trotz veränderlicher Drücke konstanten Durchfluß hervorrufen. Hierzu wird die Membran 11 dem Einfluß des dynamischen Druckunterschiedes ausgesetzt, der an einer geeigneten Stelle des zu regelnden Luftstromes,, z.B. 'in der Einlaßkammer, abgenommen wird, wie Fig«, 6 zeigt» Über einen innenliegenden Druckanschluß 6i wird der Kasten dem statischen Druck ausgesetzt. Der Gesamtdruck gelangt über den Druckanschluß 6 in das Membraninnere. Der gewünschte Durchfluß kann von Hand mittels der Platte 16 eingestellt werden. Die resultierende Kraft der Membran steht dem Gewicht der bewegbaren Teile gegenüber. Die Momente der beiden Kräfte um das Gelenk 7 sollen einander ausgleichen. Ist der maximale Hub der bewegbaren Teile klein im Vergleich mit der Länge der Platte 3 , so kann der dynamische Druckunterschied innerhalb annehmbarer Grenzen reguliert werden. Ein konstanter Druckunterschied in einer konstanten Durchflußöffnung bedeutet einen konstanten Durchfluß. Praktisch kann ein konstanter Durchfluß mit günstigen Toleranzen erzeugt werden. Es ist übrigens klar, daß eine Beschränkung des freien Durchlasses bei den Druckentnahmestellen durch Verstellung der Platte 16 auch eine Beschränkung des erzeugten Durchflusses zur Folge hat. Zum Dämpfen des bewegenden Systems genügt eine geeignete Bemessung des Druckanschlusses 6.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 besteht das Gelenk 7 aus einer Welle 77* die in durch die Wände der Luftklappe hindurchgehenden Lagern montiert ist. Im Klappeninneren ist das bewegbare Teil 3,24 mit der Welle fest

109887/1255

.verbunden. Die Position' dieses Teiles kann durch Verdrehen des Wellenendes über einen außenseitigen Hebel Ij5 verändert werden, wenn eine entsprechende Kraft am Hebel angreift. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dazu die resultierende Kraft einer außenliegenden, von einem veränderlichen Steuerdruck aufgeblasenen Membran II¹ herangezogen. Gleichzeitig wird auch die innenliegende Taschenmembran 11 von dem dem Luftstrom in der Einlaßkammer entnommenen dynamischen Druckunterschied aufgebläht wie im Fall der Fig. 6. Man erkennt, h daß dieser Aufbau einen trotz Druckänderungen konstanten und dem Steuerdruck entsprechenden Durchfluß sicherstellt, weil die resultierenden Kräfte der beiden Membranen die Gewichte gemeinsam ausgleichen. Es handelt sich demnach um eine Klappe für sog. "konstanten, veränderlichen Durchfluß".

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei die Wand zwischen dem Kasten 12 und den Kammern 21 und 22 der Luftklappe geschlossen ist und nur von den Lagern der an ihr montierten und innerhalb des Kastens 12 starr mit der Platte J verbundenen Welle 77 durchbrochen ist. Das bewegbare, zur Welle 77 konzentrische Blatt ist außerhalb des Kastens 12 montiert und mittels des Hebels 12 aus dünnem Blech starr mit der Welle verbunden. Dieses Blatt 24 streift am freien Rand der Wand 15 zwischen den Kammern 21 und 22 entlang. Wie u.a. aus dem Querschnitt AA hervorgeht, ragt in diesem Fall der Kasten 12 in die Kammer 22 hinein, Diese Kammer weist daher einen besonderen Querschnitt auf. Das Luftleck durch die Wellenlager ist unbedeutend. Innerhalb des Kastens 12 kann daher grundsätzlich ein beliebiger Luftdruck herrschen, unabhängig von den Drücken

109887/1255

in den Kammern 21 und 22. Die Schaltmöglichkeiten und Anwendungsgebiete werden dadurch entsprechend erweitert. Fig. 8 zeigt beispielsweise eine Schaltung,die einen konstanten Luftdruck in einem Zuluftkanal aufrechterhalten kann.

Fig. 9 zeigt ein weiteres AusfUhrungsbeispiel₀ Die hier gezeigte Luftklappe hat zwei bewegbare Blätter 24 und 24' und ist geeignet zum Erzeugen von "konstantem veränderlichem Durchfluß", und zwar mit strengen Toleranzen,,

Ein erstes bewegbares Blatt 24 ist an der Welle 77 eines ersten Kastens 12 befestigt und wird mittels einer im Kasten montierten Taschenmembran 11, die dem dynamischen Druckunterschied des Luftstromes in der Einlaßkammer 21 ausgesetzt wird, eingestellt, wie schon im Zusammenhang mit Fig. 6 erläutert. Der freie Durchlaß an der Stelle, an der die Luftdrücke entnommen werden, wird von einem zweiten bewegbaren Blatt 24 geändert, welches unabhängig vom ersten Blatt starr auf der Welle 77' eines zweiten Kasten 12' befestigt ist. Das Blatt 24' wird mittels einer im Kasten 12' montierten Taschenmembran 11' eingestellt. Diese Membran 11' wird von einem veränderlichen Steuerdruck Px aufgeblasen, während innerhalb des Kastens 12' der örtliche Raumdruck herrscht. Die Wirkung dieser Klappe ist ähnlich derjenigen der Klappe für konstanten Durchfluß nach Fig. 6. In der hier vorliegenden Ausführung nach Fig« 9 wird jedoch der freie Durchlaß an der Stelle der Druckfühler stetig und automatisch durch den Steuerdruck Px reguliert, der seinerseits von einer zu regulierenden Veränderlichen bestimmt wird.

1 09887/125B

- ίο -

Der dynamische Druckunterschied, der an die Membran 11 angelegt wird, kann mittels einer profilierten Platte oberhalb des Druckanschlusses 6± verstärkt werden, indem ein Venturirohr gebildet wird. Damit können strengere Toleranzen eingehalten werden.

Fig. 10 und 11 zeigen zwei Bauarten einer Luftmischklappe gemäß vorliegender Erfindung. Sie haben beide eine ganz ähnliche Wirkungsweise.

P Selbstverständlich sind zwei Einlaßkammern 21 und eine Auslaßkammer 22 vorhanden. Das Verhältnis der freien Durchlässe,die den beiden zu mischenden Luftflüssen zur Verfügung stehen, wird von einem bewegbaren Blatt 24 reguliert, das auf der Welle 77* die mittels des außenliegenden Hebels 13' und der Stange 14 mit der gelenkig montierten Platte 3 verbunden ist, befestigt ist. Die Platte 3 ist ihrerseits von einer Feder 8 sowie von einer außenliegenden, vom Steuerdruck Px aufgeblasenen Taschenmembran 11 belastet. Der Steuerdruck entspricht einer zu regelnden Veränderlichen, z.B. einer Temperatur.

) Beim Beispiel nach Fig. 10 verläuft das Blatt 24 konzentrisch zur senkrechten Welle 77* an der es mittels des Hebels 13 befestigt ist. Nach Fig. 11 dagegen hat das Blatt 24 die Form einer sektorförmig zugeschnittenen Scheibe und ist rechtwinklig auf der horizontalen Welle 77 befestigt. Im letzten Fall wird das Gewicht des scheibenförmigen Blattes 24 vom Gegengewicht 9 ausgeglichen.

Man sieht, wie in beiden Fällen der Steuerdruck die Membran 11 aufbläst, gleichzeitig die Feder 8 spannt und mittels der Stange 14, des Hebels 13' und der Welle 77 das Blatt

109887/12 S 5

- ii -

in die gewünschte Position bringt. Diese Luftklappe reguliert also ein Mischungsverhältnis nach einem Steuerdruck, der z.B. einer Temperatur entsprechen kann.

Es soll betont werden, daß alle gezeigten Ausführungsbeispiele derart ausgelegt sein können, daß zum Betrieb ganz niedrige Steuerdrücke genügen, auch solche Drücke, die niedriger sind als die in der Klimatechnik üblichen • Kanalluftdrücke. Es können daher, ausgehend von vorhandenen Kanaldrücken,mittels geeigneter Steuerkreise leicht geeignete Steuerdrücke erzeugt werden«, Luftklappen nach der Erfindung können ohne elektrische oder pneumatische Servoenergie betrieben werden. Weiterhin weisen diese Klappen große funktioneile Flexibilität auf, sowie eine besonders einfache Konstruktion. Hierdurch wird niedriger Kostenaufwand und leichte Instandhaltung gewährleistet.

109887/1255

Claims

Ansprüche

iJ Membran für mit Fluidum-Druckunterschied betriebene Meß- und Regelgeräte, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer flachen Tasche oder aus mehreren an den Flachseiten luftdicht miteinander verbundenen flachen Taschen, deren Volumen durch Öffnungen in den Anschlußwänden der Taschen miteinander in Verbindung stehen, besteht, daß die Taschen zwischen zwei biegesteifen gelenkig miteinander verbundenen Platten montiert sind, und daß die Biegesteifigkeit der im Betrieb zu verformenden Wandteile der Membran vernachlässigbar klein ist gegenüber der Dehnungssteifigkeit der Wände und der Platten.
2. Membran nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einer Luftklappe für Klimaanlagen, bestehend u.a. aus einer Einlaß- und einer Auslaßkammer, die miteinander durch eine Öffnung in Verbindung stehen, deren freier Durchlaß mittels eines bewegbar geführten und entsprechend eingestellten Blattes stetig veränderbar ist.
J3» Membran nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt eine der verwendeten Führung entsprechende Form besitzt, derart, daß die die infolge der Luftströmung auf das Blatt einwirkenden Druckunterschiede dessen Einstellung kaum beeinflussen.
4. Membran nach Anspruch J5* dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt um eine Drehachse verschwenkbar ist und die Form eines Ausschnittes aus einer Drehfläche besitzt, deren Achse mit der Drehachse zusammenfällt.

109887/1255

-u-
5· Membran nach Anspruch j5 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse aus einer an Lagern in der Wand einer Kammer der Luftklappe montierten Welle besteht, daß die Welle einerseits starr mit dem bewegbaren Blatt innerhalb der Luftklappe verbunden und andererseits durch einen außerhalb der Klappenkammern angebrachten Hebel (13) unter der Einwirkung einer weiteren Membran verschwenkbar ist.
6. Membran nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe zwei bewegbare Blätter enthält, von denen eines durch sein Gewicht und durch den Innendruck der Membran einstellbar ist, während das andere an einer drehbaren Welle befestigt und mittels eines außen angebrachten Hebels verschwenkbar ist, wobei das zweite Blatt eine stetige selbsttätige Regelung des Durchflusses in der Einlaßkammer durchführt, wo der dynamische Druck zur Einstellung des ersten Blattes abgenommen wird.
7. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in Klimaanlagen, in denen ein Mischungsverhältnis von zwei Luftströmungen zu regeln ist, dadurch gekennzeichnet, däJß das bewegbare Blatt um eine Drehachse verschwenkbar ist, und daß seine Einstellung mittels einer außerhalb der Klappenkammern montierten aufblasbaren Membran von einem einer zu regelnden Veränderlichen unterliegenden Steuerdruck erfolgt.

109887/1255

41-