DE2749252A1 - Betaetigungsvorrichtung fuer die verstellung eines beweglichen elements, insbesondere des verschlusstuecks eines ventils - Google Patents

Betaetigungsvorrichtung fuer die verstellung eines beweglichen elements, insbesondere des verschlusstuecks eines ventils

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DE2749252A1 DE19772749252 DE2749252A DE2749252A1 DE 2749252 A1 DE2749252 A1 DE 2749252A1 DE 19772749252 DE19772749252 DE 19772749252 DE 2749252 A DE2749252 A DE 2749252A DE 2749252 A1 DE2749252 A1 DE 2749252A1
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Description

Betätigungsvorrichtung für die Verstellung eines beweglichen Elements, insbesondere des VerschluBstücks eines
Ventils
Die Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungsvorrichtung für die Verstellung eines beweglichen Efemente, insbesondere des VerschluBstUcteeines Ventils, mit einen Arbeitsraum, der ein Ausdehnungsmedium, eine dieses Wärme zuführende oder entziehende Heiz- bzw. Kühlvorridtung, einen Rückmelde-Teaperaturfühler und einen durch das Medium verlagerbaren, durch eine Gegenkraft belasteten, die Verstellung des beweglichen Elements bewirkenden Wandabschnitt aufweist, und mit einer Steuereinheit, die die Heiz- bzw. Kühlvorrichtung in Abhängigkeit von der rückgemeldeten Temperatur und wenigstens einer weiteren Funktion, wie Sollwert, FUhrungsgrSee o. dgl., mit Strom versorgt.
Bei einer bekannten Betätigungsvorrichtung dieser Art ist der Arbeitsraum mit einer Ausdehnungsflüssigkeit gefüllt und einseitig durch einen mit einem Ventilschaft verbundenen und durch eine Rückstellfeder belasteten Kolben abgeschlossen. Das Ventil dient der Temperaturregelung in Räumen. Die Steuereinheit versorgt einen Heizwiderstand in der AusdehnungsflUssigkeit mit einem Strom, der von der rückgemeldeten Temperatur der Ausdehnungsflüssigkeit, der gemessenen Raumlufttemperatur und einem eingestellten Sollwert für die Raumlufttemperatur
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abhängt. Eine stärkere Ausdehnung der Flüssigkeit wird durch erhöhte Beheizung, eine Zusammenziehung der Flüssigkeit durch Wärmeabgabe an die Umgebungsluft erzielt.
Derartige Betätigungsvorrichtungen arbeiten verhältnismäßig träge. Denn einerseits ist es zur Erzielung eines vorgegebenen Hubs des beweglichen Wandabschnitts erforderlich, eine bestimmte Menge der AusdehnungsfIUssigkeit um eine bestimmte Temperaturdifferenz zu erhitzen, was eine vorgegebene Wärmemenge erfordert; andererseits kann über den Heizwiderstand nur eine begrenzte Heizleistung zugeführt werden. Darüber hinaus kann auf die Stellung des beweglichen Elements nur mittels dieser Beheizung eingewirkt werden. Wegen dieser großen Zeitkonstante ist auch, zumindest bei einfach aufgebauten Steuereinheiten, mit einem starken überschwingen im Betrieb zu rechnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Betätigungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die rascher anspricht und sich daher besser in Regelkreise einbeziehen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Arbeitsraum mit einem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch gefüllt ist und daß die Steuereinheit so ausgelegt und die Gegenkraft so gewählt ist, daß der Wandabschnitt unter dem Einfluß des temperatürabhängigen Dampfdrucks im Arbeitsraum und der Gegenkraft Gleichgewichtsstellungen einnimmt.
Eine solche Betätigungsvorrichtung kann rascher arbeiten, weil die zu beheizende oder zu kühlende Flüssigkeit lediglich einen Teil des Arbeitsraumes einnimmt, weil bereits geringere Temperaturunterschiede ausreichen, um ausreichend große Druckunterschiede hervorzurufen und weil in vielen Fällen die
Gegenkraft so klein gehalten werden kann, daß bereits kleine
ausreichenden Druckunterschiede im Arbeitsraum zu / Verlagerungen des
Wandabschnitts führt. Wegen der kleineren Zeitkonstante eignet
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sich die Beütigungsvorrichtung auch besser für den Einbau in Regelkreisen. Hinzu könnt noch, daß eine Verstellung nicht nur durch eine Druckänderung In Arbeitsraum, sondern auch durch eine Änderung der Gegenkraft möglich ist, was praktisch ohne Zeitverzögerung erfolgen kann.
Insgesamt ergibt sich eine durch die Steuereinheit von Ferne einstellbare bzw. steuerbare Betätigungsvorrichtung, die für viele Zwecke, wie die Verstellung von Ventilen, Drosselklappen o. dgl., brauchbar ist.
Mit besonderen Vorteil ist der verlagerbare Wandabschnitt durch eine flache Membran gebildet. Da der Hub einer solchen Membran verhältnismäßig klein ist, ändert sich in Betrieb die Größe des mit Dampf gefüllten Teils des Arbeitsraumes nur geringfügig. Dies bedeutet, daß nur eine sehr geringe Wärmeenergie zur Verdampfung bzw. Kondensation von Dampf erforderlich ist, hierdurch wird die Ansprechgeschwindigkeit noch weiter erhöht.
Ein solch kleiner Hub ergibt sich auch, wenn eine flache Membran das Ventilverschlußstück bildet. Dies reicht in vielen Fällen aus, beispielsweise wenn ein Ventilsitz mit ausreichend großem Durchmesser verwendet wird, der in Verbindung mit den kleinen Hub einen genügenden Durchtrittsquerschnitt definiert.
Eine andere Möglichkeit, nit einen kleinen Hub auszukommen und dadurch die Wärmeenergie für ein Verdampfen oder Kondensieren gering zu halten, besteht darin, daß das bewegliche Element das VerschlußstUck eines Pilotventils ist, das in Reihe mit einer Drossel liegt, und daß der Druckabfall an der Drossel einen durch eine Feder belasteten Kolben zur Verstellung des Verschlußstücks eines Hauptventils steuert. Diese Maßnahne läßt sich auch nit der Verwendung einer Membran als verlagerbarer Wandabschnitt kombinieren. Auf
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diese Weise können beispielsweise Flüssigkeitsventile mit vergleichsweise großen Strömungsmengen gesteuert werden.
Besonders günstig ist es hierbei, wenn die Gegenkraft wenigstens teilweise durch die den Kolben belastende Feder erzeugt wird. Diese Feder bewirkt nämlich eine interne Rückführung, so daß ein stabileresVerhalten erzielt wird, ohne daß dies einen Eingriff in die Steuereinheit oder den Regelkreis erfordert.
Eine solche interne Rückführung kann man auch bei einem Ventil mit umgekehrter Charakteristik erzielen, wenn die Gegenkraft durch einen das Pilotventil öffnenden Druck erzeugt wird und die den Kolben belastende Feder in Richtung des Dampfdruckes wirkt.
Günstig sind ferner solche Anwendungszwecke, bei denen die Gegenkraft zumindest teilweise durch einen Druck erzeugt wird, der von der Stellung des beweglichen Elements abhängig ist. Hier kann durch den Arbeitsraum eine Druckreferenz gebildet werden, die einen konstanten Wert beibehält, während eine sehr rasche Regelung dadurch erfolgt, daß bei einer Änderung des vom beweglichen Element abhängigen Drucks praktisch sofort eine Verstellung des beweglichen Elements erfolgt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Flüssigkeitsventil mit der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung,
Fig. 2 die Anwendung dieses Ventils bei einem mit Wasser gekühlten Kondensator,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Flüssigkeitsventils,
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- 7 Fig. 4 eine Anwendung des Ventils der Fig. 3,
Fig. 5 den Querschnitt durch einen Teil eines weiteren Flüssigkeitsventils und
Fig. 6 im Querschnitt ein Ventil mit einer weiteren AusfUhrungsform der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung.
Fig. 1 zeigt ein Hauptventill,das mittels eines Pilotventils 2 gesteuert wird, das seinerseits von einer Betätigungsvorrichtung 3 abhängig ist.
Das Hauptventil weist ein Gehäuse 4 mit Zuflußstutzen 5 und Abflußstutzen 6 sowie einem dazwischen liegenden Ventilsitz auf. Ein VerschlußstUck 8 ist einstückig mit einem Kolben 9 ausgebildet, der durch eine Feder 10 belastet ist. Diese Feder stützt sich an einer Platte 11 ab, die mit dem VerschlußstUck 12 des Pilotventils gekoppelt ist. Dieses VerschlußstUck arbeitet mit einem Ventilsitz 13 zusammen, das einen Druckraum 14 mit einem Auslaßkanal 15 verbindet. In einem zugehörigen Einlaßkanal 16 ist eine Drossel 17 angeordnet. Die Strömung über die Drossel 17 hängt von der Öffnung des Pilotventils 2 ab. Der Druckabfall an der Drossel 17 erzeugt eine Druckdifferenz, die von unten auf den Kolben 9 wirkt und diesen so weit nach oben verschiebt, bis es infolge der ZusammendrUckung der Feder 10 eine Gleichgewichtsstellung gibt.
Die Betätigungsvorrichtung weist in einer Kapsel 18 einen Arbeitsraum 19 auf, der zum Teil mit Flüssigkeit 20 und zum Teil mit Dampf 21 gefüllt ist. In dem Arbeitsraum befindet sich eine Heizvorrichtung 22 in der Form eines Heizwiderstandes und ein RUckmelde-Temperaturfühler 23 in der Form eines NTC-Widerstandes. Diese beiden Elemente sind über isoliert durch den Kapselboden 24 herausgeführte Stifte
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25 und entsprechende Leitungen 26 mit einer Steuereinheit 27 verbunden, die die Heizvorrichtung 22 in Abhängigkeit von dem Signal des Rückmelde-Temperaturfühlers 23, dem Signal eines äußeren Temperaturfühlers 28 und einem mittels Drehknopf 29 einstellbaren Sollwert mit Strom versorgt. Der Arbeitsraum 19 ist unten durch einen verlagerbaren Wandabschnitt in der Form einer Membran 30 abgeschlossen. Diese ist am Rand eingespannt und in der Mitte durch eine Platte 31 unterstützt. Die Platte wirkt unter Zwischenschaltung einer "v'ellrohrabdichtung 32 auf einen Schaft 33, der das Verschlußstück 12 des Pilotventils 2 trägt. Über einen Stutzen 34 kann zusätzlich ein zusätzlicher Druck zugeführt werden.
Fig. 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel. Hier ist das Hauptventil 1 in eine Wasserzuleitung 35 geschaltet, die sich als Rohrleitung 36 in einem Kondensator 37 fortsetzt. In eine Meßtasche 38, die in dem unteren Teil des Kondensators 37 vorgesehen ist, taucht der äußere Fühler 28. Gasförmiges Kältemittel wird über die Leitung 39 in den Kondensator 37 eingeführt und flüssiges Kältemittel über die Leitung 40 abgeführt. Der Anschluß 34 steht zur Atmosphäre hin offen.
Damit ergibt sich die folgende Betriebsweise: Steigt die vom äußeren Fühler gemessene Kältemitteltemperatur t über den mit dem Knopf 29 eingestellten Sollwert, so erfolgt eine stärkere Beheizung der Heizvorrichtung 22, die mit einer nur kleinen Zeitverzögerung zu einer Erhöhung des Druckes p~ im Arbeitsraum 19 führt. Diesem Druck steht einerseits die Kraft der Feder 10 und andererseits der in dem Anschluß 34 herrschende atmosphärische Druck pQ entgegen. Infolgedessen hat das Verschlußstück 12 des Pilotventils eine Gleichgewichtsstellung, die sich bei Erhöhung des Drucks p~ im Arbeitsraum 19 nach unten verschiebt. Hierbei reichen schon ganz geringe Verlagerungen, um den Druckabfall an der Drossel 17 wesentlich zu ändern, wodurch der Kolben 9 des Hauptventils 1 eine neue Stellung einnimmt, nämlich nach oben wandert. Hierdurch wird die Feder zusammengedrückt und dadurch das Verschlußstück 12 und die
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Membran 30 nach oben verlagert, obwohl der Druck pf gleich geblieben ist. Diese Rückführung vermindert ein Überschwingen.
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wird die Steuereinheit 27 zur Einstellung und Konstanthaltung des PUlldruckfl p^ der in diesem Fall einen Referenzdruck bildet, während über den Anschluß 34 der Kondensatordruck pk als Steuerdruck zugeführt wird. Das Ventil hat denselben Aufbau wie dasjenige der Fig. 1, weshalb auch durchgehend dieselben Bezugszeichen verwendet worden sind. Lediglich das Verschlußstuck 12a des Pilotventils, das mit dem Ventilsitz 13a zusammenwirkt, arbeitet gegenläufig zu dem Pilotventil der Fig. 1. Bei steigendem Druck pf im Arbeitsraum 19 schließt das Pilotventil, bei steigendem Druck pk öffnet das Pilotventil. Der Anschluß 34 ist mit dem Dampfraum 41 des Kondensators 37 über eine Leitung 42 verbunden, um den Kondensatordruck pk unterhalb der Membran 30 wirksam zu machen. Bei dieser Sachlage entfällt der äußere Temperaturfühler 28.
Damit ergibt sich die folgende Betriebsweise: Steigt der Druck im Kondensator 37, steigt auch der Druck pk am Anschluß 34. Hierdurch wird das Pilotventil geöffnet. Das Verschlußstück 12a verlagert sich nach oben. Eine ganz geringe Verlagerung genügt, um den Druckabfall an der Drossel 17 wesentlich zu ändern, wodurch der Kolben 9 des Hauptventils eine neue Stellung einnimmt, nämlich nach oben wandert.
Bei der Ausführungsform der Fig. 5 entspricht das Hauptventil demjenigen der Fig. 1. Es ist daher lediglich die das Pilotventil 2 verstellende Betätigungsvorrichtung 3b dargestellt. j In diesem Fall befindet sich der Arbeitsraum 19b unterhalb ■ der Membran 30b, wodurch ein steigender Druck pf das Schließen j des Pilotventils bewirkt. Die übrigen Teile entsprechen den- ', jenigen der Fig. 1 und sind lediglich, weil sie eine andere j Lage haben, mit dem Bezugszeichen b versehen. Diese Konstruktion1 kann, wenn der Anschluß 34b an dem Kondensator-Dampfraum 41
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- ίο -
angeschlossen wird, in gleicher Weise wie die Ausführungsform der Fig. 3 arbeiten. Der Vorteil ist aber darin zu sehen, daß in gleicher Weise wie in Fig. 1 eine Rückführung über die Feder 10 erfolgt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist ein Ventil 43 gezeigt, das in der Saugleitung einer Kälteanlage angeordnet werden kann, also von dampfförmigem Kältemittel durchströmt wird. Das Ventil 43 weist ein Gehäuse 44 mit einem ringförmigen Einlaßkanal 45 und einem zentrischen Auslaßkanal 46 auf, die durch einen Ventilsitz 47 voneinander getrennt sind. Eine auch als Verschlußstück dienende Membran 48 ist zwischen einem Flansch 49 am Gehäuse und einem Flansch 50 an einer Kapsel 51 befestigt. Letztere ist oben durch einen schalenförmigen Deckel 52 abgeschlossen. Die Kapsel 51, der Deckel 52, eine Ringscheibe 53 und ein Balg 54 bilden einen Arbeitsraum 55. Dieser ist mit einem zweiphasigem Medium, die flüssige Phase 56 und eine Dampf-Phase 57 besitzt, gefüllt. Der Boden 58 des Balges 54 hat die Querschnittsgröße des Ventilsitzes 47 und liegt auf der Membran 48 auf. Durch den Deckel 52 gehen drei Stifte 59. Eine Glasisolation 60 dient gleichzeitig als Dichtung. In der Flüssigkeitsphase ist als Heizvorrichtung 61 ein Heizwiderstand in der Form eines Wendeis aus Widerstandsdraht und als Rückmelde-Temperaturfühler 62 ein NTC-Widerstand angeordnet. Diese Elemente sind über die drei Stifte 59 und eine gehäusefeste Verbindung 63 sowie über Leitungen 64 mit einer Steuereinheit 65 verbunden. Diese weist einen Drehknopf 66 zur Einstellung eines Sollwerts für den im Arbeitsraum 55 herrschenden Druck p- auf.
Demzufolge herrscht im Arbeitsraum 55 ein konstanter Druck der auf die durch den Boden 58 bestimmte Druckfläche wirkt. In entgegengesetzter Richtung drückt der Verdampferdruck ρ auf die äußere Ringfläche und - mit wesentlich geringerer Wirkung - der Saugdruck pe auf die zentrische Kreisfläche der Membran 48. Hierbei stellt sich ein Gleichgewichts zustand ein. Steigt der Verdampferdruck ρ , hebt sich die
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Membran 48 stärker vom Ventilsitz 47 ab, so daß der Verdampferdruck vfeder sinkt. Auf diese Weise wird der Verdampferdruck annähernd konstant gehalten.
Das zweiphasige FUllmedium ist so gewählt, daß es beim Gleichgewichtszustand eine höhere Temperatur hat als das Kältemittel und als die Umgebungstemperatur. Wenn der Verdampferdruck erhöht werden soll, wird durch stärkere Beheizung die Temperatur der flüssigen Phase 56 erhöht. Soll dagegen der Verdampferdruck gesenkt werden, kann die flüssige Phase 56 und die Dampfphase 57 durch Wärmeabgabe an das Kältemittel und die Umgebungstemperatur eine geringere Temperatur annehmen, so daß der Dampfdruck pf sinkt« Der so eingestellte Dampfdruck bleibt dann immer derselbe, gleichgültig wie weit das Ventil öffnen muß, um den gewünschten Verdampferdruck aufrechtzuerhalten.
Von den dargestellten Ausführungsbeispielen kann in vielfacher Hinsicht abgewichen werden, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen · Beispielsweise kann das Ventil der Fig. 1 auch für andere Flüssigkeiten wie Wasser, ζB. Sole oder auch für Gase verwendet werden. Die Steuereinheit kann auch noch weitere Abhängigkeiten berücksichtigen, beispielsweise kann zum Zweck einer raschen Rückführung das Verschlußstück des Hauptventils in Fig. 1 mit einem den Hub rückmeldenden Weggeber versehen sein. Als Kühlvorrichtung kommen beispielsweise Peltier-Elemente in Betracht.
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Claims (7)

  1. Patentansprüche
    Betätigungsvorrichtung für die Verstellung eines beweglichen Elements, insbesondere des VerschlußStücks eines Ventils, mit einem Arbeitsraum, der ein Ausdehnungsmedium, eine diesem Wärme zuführende oder entziehende Heiz- bzw. Kühlvorrichtung, einen Rückmelde-Teraperaturfühler und einen durch das Medium verlagerbaren, durch eine Gegenkraft belasteten, die Verstellung des beweglichen Elements bewirkenden Wandabschnitt aufweist, und mit einer Steuereinheit, die die Heiz- bzw. Kühlvorrichtung in Abhängigkeit von der rückgemeldeten Temperatur und wenigstens einer weiteren Funktion, wie Sollwert, Führungsgröße o. dgl., mit Strom versorgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum (19, 19b, 55) mit einem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch gefüllt ist und daß die Steuereinheit (27, 65) so ausgelegt und die Gegenkraft so gewählt ist, daß der Wandabschnitt (30, 30b, 48) unter dem Einfluß des temperaturabhängigen Dampfdrucks (pf) im Arbeitsraum und der Gegenkraft Gleichgewichtsstellungen einnimmt.
  2. 2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verlagerbare Wandabschnitt durch eine flache Membran (30, 30b, 48) gebildet ist.
  3. 3. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine flache Membran (48) das Ventilverschlußstück bildet.
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    ORIGINAL INSPECTED
  4. 4. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element das Verschlußstück (12, 12a, 12b) eines Pilotventils (?) ist, das in Reihe mit einer Drossel (17) liegt, und daß der Druckabfall an der Drossel einen durch eine Feder (10) belasteten Kolben (9) zur Verstellung des Verschlußstücks (8) eines Hauptventils (1) steuert.
  5. 5. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Gegenkraft wenigstens teilweise durch die den Kolben (9) belastende Feder (10) erzeugt wird.
  6. 6. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkraft durch einen das Pilotventil (2) öffnenden Druck (p^) erzeug^und die den Kolben (9) belastende Feder (10b) in Richtung des Dampfdruckes wirkt.
  7. 7. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkraft zumindest teilweise durch einen Druck (po) erzeugt wird, der von der Stellung des beweglichen Elements abhängig ist.
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