DE2703283C2 - Druckempfindliches Diaphragma - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein druckempfindliches Diaphragma mit einem kuppeiförmigen Bereich, der randseitig von einer Lippe umgeben ist, wobei das Diaphragma sich bei Anlegen einer vorbestimmten Druckdifferenz zwischen seinen beiden Seiten plötzlich durchbiegt

Ein Diaphragma der vorgenannten Art ist beispielsweise aus der US-PS 37 20 090 her bekannt. In dieser US-PS ist ein druckbetätigter elektrischer Schalter beschrieben, der ein Diaphragma in Form einer Metallscheibe aufweist. Diese Metallscheibe weist einen zentrischen kuppeiförmigen Bereich auf, der umgeben ist von einer flachen randseitigen Lippe. Das Diaphragma ist so konstruiert, daß unterhalb eines Grenzwerts des Differenzdruckes zwischen den beiden Diaphragmaseiten nur eine relativ geringe Druchbiegung stattfindet, jedoch oberhalb dieses Grenzwertes eine starke Durchbiegung bzw. Schnappwirkung auftritt. Ein elektrischer Schaltkontakt ist mit dem Zentrum des Diaphragmas verbunden, so daß dieser Schalter betätigt wird, wenn der Differenzdruckschwellwert überschritten wird.

Derartige druckbetätigte Schalter werden beispielsweise bei Gasturbinen verwendet, um ein Warnsignal zu erzeugen, wenn der Öldruck der Turbine unter einen Sicherheitsschwellwert abfällt. Das in einem solchen Schalter verwendete Diaphragma ist oftmals hohen Temperaturen und Temperaturänderungen, Vibrationen und starken Veränderungen des anliegenden Differenzdruckes ausgesetzt. Es hat sich gezeigt, daß bei solchen Betriebsbedingungen und einer sich wiederholenden Betätigung die Gefahr besteht, daß Brüche bzw. Risse entlang der Grenze zwischen dem zentralen kuppeiförmigen Bereich und der diesen Bereich umgebenden flachen randseitigen Lippe auftreten.

Ein weiteres Diaphragma der vorgenannten Art zeigt die US-PS 32 52 481. Dieses Diaphragma biegt sich nach der einen oder anderen Seite durch, je nach dem, welche Seite mit Druck beaufschlagt ist. In weiten stabilen Stellungen des durchgebogenen Diaphragmas liegt dieses gegen konkave Wandungen des das Diaphragma haltenden Kammergehäuses an und verschließt hierbei mindestens eine Bohrung in der Wandung, gegen die das Diaphragma anliegt, womit die Stellung des Diaphragmas abgetastet wird. Jedoch besteht auch hier eine Bruch- und Rißneigung zwischen Lippe und zentralem kuppeiförmigen Bereich.

Es besteht daher die Aufgabe, ein Diaphragma so auszubilden, daß die vorgenannte Bruch- bzw. Rißneigung behoben wird.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Diaphragma der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden

Merkmalen des Anspruches.

Zwei Ausführungsbeispiele von druckbetätigten elektrischen Schaltern mit den srfindungsgemäßen Diaphragmen werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines druckbetätigten elektrischen Schalters,

F i g. 2 einen vergrößert dargestellten Schnitt durch das Diaphragma entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel,

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht des Diaphragmas gemäß F i g. 2,

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Druck-Durchbiegecharakteristik des Diaphragmas und

Fi g. 5 einen Schnitt durch eine zweite Aasführungsform eines druckempfindlichen elektrischen Schalters.

Gemäß Fig. 1 weist der Druckschalter ein vorderes Gehäuse 1 und ein rückseitiges Gehäuse 2 auf, die beide aus rostfreiem Stahl bestehen und durch Elektronenstrahlschweißung miteinander verbunden sind. Das vordere Gehäuse 1 weist eine zentrale Einlaßöffnung 3 auf, durch die Schmieröl mit hohem Druck eintritt Durch eine exzentrisch angeordnete Einlaßöffnung 4 tritt öl mit geringem Druck ein. Die Einlaßöffnung 3 für den hohen Druck geht über in eine mit einem Gewinde versehene Bohrung 5, welche selbst übergeht in eine Kammer 6 des Vordergehäuses 1, wobei die Kammer abgeschlossen ist durch ein Diaphragma 7. Die Einlaßöffnung 4 für den niederen Druck geht über in eine Kammer 8 des rückwärtigen Gehäuses 2.

Das Diaphragma 7, welches später noch im einzelnen beschrieben wird, ist im wesentlichen von kreisförmiger, tellerförmiger Gestalt und ist längs seiner flachen Randlippe 9 durch eine Elektronenstrahlschweißung mit dem Gehäuse 1 verbunden. Das Diaphragma 7, welches sich mit seinem kuppeiförmigen Zentralbereich in die Kammer 6 erstreckt, ist nahe einer kuppeiförmigen rückseitigen Platte 10 aus rostfreiem Stahl angeordnet, wobei diese Platte 10 ebenfalls mit ihrem Rand über eine Elektronenstrahlschweißung mit dem Gehäuse 1 verbunden ist. Die rückseitige Platte 10 begrenzt die Durchbiegung des Diaphragmas 7 in rückwärtiger Richtung, wobei diese Platte einen Zentralbereich 11 aufweist, der mittels einer Schraubverbindung einstellbar ist, um so das Maß der Durchbiegung begrenzen zu können. Der Druck in der Kammer 8 gelangt zum Diaphragma 7 über eine Zentralöffnung 12 des Teils 11.

Eine Druckunterlage 13 wird über eine Feder 14 gegen das Zentrum dss Diaphragmas 7 gedrückt. Hierdurch wird eine Federvorspannung des Diaphragmas 7 in Richtung der rückseitigen Platte 10 erreicht, wobei diese Federvorspannung den Druckdifferenzgrenzwert bestimmt, bei welchem das Diaphragma 7 eine Schnappbewegung ausführt. Die Größe der Federkraft der Feder 14 ist einstellbar durch eine Einstellschraube 15, die innerhalb der Büchse 16 angeordnet ist. Die Büchse 16 ist in die Bohrung 5 des Vordergehäuses 1 eingeschraubt und dient als Anschlag zur Begrenzung der Maximaldurchbiegung des Diaphragmas 7 in die Kammer 6. Diese Begrenzung wird dadurch erreicht, daß die Unterlage 13 sich am Rand der Büchse 16 abstützt. Die Stellung des Anschlags und damit die Begrenzung kann verändert werden, indem die Büchse 16 mehr oder weniger in die Bohrung 5 eingeschraubt wird.

Eine Durchbiegung des Diaphragmas 7 in Richtung weg von der rückseitigen Platte 10 wird über eine mechanische Gelenkverbindung 17 auf einen elektrischen Mikroschalter 18 übertragen. Die Gelenkverbindung 17

umfaßt eine Stange 19, welche durch die Zentralöffnung 12 hindurchgeht und die eine verrundete Spitze aufweist welche elastisch durch den Hebel 20 gegen die Rückseite des Diaphragmas 7 gedrückt wird. Der Hebel 20 trägt einen Arm 21, der durch eine öffnung 22 am rückwärtigen Gehäuse 2 nach hinten in Richtung auf Jen Mikroschalter 18 verläuft Der Hebel 20 ist an den Punkten 23 an gegenüberliegenden Seiten des Arms 21 gelenkig gelagert, so daß eine Durchbiegung des Diaphragmas 7 7u einer winkelmäßigen Verschwenkung des Arms 21 um die Lagerpunkte 23 zur Betätigung des Mikroschalters 18 führt

Der Mikroschalter IS befindet sich in einem am Gehäuse 2 befestigten Aluminiumgehäuse 24. Die Öffnung 22 wird mittels eines Diaphragmas 25 hermetisch abgedichtet, wobei durch das Diaphragma 25 hindurch der Arm 21 geführt ist und wobei das Diaphragma 25 so flexibel ausgebildet ist daß der Arm 21 ausreichend Freiheit hat um die erforderliche winkelmä.Oige Bewegung auszuführen. Zu dem Mikroschalter 18 führen Leitungen 26 vom elektrischen Anschlußstück 27, welches an der Außenseite des Gehäuses 24 montiert ist.

Öl hohen Drucks gelangt zur Kammer 6 und öl niederen Drucks gelangt zur Kammer 8, so daß über das Diaphragma 7 hinweg ein Differenzdruck entsteht. Dieser Differenzdruck zusammen mit der Vorspannung durch die Feder 14 bewirken, daß das Diaphragma 7 nach rückwärts in Richtung der rückseitigen Platte 10 entgegen der Diaphragmaelastizität gedrückt wird. Fällt der Differenzdruck unter einen vorbestimmten Grenzwert, dann überwindet die Elastizität des Diaphragmas 7 die Federvorlast und das Diaphragma schnappt plötzlich in eine Richtung, weg von der rückseitigen Platte 10. Diese Schnappbewegung infolge der Durchbiegung des Diaphragmas 7 erzeugt eine Winkelbewegung des Hebels 20, so daß der Arm 21 den Mikroschalter 18 betätigt, wodurch ein Alarm- oder anderer Schaltkreis betätigt wird, der an den Anschluß 27 angeschlossen ist.

Der konstruktive Aufbau des Diaphragmas 7 und seine Arbeitsweise wird anschließend anhand der Fig. 2 bis 4 beschrieben.

Wie den F i g. 2 und 3 entnehmbar ist, weist das Diaphragma 7 eine im wesentlichen kreisförmige tellerförmige Form auf, mit einem nach oben verlaufenden zentralen Bereich 28 mit einem Durchmesser d von beispielsweise 2,38 cm, wobei dieser Bereich 28 umgeben ist von einer ran&seitigen Lippe 29, deren Außendurchmesser beispielsweise 3,05 cm beträgt. Eine zylindrische Wandung 30 mit einer Höhe H von beispielsweise 0,25 cm definiert den kuppeiförmigen Bereich 28, wobei diese Wandung 30 im wesentlichen rechtwinklig zur Lippe 29 verläuft. Die Oberseite 31 des Diaphrr.gmas ist kuppeiförmig ausgebildet, wobei die Kuppelhöhe h, das ist die Höhe vom Zentrum der Spitze 31 bis zum Beginn der Wandung 30, beispielsweise zwischen 0,051 und 0,076 cm liegt.

Das Diaphragma besteht aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke t von beispielsweise zwischen 0,01 cm und 0,03 cm. Anstelle von Stahl kann es auch aus anderen Materialien, wie beispielsweise Berylliumkupfer, Phosphorbronze oder irgendeiner Nickellegierung bestehen. Zur Herstellung des Diaphragmas wird beispielsweise eine Metalltafel zwischen einen Formstempel und ein Druckkissen gebracht, wobei dann das aus einem elastischen Material bestehende Druckkissen gegen den Stempel gedruckt wird. Hierbei wird die Metailtaiel entsprechend der Form des Stempels deformiert. Nach dem Umformen der Metalltafel wird das sich so ergebende Diaphragma mittels eines Wärmeprozesses gehärtet

Wenn die Durchbiegung des Diaphragmas frei von irgendwelchen Beschränkungen ist und eine wachsende Druckdifferenz angelegt wird, dann bewirkt diese, daß die kuppeiförmige Spitze 31 kleiner wird und zu einer fortschreitend wachsenden Durchbiegung führt wie dies die Durchbiegungskurve gemäß F i g. 4 zwischen

ίο den Punkten A und Bzeigt. Ein weiteres Anwachsen des Druckes bewirkt eine schnappende Durchbiegung der kuppeiförmigen Spitze 31 und zwar von 2? nach Clängs des negativen Zweigs der Druck-Durchbiegungskurve. Ein weiteres Anwachsen des Druckes führt zu einer geringen Durchbiegung längs des positiven Kurventeils im Kurvenzweig oberhalb des Punktes C. Wird der Druck reduziert, dann vermindert sich die Durchbiegung allmählich vom Punkt C zum Punkt D und schnappt dann plötzlich zurück von Punkt O zu Punkt E in den positiven Kurventeil des unteren Teils der Kurve. Diese Druck-Durchbiegungscharakteristik des Diaphragmas enthält einen Hystereseeffekt, das heißt der Wert des Differenzdrucks, bei welchem die Schnappbewegung auftritt, hängt davon ab, ob der Druck sich erhöht oder vermindert. Dieser Hystereseeffekt differiert primär in Abhängigkeit von der Dicke t des Materials des Diaphragmas und ebenso von der Höhe t der kuppeiförmigen Spitze 31.
Wenn das Diaphragma 7 sich in dem Druckschalter gemäß F i g. 1 befindet, dann wird die Durchbiegung rückwärts begrenzt durch die rückseitige Platte 10 und vorwärts begrenzt durch den Druckanschlag, bestehend aus dem Anschlag 13 und der Büchse 16. Die rückseitige Platte 10 wird so eingestellt daß die rückwärtige Durchbiegung begrenzt ist auf ein Maß entsprechend dem Punkt Wim negativen Kurventeil der Druck-Durchbiegungskurve. Die Büchse 16 wird dagegen so eingestellt, daß die Vorwärtsdurchbiegung begrenzt ist bis zu einem Punkt Kim negativen Kurventeil. Wenn somit der Druck in der Kammer 6 unter einen Wert abfällt, der durch den Punkt Y definiert ist, dann biegt sich das Diaphragma 7 von Y nach Z durch. Die umgekehrte Schnappbewegung bei steigendem Druck in der Kammer 6 findet statt von Wnach X. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß die Schnappbewegung, die bei fallendem Druck in der Kammer 6 auftritt, bei einem höheren Druck stattfindet im Vergleich zu demjenigen eines in seiner Bewegung nicht begrenzten Diaphragmas. Die Schnappbewegung bei steigendem Druck in der Kammer 6 tritt dagegen bei einem niedrigeren Druck auf als bei einem in seiner Bewegung nicht begrenzten Diaphragma. Auf diese Weise kann der Wert der Hysterese, das ist die Druckdifferenz zwischen den Punkten IVund Y, verändert werden durch Einstellen der Lage der rückseitigen Platte 10 und der Büchse 16.

Obwohl im wesentlichen die Diaphragmawand 30 zylindrisch ausgebildet ist, ist es ohne weiteres möglich, dieser Wandung eine konische Form zu geben, bei welcher die Durchmesser im Bereich des Üppenansatzes

to und im Bereich des Ansatzes der kuppeiförmigen Spitze 31 differieren. Weiterhin ist es nicht notwendig, daß die Wandung 30 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, sie kann auch eine andere kontinuierliche Form, beispielsweise einen ovalen Querschnitt aufweisen.

b-3 Eine weitere Ausführungsform eines druckbetätigten Schalters ist in F i g. 5 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Diaphragma eine konische Wandung auf. Hs ist jedoch ohne weiteres möglich, auch ein Dia-

phragma mit einer zylindrischen Wandung zu verwenden.

Das Diaphragma 32 wird mit seiner randseitigen Lippe 33 gehalten zwischen einem vorderen und einem hinteren Gehäuse 34 und 35. Der von der Lippe 33 abgehende konische Teil 36 des Diaphragmas 32 erstreckt sich in eine Kammer 37 des vorderen Gehäuseteils 34, wobei ein Anschlagsteil 38 durch eine Feder 39 innerhalb der Kammer 37 gegen die kuppeiförmige Spitze 40 drückt. Über einen Einlaß 41 gelangt Druck in die Kammer 37. Die Kammer 42 im rückwärtigen Gehäuse 35 auf der anderen Seite des Diaphragmas ist entweder luft- und flüssigkeitsdicht verschlossen oder gegen Atmosphäre entlüftet.

Eine Wand 43 des rückwärtigen Gehäuses dient ais rückseitige Platte zur Begrenzung des Maßes der rückwärtigen Durchbiegung des Diaphragmas. Ein Plunger des Mikroschalters 44 verläuft durch die Wandung 43 hindurch und liegt gegen die Rückseite der kuppeiförmigen Spitze 40 an, so daß der Mikroschalter direkt in Abhängigkeit der Schnappbewegung des Diaphragmas betätigt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Druckempfindliches Diaphragma mit einem kuppeiförmigen Bereich, der randseitig von einer Lippe umgeben ist, wobei das Diaphragma sich bei Anlegen einer vorbestimmten Druckdifferenz zwischen seinen beiden Seiten plötzlich durchbiegt, dadurch gekennzeichnet, daß der kuppeiförmige Bereich (31, 40) die Spitze eines Bereichs (30, 36) des Diaphragmas (7, 32) ist, der von der Lippe (29,33) nach oben abgeht und dieser nach oben abgehende Bereich (30,36) eine im wesentlichen zylindrische oder konische Form aufweist.