DE2201838A1 - Device for converting thermal energy into mechanical positioning work - Google Patents

Device for converting thermal energy into mechanical positioning work

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DE2201838A1
DE2201838A1 DE19722201838 DE2201838A DE2201838A1 DE 2201838 A1 DE2201838 A1 DE 2201838A1 DE 19722201838 DE19722201838 DE 19722201838 DE 2201838 A DE2201838 A DE 2201838A DE 2201838 A1 DE2201838 A1 DE 2201838A1
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evaporator
pressure chamber
chamber
heating coil
surrounded
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Paul Nauer
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Landis and Gyr AG
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Landis and Gyr AG
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    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00Control of temperature
    • G05D23/19Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/1919Control of temperature characterised by the use of electric means characterised by the type of controller
    • G05D23/1921Control of temperature characterised by the use of electric means characterised by the type of controller using a thermal motor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03G7/00Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like

Description

[ UMDHtSYK] LANDlS & GYR AG CH-6301 Zu8, Schweiz[UMDHtSYK] LANDIS & GYR AG CH-6301 to 8 , Switzerland

Einrichtung zur Umwandlung thermiecher Energie in mechanische StellarbeitDevice for converting thermal energy into mechanical positioning work

SCHLUESSELWOERTEfiKEYWORDSfi

Thermisch, mechanisch, Umwandlung, Antrieb, Energie, Stellarbeit, Stellantrieb, Verdampfung, Heizung, Flüssigkeit, Faltenbalg, Druck, Mantelrohr.Thermal, mechanical, conversion, drive, energy, actuating work, actuator, evaporation, heating, liquid, Bellows, pressure, jacket pipe.

KURZFASSUNGSHORT VERSION

Die Einrichtung zur Umwandlung thermiecher Energie in mechanische Stellarbeit besitzt einen Verdampferraum (1 bzw. 9f 10 bzw. 14) und einen mit diesem verbundenen Druckraum (2). Diese sind mindestens teilweis· mit Flüssigkeit gefüllt. Das Volumen des Druokraumes ist in Abhängigkeit το« inneren Druck veränderbar, wobei bei einer VolumenvergrOsserung fin Stellglied (7) entgegen einer äuaseren Kraft (6) betätigt wird. Der Verdampfer- und der Druckraum sind ringförmig ausgebildet, Sie sind axial hintereinander angeordnet und gehen ineinander über. Als innere oder äussere Be-The device for converting thermal energy into mechanical actuating work has an evaporator chamber (1 resp. 9f 10 or 14) and a pressure chamber connected to this (2). These are at least partially filled with liquid. The volume of the pressure room is dependent το «internal pressure changeable, whereby with a volume increase fin actuator (7) against an external force (6) is operated. The evaporator and pressure chambers are ring-shaped, they are arranged axially one behind the other and merge into one another. As an internal or external

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grenzung für den Verdampfer- und den Druckraum ist ein gemeinsames Mantelrohr (3) vorgesehen. Mögliche Ausgestaltung: Zur Bildung des Verdampferraumes ist im Mantelrohr eine Hülse (4) eingesetzt, die an einem Ende mit dem Mantelrohr den Verdampferraum luftdicht abschließet und am anderen Ende so verbreitert ist, dass ein schmaler Durchgang zum Druckraum besteht. Der Druckraum enthält einen Faltenbalg (6). Der Verdampferraum (1) ist von einer gleichmässig aufgebrachten, elektrischen Heizwicklung (5) oder von zwei Heizwicklungen (11, 12), wobei er in zwei Zonen (9, 10) unterteilt ist, oder von einer ungleichmässig aufgebrachten Heizwicklung (13), wobei er (U) sich gleichzeitig in seiner Breite ändert, umgeben.A common jacket pipe (3) is provided for the evaporator and pressure chamber. Possible design: To form the evaporator space, a sleeve (4) is inserted in the jacket tube, which is connected to the jacket tube at one end seals the evaporator chamber airtight and is widened at the other end so that a narrow passage to the Pressure space exists. The pressure chamber contains a bellows (6). The evaporator chamber (1) is made up of an evenly applied electrical heating coil (5) or two Heating coils (11, 12), where it is divided into two zones (9, 10) is divided, or surrounded by an unevenly applied heating coil (13), where he (U) changes in width at the same time.

BESCHBEIBUNQDESCRIBE

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Stellarbeit mit einem beheizten Verdampferraum und einem mit diesem verbundenen Druckraum, die mindestens teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt sind und bei der das Volumen des Druckraumes in Abhängigkeit vom inneren Druck veränderbar ist, wobei bei einer Volumenvergrösserung ein Stellglied entgegen einer äusseren Kraft betätigt wird.The invention relates to a device for converting thermal energy into mechanical actuating work with a heated evaporator chamber and a pressure chamber connected to this, which is at least partially with a liquid are filled and in which the volume of the pressure chamber can be changed as a function of the internal pressure, with an actuator against an increase in volume external force is operated.

Neben elektromotorischen und pneumatischen Stellantrieben werden in der Steuerungs- und Regelungstechnik auch thermisch betätigte Stellantriebe verwendet. Diese AntriebeIn addition to electric motor and pneumatic actuators Thermally actuated actuators are also used in control engineering. These drives

besitzen wenig beweglich· Teile und arbeiten daher aehr PA 162Θ ./.have few moving parts and therefore work harder PA 162Θ ./.

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zuverlässig. Sie bestehen im allgemeinen aus einen beheizbaren Yerdampferraum und einem Druckraum, die über ein Kapillarrohr miteinander verbunden sind. Das Volumen des Verdampferraumes und des Druckraumes ist relativ gross, so dass eine verhältnismässig grosse Menge der zu verdampfenden flüssigkeit erforderlich ist. Der thermische Stellantrieb ist deshalb mit einer entsprechend grossen Trägheit behaftet.Reliable. They generally consist of a heatable Yerdampferraum and a pressure chamber, which has a Capillary tube are interconnected. The volume of the evaporator chamber and the pressure chamber is relatively large, see above that a relatively large amount of the to be evaporated fluid is required. The thermal actuator is therefore subject to a correspondingly large amount of inertia.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Stellarbeit zu schaffen, die mit nur geringer Verzögerung arbeitet und ausserdem sehr einfach aufgebaut ist. Diese Aufgabe wird bei der anfangs genannten Einrichtung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Verdampferund der Druckraum ringförmig ausgebildet sind, dass sie axial hintereinander angeordnet sind und ineinander übergehen und dass als innere oder äueeere Begrenzung für den Verdampfer- und den Druckraum ein gemeinsames Hantelrohr vorgesehen ist. Vorzugsweise iet zur Bildung des Verdampferraume β im Hantelrohr eine Hülse eingesetzt, die am einen Ende mit dem Hantelrohr den Verdampferraum luftdicht abschliesst und am anderen Ende so verbreitert ist, dass ein schmaler Durchgang zum Druckraum entsteht. Der Druckraum enthält vorteilhaft einen Faltenbalg. Der Verdampferraum kann von einer gleichmässig aufgebrachten, elektrischen Heizwicklung oder von zwei Heizwicklungen, wobei er in zwei Zonen unterteilt ist, oder von einer ungleichmässig aufgebracht-It is therefore the object of the present invention to create a device for converting thermal energy into mechanical actuating work which operates with only a slight delay and is also very simply constructed. In the device mentioned at the beginning, this object is achieved according to the invention in that the evaporator and the pressure chamber are designed in an annular manner that they are arranged axially one behind the other and merge into one another and that as an inner or outer limit for the A common dumbbell tube is provided for the evaporator and the pressure chamber. Preferably, a sleeve is used to form the evaporator space β in the dumbbell tube, which on one The end of the dumbbell tube seals off the evaporator chamber airtight and is widened at the other end so that a narrow passage to the pressure chamber is created. The pressure chamber advantageously contains a bellows. The evaporator chamber can be from an evenly applied, electrical heating coil or two heating coils, in which it is in two zones divided, or by an unevenly applied

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ten Heizwicklung, wobei er sich gleichzeitig in seiner Breite ändert, umgeben sein.th heating coil, where it changes in width at the same time, be surrounded.

Der Verdampfer- und der Druckraum werden auf diese Weise zu einer Baueinheit zusammengezogen. Das Kapillarrohr, das bei den bekannten thermischen Antrieben den Verdampferund den Druckraum verbindet, kann somit entfallen. Die thermische Entkopplung zwischen diesen beiden Räumen wird durch die besondere Formgebung erreicht. Durch die ringförmige Ausbildung des Verdampferraumes kann die Plüseigkeitsschicht in diesem sehr dünn gemacht werden, so dass die zu verdampfende FlUssigkeitsmenge relativ gering ist. Die durch diese Einrichtung bedingte Verzögerung der Umwandlung ist dementsprechend klein, so dass sie in Steuer- und Regelkreisen vorteilhaft eingesetzt werden kann.In this way, the evaporator and pressure chambers are pulled together to form a structural unit. The capillary tube that in the known thermal drives, which connects the evaporator and the pressure chamber, can thus be omitted. the thermal decoupling between these two rooms is achieved through the special shape. Due to the ring-shaped design of the evaporator chamber, the layer of fluidity in this can be made very thin, so that the amount of liquid to be evaporated is relatively small. The delay in the conversion caused by this facility is correspondingly small, so that it is and control loops can be used advantageously.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is illustrated below with reference to in the figures illustrated embodiments explained in more detail.

Es zeigen: Fig.1 ein erstes AuefUhrungsbeispiel einerThey show: FIG. 1 a first exemplary embodiment of a

Einrichtung nach der Erfindung mit einer gleichmässigen, elektrischen Heizwicklung,Device according to the invention with a uniform, electrical Heating coil,

Pig.2 ein zweites Aueführungebeiepiel einer Einrichtung naoh der Erfindung «it zwei getrennten Heizwicklungen undPig.2 a second execution example of one Device according to the invention "with two separate heating coils and

Pig.3 ein drittes Ausführungβbeispiel einer Einrichtung nach der Erfindung mitPig.3 a third embodiment of a Device according to the invention with

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einer ungleiehmässig aufgebrachten Heizwicklung.an inappropriately applied heating coil.

Fig.1 enthält eine Einrichtung mit einem Verdampferraum 1 und einem Druckraum 2. Ale äuasere Begrenzung dieser beiden Räume ist ein gemeinsames Hantelrohr 3 vorgesehen. Als 'innere Begrenzung für den Verdampferraum ist in den oberen Teil des Mantelrohrs 3 eine Hülse 4 eingesetzt, die zusammen mit dem Mantelrohr 3 den Verdampferraum 1 am oberen Ende luftdicht abschliesst. Zwischen der Hülse 4 und dem Mantelrohr 3 befindet sich ein sehr schmaler Zwischenraum, der mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, gefüllt ist und der als Verdampferraum verwendet wird. Die zu verdampfen· de Flüesigkeitsschicht ist somit sehr dünn, so dass nur eine kurze Aufheizzeit erfoderlich iet. Dementsprechend schnell spricht die gezeigte Einrichtung auf Aendarungen der Heizleistung an. Dadurch, dass der Verdampferraum 1 aus sehr dünnwandigen Rohren gebildet wird, wird diese vorteilhafte Eigenschaft noch verstärkt.1 contains a device with an evaporator chamber 1 and a pressure chamber 2. All the outer boundaries of these two A common dumbbell tube 3 is provided. As the 'inner limitation for the evaporator space is in the upper Part of the jacket tube 3, a sleeve 4 is used, which together with the jacket tube 3, the evaporator chamber 1 at the top The end closes airtight. Between the sleeve 4 and the Jacket pipe 3 is a very narrow space which is filled with a liquid, preferably water and which is used as an evaporator room. The liquid layer to be evaporated is therefore very thin, so that only one A short heating-up time is required. Accordingly, the device shown speaks quickly to a representation of the heating power at. The fact that the evaporator chamber 1 is formed from very thin-walled tubes makes this advantageous Property reinforced.

Ue das Mantelrohr 3 herum ist im Bereich des Verdampfer- raumee 1 eine elektrische Heiswicklung 5 gelegt. Diese kann über ein Steuer- oder Regelgerät gespeist werden. Vorzugsweise erfolgt die Speisung und damit auch die.Arbeitsweise der Einrichtung im 2-Punkt-Betrieb. Hierbei ist die Heizwicklung 5 entweder stromlos oder sie wird von einem kon stanten Strom durchflossen. Entsprechend ist der Verdampfer- raus 1 naoh Beendigung der jeweiligen Uebergangsphase ganz ■it Flüssigkeit oder ganz alt Dampf gefüllt. PA X628 209836/0119 An electrical hot winding 5 is placed around the jacket tube 3 in the area of the evaporator chamber 1. This can be fed via a control or regulating device. The supply and thus also the operation of the device is preferably carried out in 2-point operation. Here, the heating coil 5 is either de-energized or a constant current flows through it. According to the evaporator out 1 naoh completion of each phase transition is quite filled it liquid or very old steam. PA X628 209836/0119

Am unteren Ende ist der Durchmesser der Hülse 4 in der Weise vergrössert, dass nur ein schmaler Spalt zwischen der Hülse 4 und dem Mantelrohr 3 verbleibt. Durch diesen Spalt erfolgt der Uebergang vom Verdampferraum 1 zum Druckraum 2. Der Druckraum wird auf der inneren Seite von einem Pederbalg 6 abgeschlossen. Der Federbalg ist am unteren, offenen Ende mit dem Mantelrohr 3 verbunden. Bei einer Druckerhöhung im Druckraum 2, d.h. bei einer Verdampfung der Flüssigkeit im Verdampferraum 1, wird somit der obere Teil des Federbalges 6 nach unten gedrückt. Dabei nimmt er einen Ventiletössel 7 mit. Diese Bewegung erfolgt gegen die .Kraft einer Feder 8. Die Feder 8 bewirkt, dass beim Abkühlen der Flüssigkeit im Verdampferraum 1 und auch bei Ausfall der Stromversorgung das Ventil wieder in die Ausgangslage zurückkehrt.At the lower end, the diameter of the sleeve 4 is in the Way that only a narrow gap between the enlarged Sleeve 4 and the jacket tube 3 remains. The transition from the evaporator chamber 1 to the pressure chamber takes place through this gap 2. The pressure chamber is closed on the inner side by a pedal bellows 6. The bellows is at the bottom, open end connected to the jacket tube 3. With a pressure increase in pressure chamber 2, i.e. with evaporation of the liquid in the evaporator chamber 1, the upper part of the bellows 6 is thus pressed downwards. In doing so, he takes a valve stem 7 with. This movement takes place against the . Force of a spring 8. The spring 8 has the effect that when the liquid in the evaporator chamber 1 cools and also in the event of failure the power supply returns the valve to its starting position returns.

Der Verdampfer- und der Druckraum sind thermisch und geometrisch so entkoppelt, dass sich auch bei maximaler Heizleistung im Druckraum kein Dampf bildet und der grösstmögliche Hub des Ventilstössels 7 nur durch das Volumen des Verdampferraumeβ bestimmt wird. Auf diese Weise ist ein Ueberlastschutz gegeben. Zwischen Verdampfer- und Druckraum befindet eich weiterhin ein so enger Durchtrittsquerschnitt, dass hier eine hydraulische Dämpfung auftritt. Dadurch wird verhindert, dass bei einer Abkühlung im Verdampferraum die aus dem Druckraum zurückfliessende Flüssigkeit etossartig in den Verdampferraum gelangt und hier einen plötzlichenThe evaporator and the pressure chamber are thermally and geometrically decoupled in such a way that no steam is formed in the pressure chamber even at maximum heating power and the greatest possible stroke of the valve stem 7 is only due to the volume of the Evaporator room is determined. This way is a Overload protection given. Between the evaporator and pressure chamber If there is still such a narrow passage cross-section that hydraulic damping occurs here. This will prevents the liquid flowing back from the pressure chamber from jolting in the event of a cooling in the evaporator chamber gets into the evaporator room and here a sudden

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Zusammenbruch der Gasphase bewirkt. Das Flüssigkeitsvolumen ist ferner im Verhältnis zur Elastizität des Systems so klein, dass bei einem eventuellen Gefrieren der Flüssigkeit, die vorzugsweise durch Wasser dargestellt wird, keine Beschädigungen auftreten.Caused collapse of the gas phase. The volume of liquid is also so small in relation to the elasticity of the system that if the liquid freezes, which is preferably represented by water, no damage occurs.

Die Einrichtung nach der Erfindung ist auch für einen 3-Punkt-Betrieb geeignet. Eine entsprechende Aueführungeform zeigt die Fig.2. Durch eine spezielle Ausbildung der Hülse 4 ist der Verdampferraum in zwei hintereinanderliegende Zonen 9 und 10 unterteilt. Beide Zonen sind thermisch entkoppelt und mit je einer Heizwicklung 11 bzw. 12 versehen. Wird nur eine dieser Heizwicklungen vom Strom durchflossen, dann wird der Ventilstössel 7 nur bis zur Hälfte des Gesamthubes bewegt. Sind beide Heizwicklungen in Betrieb, so wird der Gesamthub erreicht.The device according to the invention is also suitable for 3-point operation. A corresponding design shows the Fig.2. Due to a special design of the sleeve 4, the evaporator chamber is divided into two one behind the other Zones 9 and 10 divided. Both zones are thermally decoupled and each provided with a heating coil 11 or 12. If the current flows through only one of these heating coils, then the valve stem 7 is only moved up to half of the total stroke. If both heating coils are in operation, then the total stroke is reached.

Die Fig.3 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine ungleichmassig aufgebrachte Heizwicklung 13 verwendet wird. Bei einer Beheizung tritt somit ein Temperaturgefälle entlang des Verdampferraumes 14 auf. Der Verdampferraum 14 weist eine nach unten verlaufende, nichtlineare Verbreiterung auf, so dass die verdrängte Flüssigkeit und damit der Hub in Abhängigkeit von der Heizleistung gemäss einer nichtlinearen Funktion ergeben.3 shows an embodiment in which an unevenly applied heating coil 13 is used. At a Heating thus occurs a temperature gradient along the evaporator space 14. The evaporator chamber 14 has a downward, non-linear broadening, so that the displaced liquid and thus the stroke as a function of the heating power according to a non-linear Function.

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209836/01 19.209836/01 19.

Claims (6)

Landis & Gyr AG.Landis & Gyr AG. PATENTANSPRUECHEPATENT CLAIMS .j Einrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Stellarbeit mit einem beheizten Verdampferraum und einem mit diesem verbundenen Druckraum, die mindestens teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt sind und bei der das Volumen des Druckraumes in Abhängigkeit vom inneren Druck veränderbar ist, wobei bei einer Volumenvergrösserung ein Stellglied entgegen einer äusseren Kraft betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer- (1 bzw. 9, 10 bzw. 14) und der Druckraum (2) ringförmig ausgebildet sind, dass sie axial hintereinander angeordnet sind und ineinander übergehen und dass als innere oder äussere Begrenzung für den Verdampfer- (1 bzw. 9, 10 bzw. 14) und den Druckraum (2) ein gemeinsames Mantelrohr (3) vorgesehen ist. .j Device for converting thermal energy into mechanical actuating work with a heated evaporator chamber and a pressure chamber connected to this, which are at least partially filled with a liquid and in which the volume of the pressure chamber can be changed as a function of the internal pressure, with an actuator in the event of a volume increase is operated against an external force, characterized in that the evaporator (1 or 9, 10 or 14) and the pressure chamber (2) are annular, that they are arranged axially one behind the other and merge and that as inner or outer Limitation for the evaporator (1 or 9, 10 or 14) and the pressure chamber (2) a common jacket pipe (3) is provided. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Verdampferraumes (1 bzw. 9, 10 bzw. 14) im Mantelrohr (3) eine Hülse (4) eingesetzt ist, die am einen Ende mit dem Mantelrohr (3) den Verdampferraum (1 bzw. 9t 10 bzw. 14) luftdicht abschliesst und am anderen Ende2. Device according to claim 1, characterized in that to form the evaporator space (1 or 9, 10 or 14) a sleeve (4) is inserted in the jacket tube (3), which at one end with the jacket tube (3) opens the evaporator chamber (1 or 9t 10 or 14) seals airtight and at the other end PA 1628PA 1628 209836/01 1 9209836/01 1 9 so verbreitert ist, dass ein schmaler Durchgang zum Druckraum (2) besteht.is widened so that there is a narrow passage to the pressure chamber (2). 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (2) einen Faltenbalg (6) enthält.3. Device according to claim 1, characterized in that the pressure chamber (2) contains a bellows (6). 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampferraum (1) von einer gleichmäsaig aufgebrachten, elektrischen Heizwicklung (5) umgeben ist.4. Device according to claim 1, characterized in that that the evaporator chamber (1) is surrounded by an evenly applied electrical heating coil (5). 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampferraum in zwei Zonen (9t 10) unterteilt ist und jede Zone (9, 10) mit einer eigenen elektrischen Heizwicklung (11, 12) umgeben ist.5. Device according to claim 1, characterized in that the evaporator space is divided into two zones (9t 10) and each zone (9, 10) is surrounded by its own electrical heating coil (11, 12). 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampferraum (H) eine sich ändernde Breite be-•eitzt und von einer ungleichmässig aufgebrachten, elektrischen Heizwicklung (13) umgeben ist.6. Device according to claim 1, characterized in that the evaporator space (H) possesses a changing width and is surrounded by an unevenly applied electrical heating coil (13). JCB/avJCB / av PA 1628PA 1628 209836/0119209836/0119 LeerseiteBlank page
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