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Thermostatischer Stellantrieb
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zum selbsttätigen Verstellen von Luftleitworrichtungen in Klimaanlagen
Die Erfindung geht aus von eiem thermostatischen Stellantrieb, insbesondere zum
selbsttätigen Verstellen von Luftleitvorrichtungen in Klimaanlagen, mit einem gleichzeitig
als Temperaturaufnehmer dienenden Wärmedehnglied und einem Getriebes das die Ausdehnbewegung
des Wärmedehngliedes hildskraftlos in eine Verstellbewegung umsetzt.
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In der Klimatechnik wird mit unterschiedlichsten Zulufttemperaturen
gearbeitet. Dabei ist es envünscht9 im Heizfall die wärmere Zuluft möglichst schnell
an den Boden des klimatisierten Raumes gelangen zu lassen, um in der Aufenthaltezone
möglichst rasch eine Aufheizung zu erzielen. Andererseits ist es im Kühlfall, wenn
die Zuluft kälter ist als die Raumluft, weitgehend erforderlich, den Zuluftstrom
über die Benutzer des Raumes hinweg zu richten um bei diesen keine Zugerscheinungen
aufkommen zu lassen.
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Die hierzu für das Verstellen der Luftleitvorrichtungen benötigten
Stellantriebe können jedoch im allgemeinen nicht wirtschaftlich mit zentralgesteuerten
Motoren aufgebaut werden9 weil diese zusammen
mit den notwendigen
Zuleitungen die Gesamtanlage erheblich verteuern würden.
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Es ist daher bereits einthermostatischer Stellantrieb der eingangs
genannten~Art auf den Markt gebracht worden, der zentral und völlig selbsttätig
arbeiten sollte. Dieser verwendete als Wärmedehnglied eine Breguetsche Bimetallspirale,
deren Drehbewegung beim Ausdehnen in eine Verschwenkbewegung der Luftleitvorrichtung
umgesetzt wurde, ohne daß hierfür eine Hilfskraft erforderlich war.
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Diese bekannte Anordnung hatte jedoch den gravierenden Nachteil, daß
der Verstellweg zu gering war und zu einer Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses
die Verstellkraft und die Stabilität der Anordnung nicht ausreichte. Diese Anordnung
sprach auch für gewöhnlich nur ganz langsam an. Darüber hinaus erlahmten die Bimetallspiralen
nach relativ kurzer Zeit infolge Materialermüdung, so daß sich diese bekannte Anordnung
nicht durchsetzen konnte.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu Grunde, einen thermostatischen
Stellantrieb der eingangsgenannten Art zu schaffen, der über lange Zeitspannen hinweg
zuverlässig arbeitet und es ohne Schwierigkeiten gestattet, für alle Anwendungsfälle
den erforderlichen Verstellweg und die notwendige Verstellkraft zur Verfügung zu
stellen.
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Die Aufgabe wird bei einem thermostatischen Stellantrieb der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wärmedehnglied aus einem geschlossenen,
starren und schlanken, der aufzunehmenden Temperatur aussetzbaren Behälter für eine
gasfreie Wärmedehnflüssigkeit besteht, der einen fest mit ihm verbundenen, über
einen Stößel auf das Getriebe arbeitenden elastischen Wellrohrbalg aufweist, daß
der Behälter eine in vorbestimmter Weise vergrößerte Oberfläche besitzt und daß
der Wellrohrbalg unmittelbar auf dem Behälter aufsitzt und durch eine Rückstellfeder
vorbelastet ist.
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Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß sowohl der Verstellweg, als
auch die Verstellkraft wesentlich größer gewählt werden können.
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Weiterhin ist bei einer solchen Anordnung die nutzbare Lebensdauer
ganz erheblich höher, weil ihr Aufbau insgesamt stabiler ist und ihre Teile keiner
Materialermüdung unterliegen. Überdies spricht sie bei vergleichbarer Leistung auch
deutlich schneller an.
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In einem anderen Zusammenhang ist es übrigens bereits bekannt bei
einem Temperaturregler für Warmwasserbereiter zur Ventilbetätigung ein gedrungenes,
kugel- oder eiförmiges Ausdehngefäß mit einer Wärmedehnflüssigkeit zu verwenden,
das über ein Kapillarrohr mit einem elastischen Wellrohrbalg verbunden ist, der
auf das Ventilglied einwirkt. Dieser bekannte Temperaturregler kanzaber ebenfalls
nur ganz geringe Verstellwege und -kräfte zur Verfügung stellen, die sich auch wegen
der Elastizität und der ganzen Eigenart des Aufbaus nicht wesentlich erhöhen lassen,
ohne die Wirtschaftlichkeit und die Einsatzmöglichkeit zu gefährden. Auch diese
bekannte Anordnung vermag also nicht, dem Fachmann eine Anregung zur Lösung der
hier vorliegenden Aufgabe zu geben.
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Gemäß Ausgestaltungen der Erfindung nach einigen wichtigen Unteransprüchen
weist der Behälter zur Vergrößerung seiner wirksamen Oberfläche dort eine Anzahl
Wärmeübergangslamellen auf oder besteht, gegebenenfalls auch zusätzlich, aus einer
Anzahl paralleler, im Abstand voneinander angeordneter Zweige, die an ihren beiden
Enden vorzugsweise jeweils miteinander verbunden sind. Diese Maßnahmen haben zur
Folge9 daß sie die Wärmedehnflüssigkeit sehr schnell über den gesamten Behälterquerschnitt
auf die jeweilige Umgebungstemperatur einstellen kann.
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Besonders große Verstellwege und -kräfte lassen sich nach einer anderen
Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielen, daß bei der Tärmedehnflüssigkeit das
Produkt aus dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der Dichte und der spezifischen
Wärme groß ist gegen den Verdichtungsfaktor, weil dann die Wärmedehnflüssigkeit
optimal ausgelegt ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen
Unteransprüchen. Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung in einigen
Ausführungsbeispielen näher erläutert, denen weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungen
der Erfindung zu entnehmen sind. Es zeigen: Fig. 1 und 2 eine erste Anwendung der
Erfindung bei einem Deckenauslaß mit Luftleitdüse, Fig. 3 und 4 eine zweite Anwendung
der Erfindung bei einem Wandauslaß mit Luftleitlamellen, Fig. 5 und 6 ein erstes
Ausführungsbeispiel mit Wärmeübergangslamellen, Fig. 7 und 8 ein zweites Ausführungsbeispiel
mit einem Verdränger-Wellrohrbalg und Fig. 9 und 10 ein drittes Ausführungsbeispiel
mit einem Behälter mit mehreren parallelen Zweigen.
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In den Fig. 1 und 2 ist eine erste Anwendung eines thermostatischen
Stellantriebes nach der Erfindung dargestellt. In einem Deckenauslaß 1 befindet
sich eine Luftleitdüse 3, die durch einen thermostatischen Stellantrieb 5 in senkrechter
Richtung verschiebbar ist, der sich vor dem Deckenauslaß 1 in dem Zuluftstrom befindet.
In Fig. 1 soll warme Zuluft direkt der Aufenthalts zone zugeführt werden. Dementsprechend
hebt der Stellantrieb 5 die Luftleitdüse 3 an, indem sich seine Wärmedehnflüssigkeit
ausdehnt. Gemäß Fig. 2 soll dagegen kalte Luft eingeblasen werden. Diese darf aber
die Benutzer des klimatisierten Raumes nicht unmittelbar treffen und muß daher waagerecht
umgelenkt werden. Hierzu senkt der Stellantrieb 5 die Luftleitdüse 3 etwas ab, was
durch Zusammenziehen der Warmedehnflüssigkeit in der kalten Zuluft bewerkstelligt
wird.
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In Fig. 3 und 4 wird ein zweites Anwendungsbeispiel gezeigt, bei welchem
in einanKanal-ocfsl Wandauslaß7sieben- Luftleitlamellen 9 angeordnet sind, die von
einem Stellantrieb 11 im Zuluftstrom verschwenkt werden können. Nach Fig. 3 wird
die warme Zuluft nach unten abgelenkt, wenn sich die Wärmedehnflüssigkeit im Stellantrieb
11 in der warmen Zuluft ausdehnt; gemäß Fig. 4 wird kalte Luft nach oben bzw. waagerecht
ausströ -mend
umgelenkt, wenn sich die Wärmedehnflüssigkeit in
der kalten Zuluft zusammenzieht.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen nun ein erstes Ausführungsbeispiel eines thermostatischen
Stellantriebes nach der Erfindung im einzelnen, und zwar die Fig. 5 im kalten und
die Fig. 6 im warmen Zustand.
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Ein geschlossener Behälter 139 hier in Form eines Zylinders, enthält
eine Wärmedehnflüssigkeit 15, die ihn und einen an seinem oberen Ende angebrachten
Vrllrohrbalg 17 vollständig ausfüllt. Der Behälter 13 ist starr, und da seine Wärmeausdehnung
gegen diejenige der Wärmedehnflüssigkeit 15 zu vernachlässigen ist, wird die Ausdehnung
der Wärmedehnflüssigkeit 15 ganz von dem Wellrohrbalg 17 aufgenommen, so daß nur
dieser sich ausdehnt.
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Das obere Ende des Wellrohrbalges 17 befindet sich in einem Gleitkolben
19, der sich in einem Gleitzylinder 21 bewegen kann, welcher mit dem Behälter 13
eine Einheit bildet. Zwischen dem Gleitzylinder 21 und dem Gleitkolben 19 befindet
sich eine Rückstellfeder 23 die dafür sorgt, daß der Wellrohrbalg 17 bei einer Abkühlung
sich wieder verkürzt, damit in ihm kein Vakuum entstehen kann, das zu einem Verdampfen
der Wärmedehnflüssigkeit 15 führen könnte.
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An dem oberen Ende des Gleitkolbens 19 ist ein Stößel 25 befestigt,
der die Dehnbewegung der Wärmedehnflüssigkeit 15 und des Wellrohrbalges 17 nach
außen leitet. Er ist an einem Drehpunkt 27 eines Hebels 29 angebracht, der seinerseits
um einen zweiten Drehpunkt 31 verschwenkbar ist. Hierdurch wird eine Verschiebung
des Stößels 25 in eine Verschwenkung des Hebels 29 umgesetzt, welche wiederum in
eine Verschiebung eines weiteren Hebels des Getriebegestänges mit entsprechender
Übersetzung umgewandelt werden kann.
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Zweckmäßigerweise befindet sich an dem Drehpunkt 27 schwenkbar ein
mutternartiges Gewindestück, in welches der - dann um
seine Längsachse
drehbar ausgeführte - Stößel 25 mit einem Gewinde eingeschraubt ist. Hierdurch kann
die Lage des Gestänges an den Betriebstemperaturbereich angepaßt werden.
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Die,Wärmedehnflüssigkeit 15 sollte in diesem Ausführungsbeispiel bei
einer mittleren Temperatur eingefüllt werden, damit der Dehnbereich des Wellrohrbalges
17 voll ausgenutzt werden kann.
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Das Einfüllen muß dabei völlig blasenfrei erfolgen, damit die Wärmedehnflüssigkeit
15 so unelastisch ist wie möglich. Aus dem gleichen Grund muß auch mit Hilfe der
Rückstellfeder 23 unter allen Umständen eine Dampfbildung verhindert werden.
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Der Behälter 13 istrelativ schlank ausgebildet, damit sich die Wärmedehnflüssigkeit
15 weitgehend gleichzeitig über dem Behälterquerschnitt erwärmt. Der Wärmeübergang
wird noch dadurch erheblich gesteigert, daß an der Oberfläche des Behälters 13 eine
Anzahl Wärmeübergangslamellen 33 angebracht sind.
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Der Wellrohrbalg 17 ist unmittelbar ohne ein Zwischenstück oder dergleichen
auf dem Behälter 13 aufgesetzt und dort fest angebracht. Dadurch wird die Elastizität
der Anordnung noch weiter verringert, so daß auch relativ große Verschiebekräfte
übertragen werden können.
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In den Fig. 7 und 8 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt,
welches weitgehend gleich aufgebaut ist, wie die Anordnung nach den Fig. 5 und 6.
Die hier dargestellte Anordnung weist jedoch an dem unteren Ende eines etwas modifizierten
Behälters 35 einen zweiten Wellrohrbalg 37 auf, der gegen die Innenseite einer auf
dem Behälter 35 aufschraubbaren Kappe 39 anstößt. Der zweite Wellrohrbalg 37 dient
als Verdränger, der, je nachdem, wie weit die Kappe 39 aufgeschraubt wird, mehr
oder weniger der Wärmedehnflüssigkeit 15 verdrängt. Auf diese Weise kann die Verschiebebewegung
desStößels 25 ançbn jeweiligen Betriebstemperaturbereich angepaßt werden, ohne daß
die Wärmedehnflüssigkeit 15 bei einer bestimmten Temperatur eingefüllt werden muß.
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Auch dieses Ausführungsbeispiel wird zweckmäßigerweise mit Wärmeübergangslamellen
versehen. Es kann jedoch auch zur Erhöhung der Oberfläche des- Behälters 35, wie
in dem dritten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 9 und 10, mit mehreren parallelen
Behälterzweigen aufgebaut werden.
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Hier besteht ein Behälter 41 für die Wärmedehnflüssigkeit 15 aus mehreren
parallelen Zweigen 43, die jeweils an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende miteinander
verbunden sind. Hierdurch wird ein sehr schneller Temperaturausgleich der Wärmedehnflüssigkeit
mit der Umgebungsluft erreicht. Natürlich kann diese Maßnahme auch noch mit den
Wärmeübergangslamellen 33 der Anordnung nach den Fig. 5 und 6 kombiniert werden,
um den Temperaturausgleich noch mehr zu beschleunigen.
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Die bei einer Temperaturerhöhung umt auftretende Verlängerung des
Wellrohrbalges 17 (welche einer Verschiebung des Stößels 25 entspricht) läßt sioh
aus dem räumlichen Ausdehnungskoeffizienten ß der Wärmedehnflüssigkeit 15 und den
Abmessungen der Anordnung: Anfangsvolumen des Wellrohrbalges 17 V1 = A 111 = #/4
d1211 (mit Querschnittsfläche A1, Anfangslänge 1, und Durchmesser d1 des Wellrohrbalges
17, wobei der Durchmesser d1 sich aus dem Mittelwert aus dessen Innendurchmesser
d und Außendurchmesser d ergibt) Volumen des Behälters 17 V2 = A212 = #/4 d2212
(mit Querschnittfläche A2, Länge 12 und Durchmesser d2 des Behälters 13) leicht
wie folgt errechnen: (V2 + V1)(1 +##t) = (A2l2 + A1l1)(1 +ß#t) := A2l2 + A1(l1 +
#) # = (l1 + l2A2/A1)ß#t Bei gegebener Verlängerung # ergibt sich das Volumen bzw.
die Länge des Behälters 13 zu V2 = A1((#/ß#t)-l1) l2 = (d1/d2)²((#/ß#t)-l1).
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Wenn in einem Berechnungsbeispiel l1 = 50 mm, da = 14,5 mm, di G 9
mm (d1 = 11,75 mm)9 # = = 15 mm, è2 = 25 mm, bt = 10 K
und ß =
1,08 1/m3K (für Toluol C6H5CE) ist, ergeben sich V2 145 ml und 12 = 295 mm.
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Für den Fall, daß der Inhalt des Wellrohrbalges 17 sich nicht sofort
mit erwärmt und dessen Länge 11 somit nicht berücksichtigt werden darf, ergeben
sich V2 =-151 ml und 12 = 307 mm, was nur einen geringfügigen Unterschied ausmacht.
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Als Material für die Wärmedehnflüssigkeit 15 kommen eine ganze Reihe
von Verbindungen in Betracht, die einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen, wie z.B. Äthylalkohol, Äthylenglykol, Benzol, Toluol und eine Reihe von
Mineral- und Paraffinölen.
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Wenn auch noch die von dem Stößel 25 ausgeübte Kraft besonders groß
sein soll, ist es zweckmäßig, das Verhältnis der auf das Volumen bezogenen spezifischen
Wärme (gleich der massebezogenen spezifischen Wärme mal Dichte) zu dem Verdichtungsfaktor
der betreffenden Flüssigkeit möglichst groß zu machen.