DE2137492C3 - Pneumatisches Stellglied - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein pneumatisches Stellglied mit einer biegesteifen Grundplatte, einer hierzu auf einer vorgegebenen Bahn beweglichen, insbesondere schwenkbar gelagerten biegesteifen Stellplatte, dazwischen mindestens zwei aufeinanderliegenden, längs ihrer Berührungswände untereinander verbundenen Taschen und einem Druckmitteleinlaß für die durch öffnungen in den Berührungswänden untereinander verbundenen Innenräume der Taschen, wobei die Stellplatte Zwischenstellungen einzunehmen vermag.

Ein bekanntes Stellglied dieser Art (US-PS 34 95 502) dient dazu, die Bauelemente eines Wohnwagenanhängers auseinanderzudrücken, den kippbaren Aufsatz eines Lastwagens anzuheben oder ähnliche Arbeiten auszuführen. Zu diesem Zweck wird den Taschen Druckluft oder Druckflüssigkeit, beispielsweise mit einem Druck von 7 atü zugeführt. Solange die Druckmittelzufuhr erfolgt, bewegt sich die Stellplatte in der einen Richtung, wenn das Druckmittel abgelassen wird, bewegt sie sich in der anderen Richtung. Die aus Gummi oder Kunststoff bestehenden elastischen Taschenwände sind entsprechend druckfest und daher dick, teilweise sogar mit Verstärkungseinlagen, ausgebildet

Es ist ferner ein pneumatisch betätigtes Ventil für eine S Gasleitung bekannt, bei der eine Klappe an eine Membran angelenkt ist, die auf der einen Seite unter der Wirkung des Gasdruckes steht Der Raum auf der anderen Seite der Membran kann mittels eines Schaltventils wahlweise mit einem Steuerdruck kon stanter Größe oder mit einer Entlüftungsöffnung verbunden werden. Dieses Ventil vermag keine Zwischenstellungen einzunehmen (US-PS 27 04 648).

Die in der Klimatechnik üblichen Luftklappen werden von Hand oder automatisch mittels elektrischer oder pneumatischer Servomotoren, die mit Hilfe von Fühlern und gegebenenfalls Verstärkern von einem geeigneten Energieversorgungssystem gespeist werden, verstellt Auch werden sogenannte mechanische Luftklappen verwendet, die einen Gleichgewichtszustand einneh men, der sich aufgrund von Gewichten, Federkräften und eventuell Dämpferreaktionen sowie den resultierenden Kräften der auf die beweglichen Teile der Klappe vom Luftstrom aufgebrachten Druckunterschiede einstellt Auf diese Weise ergeben sich u. a. konstante Durchflußmengen. Durch die Änderung der Vorspannung einer Feder, z. B. mittels eines Servomotors, können auch veränderliche Durchflußmengen erzeugt werden. In Klimaanlagen herrschen sehr geringe Drücke, nämlich in der Regel nicht mehr als 25 mm WS. Selbst ein »Hochdruck«, wie er manchmal nahe dem Gebläse und in Sammelkanälen autreten kann, hat nicht mehr als 150 bis 250 mm WS (Ashrae Guide And Data Book, 1965 and 1966, Seite 577).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere für Klimaanlagen geeignetes Stellglied anzugeben, das mit sehr geringen wirksamen Steuerdrücken arbeitet und das beliebige vom Steuerdruck abhängige Zwischenstellungen einzunehmen vermag.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von dem eingangs beschriebenen pneumatischen Stellglied ausgegangen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Biegesteifigkeit der Taschen gegenüber ganz niedrigen Drücken, wie sie in der Klimatechnik üblich sind, vernachlässigbar klein ist und daß die Stellplatte als Vergleicher ausgebildet ist, dessen Zwischenstellungen von einem Kräfte- oder Momentengleichgewicht abhängig sind, das sich aus der resultierenden Kraft der an der Stellplatte wirkenden Druckunterschiede und einer die Stellplatte belastenden Gegenkraft ergibt.

Die Taschen haben sehr dünne und daher hoch biegsame Wände. Sie haben praktisch keinerlei Biegesteifigkeit und sind nur Zugkräften gegenüber formfest Es treten daher auch keine Rückstellkräfte auf.

ss Die Berührungswände zwischen den Taschen sind, weil sie von beiden Seiten dem gleichen Druck ausgesetzt sind, unbelastet und flach. Die biegesteife Grundplatte und die biegesteife Stellplatte sorgen dafür, daß die Taschen mit einer verhältnismäßig großen Fläche an ihnen anliegen können. Bei einer Fläche von beispielsweise 20 cm² ergibt sich bereits bei einem Steuerdruck von 10 mm WS eine Kraft von 200 p. Eine Gegenkraft in dieser Größe vermag daher zu stabilen Gleichgewichtsstellungen zuführen. Derartige Kräfte liegen in einer Größenordnung, die beispielsweise dem Gewicht der Stellplatte und eventuell mit ihr verbundener Teile entsprechen. Bei einer Änderung des Steuerdrucks sucht sich die Stellplatte eine neue Zwischenstellung, in

der wiederum ein Kräftegleichgewicht zwischen den an eier Stellplatte wirkenden Druckunterschieden und der die Steilplatte belastenden Gegenkraft vorhanden ist

Als Gegenkraft kommt beispielsweise eine Feder in Betracht Besonders günstig ist es aber, wenn die Stellplatte durch ihr eigenes Gewicht, bzw. das der mit ihr bewegten Teile als Gegenkraft belastet ist Hierbei können die bewegten Teile auch ein Gegengewicht umfassen. Dies erfordert den geringsten konstruktiven Aufwand.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesort, daß die gelenkig gelagerte Stellplatte in einem mit einem zweiten Druckmitteleinlaß versehenen Gehäuse angeordnet ist und daß ein mit ihr verbundenes Teil durch die Gehäusewand nach außen geführt ist Bei einem solchen Stellglied sind zwei Druckräume vorhanden, nämlich der Innenraum der Taschen und der Innenraum des Gehäuses, denen unterschiedliche Drücke zugeführt werden können, so daß beide auf die Stellplatte wirkenden Drücke variabel sein können.

Besonders einfach ist die Konstruktion, wenn die Stellplatte auf einer Welle befestigt ist, die durch zwei einander gegenüberliegende Gehäusewandteile nach außen geführt ist

Zum Betrieb des Stellgliedes reichen ganz geringe Steuerdrücke aus, die sogar kleiner sind als die in der Klimatechnik üblichen Kanalluftdrücke. Daher können die Steuerdrücke mittels geeigneter Steuerkreise aus diesem Kanalluftdrücken gewonnen werden. Es lassen sich daher Luftklappen und andere Geräte, wie sie beispielsweise zum Regeln eines Luftdurchflusses oder eines Luftmischungsverhältnisses in Abhängigkeit einer zu regelnden Veränderlichen, z. B. einer Temperatur, erforderlich sind, ohne elektrische oder pneumatische Hilfsenergie betreiben. Die Stellglieder haben eine große funktioneile Flexibilität und eine besonders einfache Konstruktion. Hierdurch wird ein niedriger Kostenaufwand und eine leichte Instandhaltung gewährleistet.

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

F i g. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellglieds und

F i g. 2 bis 8 verschiedene Ausführungsformen von Stellgliedern welche Luftkanälen von Klimaanlagen zugeordnet sind.

F i g. 1 zeigt ein Stellglied mit meheren flachen Taschen It, aus luftdichten, dünnen und biegsamen Wänden, die eine nahezu rechteckige wirksame Oberfläche bilden. Die Taschen sind mit einem Druckanschluß 6 versehen und zwischen einer Grundplatte 2 und einer Stellplatte 3 angeordnet, dh sich relativ zueinander auf einer geführten Bahn bewegen können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Verschwenkbarkeit um ein Gelenk 7 vorgesehen. Grundsätzlich soll die Dicke der Tasche relativ klein sein im Vergleich zur Taschenbreite, damit die Spannungen in den Wänden beschränkt werden und keine große Änderung der wirksamen Taschenbreite auftritt. Durch Wahl der Taschenzahl kann eine Anpassung an verlangte Hubhöhen erzielt werden. Die einzelnen Taschen stehen über öffnungen 5 in den gemeinsamen flachen Wandteilen miteinander in Verbindung. Eine luftdichte Abdichtung dieser öffnungen ergibt sich, weil die einander berührenden Wandteile durch Schweißen oder Kleben miteinander verbunden sind.

Eine solche Mehrfachtasche kann nicht mit einem Balg gleichgesetzt werden; ihr Verhalten ist ganz anders. Die dünnen und biegsamen Wände der Mehrfachtasche 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 werden im Betrieb nicht verformt Sie dienen im wesentlichen nur dazu, die Zugkräfte, die am Umfang in den gebogenen 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 zur wirksamen Oberfläche der Tasche; sonst würde das Ausgleichen der Zugkräfte, wie oben dargelegt, nur fehlerhaft oder nicht gesichert seia

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

Die erfindungsgemäßen Stellglieder können mit Hilfe von Drücken betätigt werden, die aus den Luftkanaldrücken in Klimaanlagen abgeleitet sind. In den F i g. 2 bis 6 dienen sie zur Betätigung von Drosselorganen, in den F i g. 7 und 8 der Betätigung von Mischorganen.

F i g. 2 zeigt eine besonders einfache Bauart, bei der die Stellplatte 3 unmittelbar eine Luftklappe 24 bildet Die Klappe trennt eine Einlaßkammer 21 von einer Auslaßkammer 22, die durch eine öffnung 23 in Verbindung stehen. Der freie Durchlaß kann mittels der um das Gelenk 7 bewegbaren Stellplatte 3 geändert werden. Die Mehrfachtasche 11 ist zwischen dieser Stellplatte 3 und der als Grundplatte dienenden festen Wand der Auslaßkammer 22 montiert Die Stellplatte ist einem Druckunterschied ausgesetzt; an der Außenseite herrscht der Luftdruck hinter der öffnung 23 und an der Innenseite ein veränderlicher Steuerdruck. Dieser wird in einem Steuerkreis erzeugt, der stromaufwärts und stromabwärts von dem aus Öffnung 23 und Stellplatte 3 bestehenden Drosselorgan angeschlossen ist Das Verhältnis der Strömungswiderstände der Steuerkreiszweige 31 und 32 wird durch Verstellen einer kleinen Scheibe 30 geändert, die vor dem offenen Ende des Zweiges 32 angeordnet ist. Der Zweig 32 mündet hier in den zu klimatisierenden Raum 100, in den das Ende 101 des Luftkanals mündet. Die Stellplatte 3 stellt sich so ein, daß alle angreifenden Kräfte, nämlich die vom Druckunterschied hervorgerufenen Kräfte und die Gewichtskraft der Stellplatte, sich ausgleichen. Es läßt sich leicht verstehen, daß das Drosselorgan 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 das Drosselorgan eine stetige thermostatische Regelung durchführen.

F i g. 3 zeigt schematische Querschnitte einer verbesserten Bauart Auch hier ist eine Einlaßkammer 21 und eine Auslaßkammer 22 vorhanden. Außerdem ist ein Gehäuse 12 mit eingebauter und um des Gelenk 7 drehbarer Stellplatte 3 vorgesehen. Am Stellplattenende 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 Gehäuse 12 und den Kammern 21

und 22 und ändert den freien Durchlaß des Drosselorgans. Das bewegbare, aus Stellplatte 3 und Blatt 24 bestehende Teil wird mittels einer direkt an der Stellplatte 3 anliegenden und im Gehäuse 12 eingebauten Mehrfach-Tasche verstellt. Für Sonderzwecke kann zusätzlich ein Gegengewicht bzw. eine Feder vorgesehen sein. Der Schlitz zum Durchtritt des bewegbaren Blattes 24 verursacht notwendigerweise eine gewisse Undichtigkeit, wodurch die im Betrieb verwendbaren Druckunterschiede beschränkt sind. Mittels einer sehr >° einfachen Schaltung kann jedoch ein Drosselorgan der beschriebenen Art einen trotz veränderlicher Drücke konstanten Durchfluß hervorrufen. Hierzu wird die MehrfachUsche 11 dem Einfluß des dynamischen Druckunterschicdcs ausgesetzt, der an einer geeigneten '5 Stelle des zu regelnden Luftstromes, z.B. in der Einlaßkammer, abgenommen wird, wie Fig.6 zeigt. Über einen innenliegenden Druckanschluß 6/ wird das Gehäuse dem statischen Druck ausgesetzt. Der Gesamtdruck gelangt über den Druckanschluß 6 in das Tascheninnere. Der gewünschte Durchfluß kann von Hand mittels einer Platte 16 eingestellt werden. Die resultierende Kraft der an der Stellplatte angreifenden Druckdifferenz 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 Stellplatte 3, so kann der dynamische Druckunterschied innerhalb abnehmbarer Grenzen reguliert werden. Ein konstanter Druckunterschied in einer konstanten Durchflußöffnung bedeutet einen konstanten Durchfluß. Praktisch kann ein konstanter Durchfluß mit günstigen Toleranzen erzeugt werden. Eine Beschränkung des freien Durchlasses bei den Druckentnahmestellen durch Verstellung der Platte 16 hat eine Beschränkung des erzeugten Durchflusses zur Folge. Zum Dämpfen des bewegten Systems genügt eine geeignete Bemessung des Druckanschiusses 6.

Im Ausführungsbeispiel der Fig.4 besteht das Gelenk 7 aus einer Welle 77, die in durch die Wände des Gehäuses hindurchgehenden Lagern montiert ist Im Gehäuseinneren ist das bewegbare Teil 3, 24 mit der Welle /7 fest verbunden. Die Position dieses Teiles kann durch Verdrehen des Wellenendes über einen außenseitigen Hebel 13 verändert werden, wenn eine entspre- chende Kraft am Hebel angreift Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dazu die resultierende Kraft einer außenliegenden, von einem veränderlichen Steuerdruck versorgten Mehrfachtasche 11' herangezogen. Gleichzeitig wird auch die innenligende Mehrfach- tasche 11 von dem dem Luftstrom in der Einlaßkammer entnommenen dynamischen Druckunterschied versorgt, wie im Fall der F i g. 6. Man erkennt, 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 ein Drosselorgan für sogenannten »konstanten, veränderlichen Durchfluß«.

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei die Wand zwischen dem Gehäuse 12 und den Kammern 21 und 22 geschlossen ist und nur von den Lagern der an ihr montierten und innerhalb des Gehäuses 12 starr mit der Stellplatte 3 verbundenen Welle 77 durchbrochen ist Das bewegbare, zur Welle 77 konzentrische Blatt 24 ist außerhalb des Gehäuses 12 montiert und mittels des Hebels 13 aus dünnem Blech starr mit der Welle verbunden. Dieses Blatt 24 streift am freien Rand einer Wand 15 zwischen den Kammern 21 und 22 entlang. Wie u. a. aus dem Querschnitt A-A hervorgeht, ragt in diesem Fall das Gehäuse 12 in die Kammer 22 hinein. Diese Kammer weist daher einen besonderen Quer schnitt auf. Das Luftleck durch die Wellenlager ist unbedeutend. Innerhalb des Gehäuses 12 kann daher grundsätzlich ein beliebiger Luftdruck herrschen unabhängig von den Drücken in den Kammern 21 und 22. Die Schaltmöglichkeiten und Anwendungsgebiete werden dadurch entsprechend erweitert. Fig.5 zeigt beispielsweise eine Schaltung, die einen konstanten Luftdruck in einem Zuluftkanal aufrechterhalten kann.

F i g. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Das hier gezeigte Drosselorgan 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 Gehäuses 12 befestigt und wird mittels einer im Gehäuse montierten Mehrfachtasche 11, die dem dynamischen Druckunterschied des Luftstromes in der Einlaßkammer 21 ausgesetzt wird, eingestellt, wie schon im Zusammenhang mit F i g. 3 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 Gehäuses 12 befestigt ist Das Blatt 24' wird mittels einer im Gehäuse 12' montierten Mehrfachtasche 11' eingestellt. Diese Mehrfachtasche 11' wird von einem veränderlichen Steuerdruck Px versorgt, während innerhalb des Gehäuses 12' der örtliche Raumdruck herrscht. Die Wirkung dieses Drosselorgans ist ähnlich derjenigen des Drosselorgans für konstanten Durchfluß nach F i g. 3; hier 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.

Der dynamische Druckunterschied, der an der Stellplatte 3 angelegt wird, kann mittels einer profilierten Platte 17 oberhalb des Druckanschlusses 6 verstärkt werden, durch welche ein Venturirohr gebildet wird. Damit können strengere Toleranzen eingehalten werden.

In F i g. 7 verstellt das Stellglied ein Luftmischorgan. Es 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 Stellplatte 3 ist ihrerseits von einer Feder 8 sowie von einer außenliegenden, vom Steuerdruck versorgten Mehrfachtasche 11 belastet Der Steuerdruck entsprich einer zu regelnden Veränderlichen, z. B. einer Temperatur. Das Blatt 24 verläuft konzentrisch zur vertikal angeordneten senkrechten Welle 77, an der es mittels des Hebels 13 befestigt ist

F i g. 8 hat einen ähnlichen Aufbau und eine ähnliche Wirkungsweise. Das Blatt 24 hat jedoch die Form einei sektorförmig zugeschnittenen Scheibe und ist rechtwinklig auf der horizontal angeordneten Welle 71 befestigt Hierbei wird das Gewicht des scheibenförmigen Blattes 24 von einem Gegengewicht 9 ausgeglichen.

In beiden Fällen versorgt der Steuerdruck der Innenraum der Taschen 11, gleichzeitig wird die Feder t gespannt und außerdem das Blatt 24 mittels der Stange

14, des Hebels 13 und der Welle 77 in die gewünschte Position gebracht. Dieses Mischorgan reguliert daher ein Mischungsverhältnis in Abhängigkeit von einem Steuerdruck, der z. B. einer Temperatur entsprechen kann. S

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Pneumatisches Stellglied mit einer biegesteifen Grundplatte, einer hierzu auf einer vorgegebenen Bahn beweglichen, insbesondere schwenkbar gelagerten biegesteifen Stellplatte, dazwischen mindestens zwei aufeinanderliegender!, längs ihrer Berührungswände untereinander verbundenen Taschen und einem Druckmitteleinlaß für die durch öffnungen in den Berührungswänden untereinander verbundenen Innenräume der Taschen, wobei die Stellplatte Zwischenstellungen einzunehmen vermag, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegesteifigkeit der Taschen (11, 11') gegenüber ganz niedrigen Drücken, wie sie in der Klimatechrük üblich s<nd, vernachlässigbar klein ist und daß die Stellplatte (3, 3') als Vergleicher ausgebildet ist, dessen Zwischenstellungen von einem Kräfte- oder Momentengleichgewicht abhängig sind, das sich aus der resultierenden Kraft der an der Stellplatte wirkenden Druckunterschiede und einer die Stellplatte belastenden Gegenkraft ergibt

2. Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellplatte (3) durch ihr eigenes Gewicht bzw. das der mit ihr bewegten Teile als Gegenkraft belastet ist

3. Stellglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegten Teile ein Gegengewicht (9) umfassen.

4. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gelenkig gelagerte Stellplatte (3) in einem mit einem zweiten Druckmitteleinlaß (6i) versehenen Gehäuse (12) angeordnet ist und daß ein mit ihr verbundenes Teil (24, 77) durch die Gehäusewand nach außen geführt ist

5. Stellglied nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellplatte (3) auf einer Welle (77) befestigt ist, die durch zwei einander gegenüberliegende Gehäusewandteile nach außen geführt ist.