DE2461041A1

DE2461041A1 - Thermostatisches dehnstoff-arbeitselement

Info

Publication number: DE2461041A1
Application number: DE19742461041
Authority: DE
Inventors: Ernst Blaettler; Werner Roner
Original assignee: Staefa Control System SCS AG
Current assignee: Staefa Control System SCS AG
Priority date: 1974-01-11
Filing date: 1974-12-20
Publication date: 1975-07-17
Also published as: FR2257980A1; SE7500171L; FR2257980B1; SE396496B; CA1013726A; GB1456620A; US3968692A; DK675374A; CH608901A5

Description

EIKENBERG 8t BRÜMMERSTEDT PATENTANWÄLTE ίΝ HANNOVER

Stäfa Control Systems SCS AG 215/8

Thermostatiscta.es Dehnstoff-Arbeitselement

Die Erfindung betrifft ein thermostatisches Dehnstoff-Arbeitselement mit einem mit einem Dehnstoff gefüllten Gehäuse und mit einem stiftförmigen, einerends zugespitzten Arbeitskolben ,. der mit seinem zugespitzten Ende durch eine Oeffnung im Gehäuse, in dessen Innenraum hineinragt und der bei thermischer Aus- . dehnung des Dehnstoffes von diesem aus dem Gehäuse gedrückt wird. . »

Solche thermostatische Dehnstoff-Arbeitselemente sind Bauteile, die gemäss einer - von der Wahl des Dehnstoffes abhängigen Temperaturcharakteristik an ihrem Arbeitskolben mechanisch abgreifbare Stellkräfte erzeugen, wobei für das Mass des Hubes in einem bestimmten Temperaturbereich zwischen.einer Ansprechtemperatur und einer oberen Grenztemperatur eine wohldefinierte

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Abhängigkeit besteht.

Wegen ihres geringen Platzbedarfes sowie wegen der verhältnismässig hohen Kraft, die solche Arbeitselemente zu erzeugen vermögen, werden diese gewissermassen als Servomotoren in ferngesteuerte Anlagen oder aber auch zur temperaturabhängigen Betätigung von Ventilen an oder in diese selbst eingebaut.

Die Zuverlässigkeit dieser Arbeitselemente ist nur dann gewährleistet, wenn und solange die Elemente leckfrei sind, d.h. solange die einmal in das Gehäuse eingeführte Menge des Dehnstoffes konstant bleibt. Als Dehnstoffe werden meistens OeIe oder Wachse, die beim Uebergang von der festen in die flüssige Phase eine Volumenvergrösserung erfahren, verwendet. Ein Ausfliessen oder Lecken auch nur eines Bruchteiles des Dehnstoffes aus dem Gehäuse verändert grundlegend die Temperaturcharakteristik des Arbeitselementes und macht es in den meisten Fällen unbrauchbar.

Man hat daher dem Problem der Abdichtung des Innenraumes des Gehäuses gegenüber dem umgebenden Aussenraum bei allen bekannten Arbeitselementen der eingangs genannten Art die grösste Aufmerksamkeit geschenkt, ohne dass es aber bisher möglich gewesen wäre, eine Abdichtung zu schaffen, die ihre Eigenschaften über eine unbeschränkte Einsatzdauer des Arbeitselementes beibehielte. Diese Alterungsanfälligkeit der bekannten Arbeitselemente hängt damit zusammen, dass als Dichtung zwischen dem Innenraum des Gehäuses und dem Kolben, der in diesen Innenraum hineinragt und zwangsläufig auch aus dem Gehäuse herausragt, Bauteile aus gummiartigen Werkstoffen vorgesehen wurden. Diese Werkstoffe sind aber besonders bei den häufigen Temperaturwechseln, für die die Arbeitselemente ja gesphaffen sind, nur bedingt oder beschränkt alterungsbeständig.

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Dies beweisen die bekannten Arbeitselemente der eingangs genannten Art.

Beispielsweise bei dem aus der USA Patentschrift Nr. 3.403.560 bekannten Arbeitselement ist der Dehnstoff ein Wachs, vorzugsweise ein Mineralwachs. Er füllt den ringförmigen Raum zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Aussenseite einer ■ Scheide aus Gummi, die das zugespitzte (innere) Ende des Arbeitskolbens· satt umgibt. Die Scheide selbst weist an ihrem offenen Ende einen Randflansch auf, der zwischen einer Schulter des Gehäuses und einem eingebördelten Gehäusedeckel, der auch die Durchtrittsöffnung für den Arbeitskolben aufweist, eingeklemmt ist und als Dichtung dient.

Auch bei dem aus der deutschen Auslegeschrift Nr. 1.958.563 bekannten thermostatisehen Betätigungselement ist die Durchtrittsöffnung für den Arbeitskolben im Gehäusedeckel ausgebildet, der zugleich eine den Arbeitskolben zumindest im Bereich des Durchtrittes durch die Oeffnung stopfbuchsenartig umschliessende Dichtung an ihrem äusseren Rand festklemmt.

Dasselbe gilt für das aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 1.473.231 bekannte Arbeitselement, bei dem nicht nur die den Arbeitskolben satt umschliessende Scheide aus elastischem Material vorgesehen ist, sondern auch eine den Kolben im Bereich der Oeffnung umgebende Rundschnurdichtung.

Bei" dem Arbeitselement gemäss der deutschen Auslegeschrift Nr. 1.573.384 greift zwar der Kolben unmittelbar in den Dehnstoff hinein, doch ist seine Durchtrittsstelle aus dem Gehäuse mit einer vorgespannten Abdichtung nach der Art einer Stopfbuchse abgedichtet.

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In allen oben erwähnten Patentschriften wird der Ausbildung der Abdichtung zwischen Gehäuse und Arbeitskolben an dessen Durchtrittsstelle eine besonders grosse Bedeutung beigemessen, ohne dass es bisher in der Praxis gelungen wäre, eine'über lange Zeit befriedigende Lösung des Problems zu erzielen, ob nun flüssige oder feste Dehnstoffe verwendet werden, oder solche die im Arbeitsbereich von der festen in die flüssige Phase hinüberwechseln oder umgekehrt.

Bei diesem Stand der Technik ist es ein Anliegen der Erfindung, ein Arbeitselement der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die erwähnten Probleme auf andere Art weitgehend gelöst werden sollen.

Zu diesem Zweck ist das vorgeschlagene thermostatische Dehnstoff-Arbeitselement erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnstoff ein den Innenraum des Gehäuses ausfüllender Formkörper vorwiegend aus Polytetrafluorathylen, Polytrifluorchloräthylen oder Polytetrafluoräthylenperfluorpropylen ist.

Man hat überraschenderweise festgestellt, dass diese Kunststoffe einen ausreichenden Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, um als Dehnstoff zu dienen und darüber hinaus bei den sich im Gehäuse entwickelnden Drücken einerseits genügend fliessfähig sind, um wie ein Fluidum den Kolben zu verdrängen und andererseits dennoch die Eigenschaften eines Festkörpers so weit beibehalten, dass ein Lecken oder ein Ausfliessen durch den zwischen dem Kolben und der Wand der Oeffnung vorhandenen Spalt nicht zustande kommt, selbst wenn dieser nicht abgedichtet wäre.

Als Dehnstoffe sind zwar (jedoch für andersartige Arbeitselemente) schon allgemein Kunststoffe vorgeschlagen worden, aber

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nicht als Formkörper, d.h. nicht als massiver Teil, sondern stets in einer gelatinierten Suspension (z.B. in der USA Patentschrift 2.259.846 oder in der deutschen Auslegeschrift 1.266.017) oder aber mit einer weit über den üblichen Werten liegenden Menge an Weichmacher versetzte Kunststoffe, insbesondere Polyäthylen (deutsche Auslegeschrift 1.256.440).

Beim vorgeschlagenen Arbeitselement beträgt die Länge· der Oeffnung mit Vorteil ein Vielfaches deren Innendurchmessers, der seinerseits den Aussendurchmesser des Arbeitskolbens mit geringem Spiel umgeben kann. Dabei kann dieses Spiel derart gewählt werden, dass auf eine besondere Abdichtung des Arbeitskolbens gegenüber der Durchtrittsöffnung im Gehäuse überhaupt verzichtet werden kann.

Weitere Einzelheiten gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung hervor, deren einzige Figur einen Längsschnitt durch ein solches Arbeitselement darstellt. Das dargestellte Arbeitselement 10 weist ein im wesentlichen zylindrisches, langgestrecktes Gehäuse auf, das an seinem einen Ende eine durchgehende Oeffnung 12 aufweist, durch die ein Arbeitskolben 13 greift. Das in der Figur rechts erscheinende Ende des Arbeitskolbens 13 ist an das zu bewegende Bauteil (nicht dargestellt), z.B. an die Spindel eines Ventiles gekoppelt, während das in der Figur links erscheinende Ende des Arbeitskolbens 13, wie bei 14 dargestellt, zugespitzt ist und in den Innenraum 15 des Gehäuses 11 hineingreift. Dieser Innenraum ist durch einen Formkörper 16, beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen, ausgefüllt. An dem der Oeffnung 12 gegenüberliegenden Ende geht der Innenraum 15 in ein Innengewinde 18 über, in das ein Gewindestopfen 17 eingeschraubt ist. Anstelle des Stopfens 17 kann auch ein glatter eingegebördelter Stopfen vorgesehen sein.

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Auf der Aussenseite des vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl hergestellten Gehäuse 11 kann, sofern das Arbeitselement einer Fremdheizung bedarf, eine beispielsweise auf einem eloxierten Al-Röhrchen 19 gewickelte Heizwendel 20 vorgesehen sein.

Der Zusammenbau des dargestellten Arbeitselementes ist denkbar einfach. Sieht man von der Heizwendel 20 ab, ist das Arbeitselement lediglich aus vier Bestandteilen aufgebaut. In den vorgebohrten Formkörper 16 wird der Arbeitskolben 13 eingeführt, sodann wird der Formkörper 16 mit dem Arbeitskolben 13 voraus in das Gehäuse 11 eingeschoben, das dann mit dem Gewindestopfen 17 verschlossen wird. Mit dem Gewindestopfen setzt man auch den Formkörper 16 so weit unter Druck, dass er zu fliessen beginnt und die in allfälligen Unebenheiten im Innenraum 15 des Gehäuses 11 noch vorhandene Luft durch die Oeffnung 12 verdrängt. Auch kann man mittels des Stopfens 17 die innerste Lage des Arbeitskolbens 13 einstellen. Das Spiel zwischen dem Arbeitskolben 13 und der Wand der Oeffnung 12 kann beispielsweise einer Passung R7/g6 entsprechen, d.h. in einem Toleranzbereich, der ohne grosse Mühe mit herkömmlichen Dreh- bzw. Bohrmaschinen eingehalten werden kann.

Wird das Arbeitselement über die Ansprechtemperatur erhitzt, sei es mittels der Heizwendel 20 oder mittels eines das Arbeitselement 10 umgebenden Fluidums, dehnt sich der Formkörper 16 aus, wodurch der Arbeitskolben 13 verdrängt wird. Diese Verdrängung hat eine Axialverschiebung des Arbeitskolbens zur Folge und diese Axialverschiebung wird an dem in der Figur rechts erscheinenden Ende des Arbeitskolbens abgenommen. Wird das Arbeitselement 10 wieder abgekühlt, so drängt eine Rückstellkraft, beispielsweise ausgehend von einer

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Feder (nicht dargestellt), den Kolben in seine Ausgangsstellung zurück.

Der Vergleich mit den bekannten gattungsgleichen Arbeitselementen fällt für das erfindungsgemässe Arbeitselement ausserordentlich vorteilhaft aus. Da die Abdichtung keine Probleme aufwirft,' können einerseits im Inneren des Gehäuses höhere Arbeitsdrücke angewendet werden, was - bei gleicher Hubkraft - zu einer Verkleinerung des Arbeitselementes führt. Je kleiner das Arbeitselement ist, desto geringer wird sein gesamter Rauminhalt und mithin auch die Ansprechzeit. Aus demselben Grunde kann andererseits beim erfindungsgemässen Arbeitselement der Arbeitstemperaturbereich höher angesetzt werden (trifft vor allem für die Ausführungsform mit Fremdbeheizung zu) als bei den herkömmlichen Arbeitselementen. Dies wiederum macht das Arbeitselement unabhängiger von der Umgebungstemperatur und erhöht auch die Ansprechgeschwindigkeit beim Rückhub, da der Temperatursprung zwischen Arbeitstemperatur und Umgebungstemperatur bedeutend grosser ist.

Diese ganz wesentlichen Vorteile des erfindungsgemässen Arbeitselementes bleiben selbst im Vergleich mit Arbei.tselementen einer anderen Gattung bestehen, nämlich jener, in der der Dehnstoff in einem allseitig geschlossenen, jedoch durch einen Balg begrenzten Raum angeordnet ist.

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Claims

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P A T E N T A N S P. R U. C H E

/"•'Im Thermostatische Dehnstoff-Arbeitselement, mit einem mit einem den Stoff gefüllten Gehäuse und mit einem stiftförmigem einerends zugespitzten Arbeitskolben, der mit seinem zugespitzten Ende durch eine Oeffnung im Gehäuse in dessen Innenraum hineinragt und bei thermischer Ausdehnung des Dehnstoffes von diesem aus dem Gehäuse gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnstoff ein den Innenraum des Gehäuses ausfüllender Formkörper vorwiegend aus Polytetrafluoräthylen, PoIytrifluoräthylen oder Polytetrafluoräthylenperfluorpropylen ist.

2. Arbeitselement nach Ansprcuh 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Oeffnung grosser ist als ihr den Arbeitskolben umgebender Durchmesser.

3. Arbeitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Gehäuses an dem der Oeffnung gegenüberliegenden Ende durch einen Gewindestopfen begrenzt ist, mittels welchem der Formkörper vorspannbar ist.

4. Arbeitslement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben sich dichtungslos und mit geringem Spiel durch die Oeffnung hindurch erstreckt.

10.12,1974 Sa:ez

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