DE2425048A1

DE2425048A1 - Verfahren und vorrichtung zum regeln der temperatur eines mediums

Info

Publication number: DE2425048A1
Application number: DE19742425048
Authority: DE
Inventors: Richard Kaeser; Horst Mall
Original assignee: Industrie Werke Karlsruhe Ausburg AG
Current assignee: KUKA AG
Priority date: 1974-05-24
Filing date: 1974-05-24
Publication date: 1975-11-27
Also published as: CH599626A5; FR2330069B3; DE2425048B2; BR7503190A; ATA391375A; ES437583A1; DD118186A5; GB1505378A; AT348792B; SE7505902L; DK228075A; FR2330069A1; NL7505740A; IT1054621B

Description

Karlsruhe, 20. Mai 1974 ZPP/Ho/Rth

INDUSTRIE-WERKE KARLSRUHE AUGSBURG
Aktiengesellschaft

7500 Karlsruhe 1
Gartenstraße 71

Verfahren und Vorrichtung zum Regeln der
Temperatur eines Mediums

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines Mediums, wie Flüssigkeit, Dampf oder Gas, mittels eines Thermostaten ohne Hilfskraft und eines Ventiles.

Die zum Betätigen von Ventilen od. dgl. verwendeten und in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen unterschiedliche Ausführungsformen aufweisenden und nach dem

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Flüssigkeitsausdehnuhgsprinzip arbeitenden* Thermostate ohne Hilfskraft bestehen vorzugsweise aus einem als Wärmefühler ausgebildeten Meßglied, einem als hydraulischen Stellantrieb ausgebildeten Arbeitskörper sowie aus einem das Meßglied mit dem Arbeitskörper verbindenden Kapillarrohr. Außerdem sind Flüssigkeits-Thermostate mit einer Sollwertregulierung und einer Überdruck-, bzw. Übertemperatur-Sicherheitseinrichtung versehen, welche wahlweise am Meßglied oder am Stellantrieb angeordnet sein können. Es ist seit langem bekannt, Thermostat-Systeme der vorstehend erwähnten Art derart abzusichern, daß bei Auftreten einer Übertemperatur der damit verbundene Druckanstieg durch zusätzliche Ausdehnung der Flüssigkeit im Temperaturfühler mittels Überdruck- bzw. Übertemperatür-Sicherheitseinrichtungen im Thermostaten zu begrenzen, um die Bauelemente vor zu hohem Druck zu schützen.

Tritt nun beispielsweise eine Übertemperatür am Fühler auf, dann hat der Innendruck infolge der damit verbundenen Volumenvergrößerung der Füllflüssigkeit die Tendenz, ebenfalls ansteigen zu wollen, wobei er jedoch mittels einer übertemperatursicherung in tragbaren Grenzen gehalten wird. * Als Mittel hierzu wird üblicherweise eine von einer vorgespannten Feder erzeugte Kraft benutzt, welche auf die Fläche eines Metallschlauches oder aber auf einen entsprechend bemessenen Kolben wirkt. Die Metallschlauchoder aber die Kolbenfläche, multipliziert mit dem Systemdruck, ist die erzeugende Kraft, welche wiederum gegen

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die Kraft der vorgespannten Feder wirkt. Bei einem angenommenen unzulässigen Überdruck im Hydrauliksystem wird daher der Metallschlauch oder der Kolben axial derart verschoben, daß die Zunahme des Druckes im System einen konstruktiv festgelegten "Wert nicht überschreiten kann.

Am Zustandekommen eines Überdruckes ist eine am Thermostatfühler auftretende Übertemperatur verantwortlich, wenn beispielsweise trotz .geschlossenem Stellventil eine v/eitere Beheizung der Anlage, etwa durch Beschädigung des Ventilkegels oder dergl. erfolgt.- Eine andere Ursache für ein unzulässiges Ansteigen des Überdruckes im Thermostat-System kann beispielsweise auch darin bestehen _t daß durch etwaige Zeitkonstanten und Totzeiten von Regelanlage und Regler keine stabile Temperaturregelung erreicht wird, wodurch dann die zu regelnde Temperatur Pendelirrigen um den Sollwert ausführt, und damit der Temperaturfühler periodenweise überheizt werden kann.

Bislang erfolgte die Temperaturabsicherung für das Hydrauliksystem und die Sollvierteinstellung durch axiales Verschieben eines Metallsciilauches oder eines Kolbens. Bei Vervfenaurxg eines Scblauchtherrnostatoi mit hohem Innendruck, d. h, für große Ausgangskräfte am Ventilstellantrieb ist durch die Konstruktion und den Einbau des Schlauches eine absolute Dichtheit- im Hydrauliksystem gewährleistet.

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Es entsteht aber der Nachteil, daß die ¥ellen des Schlauches bei hohem Druck deformiert werden, so daß sich hierdurch das eingestellte Fühlervolumen vergrößert, was zur Folge hat, daß die Ausgangskraft des Thermostaten nicht beliebig gesteigert werden kann und somit bezüglich des Arbeitsdruckes ein nachgebendes Hydrauliksystem vorliegt, Ein weiterer Nachteil ist dadurch gegeben, daß dieser Regulierschlauch eine große Länge besitzt, da er den gesamten Axialweg für die Sollwerteinstellung und der Übertemperatursicherung aufnehmen muß. Dadurch ergeben sich große Längen bzw. Abmessungen für den Temperaturfühler oder für den Ventilstellantrieb, wodurch die Konstruktion aufwendig wird und die Einsatzmöglichkeiten begrenzt sind.

Dagegen ist bei Verwendung eines Kolbenthermostaten zwar eine hohe Ausgangskraft vorhanden, weil er auch bei hohem Druck keine nachgebenden Elemente wie der Schlauch hat. Durch die dauernden Hin- und Herbewegungen des Kolbens entsteht aber der Nachteil, daß Schleppverluste oder Leckage in der Füllflüssigkeit infolge der dynamischen Abdichtung dieses Kolbens auftreten, wodurch die Lebensdauer des Thermostaten begrenzt wird, bzw. dieser regelmäßig überprüft werden muß.

Demgegenüber hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt", ein in Aufbau und Wirkungsweise einfaches, betriebssicheres und verschleißarmes Thermostat-System zu

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schaffen, welches die bei den bekannten Lösungen erkannten Mängel und Nachteile vermeidet und die Vorteile des Kolben- und des Schlauchthermostaten in sinnvoller Weise miteinander kombiniert, so daß eine hohe Ausgangskraft erreicht und eine absolute Dichtheit erzielt wird, bei kleinen vertretbaren Abmessungen von Temperaturfühler und Ventilstellantrieb.

Erfindungsgemäß Wird diese Aufgabe gelöst durch eine SoIlwert-Reguliereinrichtung, in der sich ein nur beim Einstellen des Sollwertes verschiebbarer, beim Auftreten einer Übertemperatur jedoch unbewegbarer Kolben befindet, und einen mit dem Hydrauliksystem des Thermostaten in Verbindung stehenden, mit einem gasförmigen Medium gefüllten Druckspeicher, in dem eine Membrane bewegbar angeordnet ist, wobei zur Absicherung des Flüssigkeitssystems des Thermostaten vor Überdruck die Volumenzunahme der Fühlerflüssigkeit im Temperaturfühler beim Auftreten einer über den Sollwert eingestellten Temperatur durch den Druckspeicher infolge Lageveränderung der Membrane aufgenommen wird, und beim Nachlassen der Übertemperatur am Temperaturfühler die vom Druckspeicher aufgenommene Füllflüssigkeit ohne Lageveränderung des Kolbens der Sollwert-Reguliereinrichtung wieder abgegeben wird.

Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die bisher entstandenen Schleppverluste oder Leckage in der Füllflüssigkeit

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nicht mehr auftreten können, da der Kolben die ununterbrochenen Hin- und Herbewegungen nicht mehr ausführt. Da der Kolben nur bei der Einstellung des Sollwertes verschoben wird, ist dieser als statisch abgedichtet anzusehen. Da die Voluinenzunahme der Fühlerflüssigkeit bei Auftreten von Übertemperaturen am Temperaturfühler vom Druckspeicher in sich aufgenommen wird, entfällt der bei Schlauchthermostaten übliche Regulierschlauch, was kleinere Fühlerbaulängen zur Folge hat.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung kann der Thermostat mit einem als Membran- oder Blasenspeicher v/irksamen Druckspeicher und einer Sollwert-Reguliereinrichtung ver- ■ sehen und in dieser ein Zylinder sowie ein beim Einstellen des Sollwertes auf die Flüssigkeit wirkender verschiebbarer Kolben angeordnet sein, wobei der Zylinder über Kapillarrohre mit dem Temperaturfühler und einem Ventilstellantrieb verbunden ist, und mn den Druckspeicher eine Vielzahl von Windungen des zum Temperaturfühler oder zum Ventilstellantrieb führenden Kapi'larrohres angeordnet sind. Dadurch, daß das dem Temperaturfühler oder aber auch dem Ventilstellantrieb zugeordnete Kapillarrohr mehrfach um den * Druckspeicher geschlungen ist, ist eine Kapillarrohr-Reserve vorhanden, um in den meisten Fällen ohne Auswechselung des Kapillarrohres die unterschiedlichen Entferjrfhungen vom Keßort zum Steuert.überbrücken zu können.

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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung steht die Fühlerflüssigkeit im Temperaturfühler über ein Kapillarrohr, eine Bohrung und einen Sinterfilter mit dem Druckspeicher und gleichzeitig über die Sollwert-Reguliereinrichtung und einem Kapillarrohr mit dem Ventilstellantrieb in Verbindung. Durch den porösen Sinterfilter entfällt der bisher übliche Membranschutz mittels eines Ventilkegels, so daß durch die in sich geschlossene Membrane eine absolute Trennung zwischen Gas™ und Hydraulikraum erfolgt, wodurch eine erhöhte Sicherheit erzielt wird.

Während bisher der in der Sollwert-Reguli er einrichtung gelagerte Kolben und der Druckspeicher zv;ei voneinander getrennte Teile verkörperten, ist es auch ohne weiteres möglich, den Druckspeicher in die Sollwert-Reguliereinrichtung einzusetzen, so daß einem anderen Erfindungsmerkmal zufolge die Membrane oder die Blase des Druckspeichers im Kolben der Sollwert-Reguliereinrichtimg angeordnet ist. Bei dieser Ausführung hat der Kolben zwei Aufgaben zu erfüllen, indem er einerseits den Druckspeicher in- sich aufnimmt und andererseits gemeinsam mit dem Druckspeicher eine einmalige Verschiebebewegung bei der Einstellung des Sollwertes ausführt.

Der Ventilstellazitrieb und .der Temperaturfühler können von dem die Sollvvert-Reguliereinrichtung und den Druckspeicher aufnehmenden Gehäuse räumlich getrennt sein. Nach einem

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weiteren Erfindungsmerkmal kann aber auch der Ventilstellantrieb zusammen mit der Sollwert-Reguliereinrichtung und dem Druckspeicher in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Es ist aber auch einem anderen Erfindungsmerkmal zufolge ohne weiteres möglich, den Temperaturfühler über eine im Zylinder mündende Bohrung unmittelbar mit der Sollwert-Reguliereinrichtung und dem Druckspeicher zu verbinden.

In der Zeichnung ist die Erfindung ohne jegliche Veränderung dieses Prinzips an drei Ausführungsbeispielen dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Flüssigkeits-Thermostaten mit Druckspeicher, der zusammen mit einer Sollwert-Reguli er einrichtung in einem zentralen Gehäuse angeordnet ist,

Fig. 2 einen Flüssigkeits-Thermostaten mit einem im Gehäuse des Ventilantriebes angeordneten Druckspeicher, der sich im Ko,lben der Sollwert-Reguliereinrichtung befindet, und

Fig. 3 einen Flüssigkeits-Therraostaten, bei dem am Temperaturfühler ein den Druckspeicher und die Sollwert-Reguliereinrichtung aufnehmendes Gehäuse angeordnet ist.,

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In Fig. 1 ist in einem Gehäuse 1 eine Sollwert-Reguliereinrichtung 2 sowie ein Druckspeicher 3 angeordnet, der als Membran- oder Blasenspeicher ausgebildet sein kann. Das Innere des Speichers 3> in dem sich eine Membrane 3b oder eine nicht dargestellte Blase befindet, wird durch eine durch einen Stift 3d verschlossene Bohrung mit einem unter bestimmten statischen Druck stehenden gasförmigen Medium 3a,,wie Stickstoff, gefüllt. Nach unten ist der Speicher 3 mit einer Bodenkappe 3e verschlossen. In der Sollwert-Reguliereinrichtung 2 sind ein Zylinder 2c sowie ein beim Einstellen des Sollwertes auf die Füllflüssigkeit 2a wirkender Kolben 2e angeordnet, der sich mittels eines Einstellknopfes 2b manuell verstellen läßt. Der Zylinder 2c ist einerseits über ein Kapillarrohr 7 mit einem Temperaturfühler 8 und andererseits über ein Kapillarrohr 7a mit einem Ventilstellantrieb 9 verbunden. Das vom Zylinder 2c zum Temperaturfühler 8 führende Kapillarrohr 7 ist dabei spiralförmig um den Druckspeicher herumgewunden, wodurch eine Reserve für verschiedene Einbaumöglichkeiten des Temperatürfühlers verbleibt. An dem Zylinder 2c befindet sich eine Bohrung 2f, durch den die Flüssigkeit bei auftretendem überdruck gelangt, um über einen Sinterfilter 3c die Außenseite der Membrane 3b öder einer nicht dargestellten Blase zu beaufschlagen.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführung, bei dem der Flüssigkeits-Thermostat mit einem im Gehäuse 1a des Ventil-

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Stellantriebes 9 angeordneten Druckspeicher und eine Sollwert-Reguliereinrichtung ausgebildet ist, unterscheidet sich von der Ausführung gemäß Fig. 1 dadurch, daß der Druckspeicher mit der Membrane 3b oder der nicht dargestellten Blase und dem gasförmigen Medium 3a in den Kolben 2e eingebaut ist.

Obwohl bei der Ausführung nach Fig. 3 der Druckspeicher mit Membrane 3b oder der nicht dargestellten Blase und Medium 3a ebenfalls in den Kolben 2e eingesetzt ist, besteht jedoch gegenüber der Ausbildung nach. Fig. 2 der Unterschied, daß am Temperaturfühler 8 ein den Druckspeicher und die Sollwert-Reguliereinrichtung aufnehmendes Gehäuse 1b angeordnet ist.

Die Arbeitsweise des Flüssigkeits-Thermostaten gemäß den Fig. 1-3 ist wie folgt:

Die im Temperaturfühler 8 befindliche Fühlerflüssigkeit 8a dehnt sich beim Erwärmen des Fühlers aus und gelangt durch das Kapillarrohr 7 in den Zylinder 2c.und von dort durch das Kapillarrohr 7a in den Ventil-Stellantrieb 9. In diesem bewegt sie infolge der bei Erwärmung erzielten Ausdehnung * die Ventilstange 10 und drosselt bzw. schließt das - nicht dargestellte - Ventil. Kühlt der Temperaturfühler 8 und damit auch die in diesem befindliche Fühlerflüssigkeit 8a ab, so öffnet das Ventil wieder.

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Das Einstellen des Sollwertes auf die gewünschte Temperatur erfolgt durch einmaliges axiales Verstellen des Kolbens 2e mittels des Einstellknopfes 2b. Wild dieser verdreht, dann vergrößert sich beispielsweise durch die Verschiebung des Kolbens 2e das Volumen des Zylinders 2c, so daß vom Ventilstellantrieb 9 aus mehr Flüssigkeit in den Zylinder gelangen kann und somit das angeschlossene Ventil öffnet. Der der Flüssigkeit innewohnende Druck wirkt zugleich über die Bohrung 2f und den Sinterfilter 3c auf die Außenseite der Membrane 3b, welche dabei infolge des Druckes des gasförmigen Mediums 3a in ihrer Ausgangsstellung verbleibt. Bei entgegengesetzter Drehung des Einstellknopfes 2b des Kolbens 2e wird der Sollwert dementsprechend auf eine niedrigere Temperatur eingestellt.

Bei dem erfindungsgeniäßen Flüssigkeits-Thermostaten wirkt nun einerseits der Druck eines gasförmigen Mediums 3a, wie z.B. Stickstoff, im Druckspeicher 3 und andererseits der Druck der Fühlerflüssigkeit 8a des Temperaturfühlers Wird nun trotz geschlossenen Ventiles 'vom Temperaturfühler 8 ein weiteres Ansteigen der über den Sollwert eingestellten Temperatur registriert, so daf3 eine Übertemperatur am Temperaturfühler· entsteht, dann wird die damit verbundene Volumenxunahffie des Temperaturfühlers 8 - ohne daß eine Verschiebung des Kolbens 2e der Sollwert-Reguliereinrichtung erfolgt- durch den Druckspeicher 3 aufgenommen, indem eine der Volumensunahme entsprechende Lageveränderung der Membrane 3b oder der nicht dargestellten Blase erfolgt. Auf diese

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Weise wird ein unzulässiges Ansteigen des Innendruckes im Hydrauliksystem mit Sicherheit verhindert. Beim Nachlassen der durch den Temperaturfühler 8 registrierten Übertemperatür geht die Membrane 3b - wiederum ohne jegliche Lageveränderung des Kolbens 2e - in ihre Ausgangslage zurück, wobei die Füllflüssigkeit wieder in das wirksame Hydrauliksystem zurückgespeist wird.

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Claims

/ft-

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren- und Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines Mediums, wie Flüssigkeit, Dampf oder Gas, mittels eine.s ^Thermostaten ohne Hilfskraft und eines Ventiles, gekennzeichnet durch

eine Sollwert-Reguliereinrichtung, ii* 4er sich ein nur "beim Einstellen· des Sollwertes verschiebbarer, beim Auftreten einer Übertemperatür jedoch unbewegbarer Kolben befindet, und einen mit dem Hydrauliksystem des Thermostaten in Verbindung stehenden, mit einem"gasförmigen Medium gefüllten Druckspeicher, in dem eine Membrane bewegbar angeordnet ist, wobei zur Absicherung des Flüssigkeitssystems des Thermostaten vor Überdruck die Volumenzunahme der Fühlerflüssigkeit im Temperaturfühler beim Auftreten einer über den Sollwert eingestellten Temperatur -n Druckspeicher infolge Lageveränderun^«ler Membrane aufgenommen wird, und beim Nachlassen der Übertemperatur am Temperaturfühler -die vom Druckspeicher aufgenommene Füllflüssigkeit ohne Lageveränderung des Kolbens der Sollwert-Regul.lerei.arichtung 'wieder abgegeben wird.

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-Kf-
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.,

dadurch gekennzeichnet,

daß der.Thermostat mit einem als Membran- oder Blasenspeicher wirksamen Druckspeicher (3) und einer Sollwert-Reguliereinrichtung (2) versehen ist und in dieser ein Zylinder (2c) sowie ein beim Einstellen des Sollwertes auf die Flüssigkeit (2a) wirkender verschiebbarer Kolben (2e) angeordnet ist, wobei der Zylinder (2c) über Kapillarrohre (7, 7a) mit dem Temperaturfühler (8) und einem Ventilstellantrieb (9) verbunden ist, und um den Druckspeicher (3) eine Vielzahl von Windungen des zum Temperaturfühler (δ) oder zum Ventilstellantrieb (9) führenden Kapillarrohrs (7, 7a) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Fühlerflüssigkeit (8a) über einen Sinterfilter (3c) mit dem Druckspeicher (3) in Verbindung steht.

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4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Membrane (3b) oder die Blase des Druckspeichers (3) im Kolben (2e) der Sollv;ert-Regu-Iiereinrichtung (2) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Ventilstellantrieb (9) zusammen mit der Sollwert-Reguliereinrichtung (2) und dem Druckspeicher (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (1a) angeordnet sind*
6. Vorrichtung nach Ansprtich 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Temperaturfühler (8) über eine im-Zylinder (2c) Kündende Bohrung (2f) unmittelbar mit der Sollwert-Reguliereinrichtimg (2) und dem Druckspeicher (3) verbunden ist.

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