DE3028532C2

DE3028532C2 - Thermal actuator

Info

Publication number: DE3028532C2
Application number: DE19803028532
Authority: DE
Inventors: Hans Michael Jona Mayer
Original assignee: Elektrowatt AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1979-08-09
Filing date: 1980-07-28
Publication date: 1986-10-09
Also published as: DE3028532A1; JPS6358780B2; FR2463297B1; SE8005212L; NL189423B; NL8004515A; GB2057128A; CH638873A5; FR2463297A1; NL189423C; GB2057128B; JPS5654271A; SE441788B

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Stellantrieb gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a thermal actuator according to the preamble of claim 1.

Ein thermischer Stellantrieb dieser Gattung ist aus der CH-PS 368672 bekannt. Bei dem bekannten Stellderstand. Zwar wird durch eine solche Anordnung des Heizelements eine optimale Wärmeübertragung zwischen Heizelement und flüssigem Medium erreicht, jedoch nur solange, wie das Heizelement ganz oder doch zumindest mit dem größten Teil seiner Oberfläche in das flüssige Medium eintaucht. Sinkt der Flüssigkeitsspiegel im ersten Teilraum als Folge der erzeugten Dampfmenge, so wird die Übertragung von Wärmeenergie von dem Heizelement auf das Medium immer schlechter, da dann nicht mehr die Flüssigkeit, sondern das verdampfte Medium beheizt wird. Da die bewegliche Wand bei dem bekannten Stellantrieb als dünne Membrane ausgebildet ist, überträgt sich die Wärme von dem in dem ersten Teilraum befindlichen Medium auf das in dem zweiten Teilraum befindliche Medium. Dies bedingt eine unerwünscht starke Beeinflussung des Stellantriebs durch Schwankungen der Umgebungstemperatur. Aufgrund der oben angesprochenen Volumenverhältnisse des Mediums in dem ersten bzw. in dem zweiten Teilraum ist die Ansprechempfindlichkeit relativ schwach.A thermal actuator of this type is known from CH-PS 368672. With the well-known Stellderstand. Such an arrangement of the heating element is an optimal heat transfer between Heating element and liquid medium reached, but only as long as the heating element completely or at least at least with the largest part of its surface immersed in the liquid medium. The fluid level drops in the first subspace as a result of the amount of steam generated, the transfer of thermal energy from the heating element to the medium always worse, because then no longer the liquid, but the evaporated medium is heated. Since the movable wall in the known actuator as a thin Membrane is formed, the heat is transferred from the medium located in the first sub-space on the medium located in the second sub-space. This causes an undesirably strong influence on the Actuator due to fluctuations in ambient temperature. Due to the volume ratios mentioned above of the medium in the first or in the second subspace, the response sensitivity is relative weak.

In der CH-PS 4 79 809 ist der Vorschlag gemacht, der Trägheit bekannter Stellantriebe dadurch zu begegnen, daß rasch ansprechende Heiz- bzw. Kühleinrichtungen vorgesehen sind. Der Betrieb dieser Einrichtungen erfordert jedoch eine beträchtliche Energiemenge.In CH-PS 4 79 809 the proposal is made that To counteract the inertia of known actuators that quickly responding heating or cooling devices are provided. However, a considerable amount of energy is required to operate these facilities.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Stellantrieb der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, daß Ansprechgeschwindigkeit im Vergleich zum Stand der Technik erhöht wird und außerdem eine Beeinflussung des Stellantriebs durch Schwankungen der Umgebungstemperatur weitestgehend ausgeschaltet ist.The invention is based on the object of a thermal actuator of the type mentioned at the outset to be developed in such a way that the speed of response is increased compared to the prior art and also an influence on the actuator by fluctuations in the ambient temperature as far as possible is turned off.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Zunächst unterscheidet sich der erfindungsgemäße Stellantrieb von dem oben erläuterten, gattungsgemäßen Stellantrieb gemäß der CH-PSThis object is achieved according to the invention by what is stated in the characterizing part of claim 1 Features solved. First of all, the actuator according to the invention differs from the one explained above, generic actuator according to the CH-PS

3 68 672 dadurch, daß der erste Teilraum von außen beheizt wird. Diese Maßnahme ist z. B. aus der CH-PS3 68 672 in that the first compartment is heated from the outside. This measure is z. B. from the CH-PS

4 79 809 für sich bekannt Außerdem sieht die Erfindung vor, daß das flüssige Medium in dem ersten Teilraum nur einem Bruchteil des Mediums in dem zweiten Teilraum entspricht. Durch diese Maßnahme wird ein sehr rasches Ansprechen des Stellantriebs erreicht.4 79 809 known per se In addition, the invention provides before that the liquid medium in the first sub-space is only a fraction of the medium in the second sub-space is equivalent to. This measure enables the actuator to respond very quickly.

Schließlich sieht die Erfindung vor, eine thermische Isolierung dadurch zu erreichen, daß die bewegliche Wand aus thermisch isolierendem Material besteht. Durch diese Maßnahme wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung und gleichzeitig auch die Ansprechgeschwindigkeit weiter erhöht.Finally, the invention provides for thermal insulation to be achieved in that the movable Wall made of thermally insulating material. This measure increases the efficiency of the Device and at the same time the speed of response is further increased.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen schematischen Axialschnitt durch einen thermischen Stellantrieb.In the following an embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawing. The only Figure shows a schematic axial section through a thermal actuator.

Der dargestellte Stellantrieb 10 weist ein Gehäuse 11 auf, in dessen oberem Bereich eine aus zwei Schalen 12, 13 aufgebaute zylindrische Dose 14 angeordnet ist. In der Dose 14 ist ein aus einem thermisch schlecht leitenden oder wärmeisolierenden Material hergestellter KoI-The illustrated actuator 10 has a housing 11 on, in the upper region of which a cylindrical box 14 made up of two shells 12, 13 is arranged. In of the can 14 is made of a thermally poorly conductive or heat-insulating material

ausgebildet, und die in dem ersten Teilraum der Dose befindliche Verdampfungsflüssigkeit hat annähernd das doppelte Volumen der in dem zweiten Teilraum befindlichen Flüssigkeit, bei der es sich dort um Wasser handelt. Die Beheizung des in dem ersten Teilraum befindlichen Mediums erfolgt gemäß der CH-PS 3 68 672 durch einen in die Flüssigkeit eintauchenden elektrischen Wiucii jj yd SLiiicuum gciagci ι üuu gegen die liliicnwilllü der Dose 14 mit einem Kolbenring 16 abgedichtet. Der Kolben 15 teilt somit den Innenraum der Dose 14 in zwei Teilräume 17, 18. Beide Teilräume sind mit einem Medium, z. B. Trichlor-Fluormethan gefüllt, das bei normaler Umgebungstemperatur flüssig und bei steigender Temperatur allmählich ganz in die Dampfphase übergeht. In der dargestellten Stellung ist das Medium flüs-formed, and the evaporation liquid located in the first sub-space of the can has approximately twice the volume of the liquid located in the second sub-space, which is water there. According to CH-PS 3 68 672, the medium located in the first subspace is heated by an electric Wi ucii jj yd SLiiicuum gciagci ι üuu that is immersed in the liquid, sealed against the liliicnwilllü of the can 14 with a piston ring 16. The piston 15 thus divides the interior of the can 14 into two sub-spaces 17, 18. Both sub-spaces are filled with a medium, e.g. B. filled with trichlorofluoromethane, which is liquid at normal ambient temperature and gradually turns completely into the vapor phase as the temperature rises. In the position shown, the medium is fluid

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sig, so daß der Rauminhalt des Teilraumes 17 nur einem Es ist zu beachten, daß zweckmäßig der Rauminhaltsig, so that the volume of the subspace 17 is only one. It should be noted that the volume of space is appropriate

kleinen Bruchteil des Rauminhaltes des Teilraumes 18 des — unbeheizten — Teilraumes 17 gerade so groß entspricht gewählt wird, daß die darin vorhandene Menge des Me-small fraction of the volume of the subspace 18 of the - unheated - subspace 17 just as large is chosen that the quantity of the substance contained therein

Der den Teilraum 17 überspannenden Schale 12, wel- diums ausreicht, um bei vollständiger Verdampfung den ehe aus einem guten Wärmeleiter ist, ist einerseits eine 5 gewünschten Hub zu ergeben. Dieser Hub kann allenelektrische Heizwicklung 19 und andererseits ein Satz falls durch Anschläge am Betätigungsglied 25 und/oder Kühlbleche 20 zugeordnet Schlitze 21 im Gehäuse 11 am Kolben 15 begrenzt werden, sorgen für eine Belüftung der Kühlbleche 20 durch die Der Raum zwischen der Schale 13 und der Trenn-The shell 12 spanning the sub-space 17 is sufficient to absorb the Before there is a good heat conductor, on the one hand a desired 5 stroke has to be achieved. This hub can be all electric Heating coil 19 and on the other hand a set if by stops on the actuator 25 and / or Cooling plates 20 assigned to slots 21 in the housing 11 on the piston 15 are limited, ensure ventilation of the cooling plates 20 through the The space between the shell 13 and the separating

Umgebungsluft wand 23 kann mit einem Wärmeisoliermaterial 31 aus-Ambient air wall 23 can be made of a heat insulating material 31

An der den Teilraum 18 umgebenden Schale 13 U i das 10 gefüllt sein, damit die Temperaturschwsnkungen untereine Ende eines Verbindungsrohres 22 angeschlossen, worfenen Teile des Stellantriebes möglichst gut von dessen anderes Ende dicht in einer fest im Gehäuse dessen übrigen Teilen thermisch isoliert sind, verankerten Trennwand 23 verankert ist An der dem Besonders trägheitsarm arbeitet der StellantriebOn the shell 13 surrounding the subspace 18 U i the 10 be filled so that the temperature fluctuations lower one Connected to the end of a connecting pipe 22, parts of the actuator threw off as well as possible the other end of which is tightly sealed in the housing, the other parts of which are thermally insulated, anchored partition 23 is anchored to the particularly low inertia, the actuator works

Verbindungsrohr 22 abgekehrten Seite ist an der Trenn- dann, wenn der Bereich, in dem die Temperaturen im wand 23 das eine Ende eines Faltenbalges 24 befestigt, 15 Teilraum 17 sich verändern erheblich über der normalen an dessen anderem Ende mittels einer Scheibe 26 das Umgebungstemperatur liegt Dann nämlich erfolgt bei obere Ende eines Betätigungsgliedes 25 befestigt ist einer Verminderung der Heizleistung die Abkühlung im Das in der Form eines Stößels ausgebildete Betäti- Teilraum 17 erheblich schneller. So mag der normale gungsglied ist durch eine nabenartige Durchführung 27 Temperaturbereich im Teilraum 17 zwischen 100 und in der Mitte des das Gehäuse 11 abschließenden Bodens 20 ca. 180° C liegen. Zur Aufrechterhaltung solcher Tempe-28 herausgeführt und steht unter der Wirkung einer raturen im Teilraum 17 ist dank dessen geringem Raum-Rückholfeder 29, die das Bestreben hat, das Betäti- inhalt nur eine vergleichsweise geringe Heizleistung ergungsglied 25 in das Gehäuse Il zu drängen und damit forderlich, den Faltenbalg 24 zusammenzudrücken. Der dargestellte Stellantrieb kann in beliebiger LageConnecting pipe 22 facing away from the side is on the separating when the area in which the temperatures in wall 23 attached to one end of a bellows 24, 15 subspace 17 change significantly above the normal at the other end of which, by means of a disk 26, the ambient temperature is then namely at The upper end of an actuator 25 is attached to a reduction in the heating power, the cooling in The actuating subspace 17, which is designed in the form of a plunger, is considerably faster. That is how the normal one likes transmission member is through a hub-like passage 27 temperature range in the subspace 17 between 100 and 180 ° C. lie in the middle of the bottom 20 closing off the housing 11. To maintain such tempe-28 led out and is under the effect of a raturen in subspace 17 is thanks to its small space return spring 29, which strives to provide the actuator content only a comparatively low heating output 25 to push into the housing II and thus necessary, to compress the bellows 24. The actuator shown can be in any position

Der Faltenbalg 24 ist ebenfalls mit dem Medium ge- 25 montiert werden. Es versteht sich, daß anstelle des KoI-füllt und steht über das Verbindungsrohr 22 mit dem bens 15 auch eine Membrane oder ein Faltenbalg ver-Teilraum 18 in Verbindung. wendet werden kann.The bellows 24 is also mounted with the medium 25. It goes without saying that instead of the KoI-fills and via the connecting pipe 22 with the ben 15 there is also a membrane or a bellows-part space 18 in connection. can be turned.

Wenn — wie im vorliegenden Fall — die auf den If - as in the present case - the

Teilraum 18 wirksame Querschnittsfläche des Kolbens Hierzu 1 Blatt ZeichnungenSubspace 18 effective cross-sectional area of the piston 1 sheet of drawings

15 gleich groß wie die wirksame Querschnittsfläche des 30 15 is the same size as the effective cross-sectional area of the 30th

Faltenbalges 24 ist, dann ist das Übersetzungsverhältnis zwischen den Hubbewegungen des Kolbens 15 und des Betätigungsgliedes 25 1:1.Bellows 24 is the gear ratio between the stroke movements of the piston 15 and the actuating member 25 1: 1.

Um in diesem Falle den Gleichlauf zwischen Kolben 15 und dem Betätigungsglied 25 möglichst hysteresefrei zu halten, ist zwischen dem beweglichen Ende des Faltenbalges 24 und der dem Teilraum 18 zugekehrten Seite des Kolbens 15 eine Abstandhalter-Stange 30 — z. B. aus Glas, aus einem rostfesten Stahl oder aus einem anderen, eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Material — angeordnet, welche Stange 30 sich mit Spiel durch das Verbindungsrohr 22 erstrecktIn order to keep the synchronization between the piston 15 and the actuating member 25 as free from hysteresis as possible in this case to hold is between the movable end of the bellows 24 and the side facing the subspace 18 of the piston 15 a spacer rod 30 - z. B. made of glass, a stainless steel or a other, a low thermal conductivity material - arranged, which rod 30 is with play extends through the connecting pipe 22

Wird der Heizwicklung 19 eine bestimmte Heizleistung — das Stellsignal — zugeführt, erhöht sich die Temperatur der Schale 12 und somit im Teilraum 17 so lange, bis die von den Kühlblechen 20 abgeführte Wärme der zugeführten Heizleistung entspricht. Durch diese Temperaturerhöhung verdampft ein Teil des Mediums im Teilraum 17, und dadurch wird der Kolben 15 gegen die Wirkung der Feder 29 nach unten gedrückt. Die Verdampfung des Fluidums im Teilraum 17 erfolgt dank dessen geringem Rauminhalt sehr rasch und hält so lange an, bis das Gleichgewicht zu der mit der Verschiebung des Kolbens 15 nach unten einhergehenden Druckzunahme im Teilraum 17 hergestellt wird.If a certain heating power - the control signal - is supplied to the heating coil 19, the heat output increases Temperature of the shell 12 and thus in the subspace 17 until the heat dissipated by the cooling plates 20 corresponds to the heating power supplied. As a result of this temperature increase, part of the medium evaporates in the subspace 17, and thereby the piston 15 is pressed down against the action of the spring 29. The evaporation of the fluid in subspace 17 takes place very quickly and lasts thanks to its small volume until the equilibrium corresponds to that associated with the displacement of the piston 15 downwards Pressure increase in subspace 17 is produced.

Durch seine Abwärtsbewegung verdrängt der Kolben 15 aus dem Teilraum 18 Medium durch das Verbindungsrohr 22 hindurch und an der Stange 30 vorbei in den Faltenbalg 24, der sich dementsprechend ausdehnt und seine Bewegung — wie gesagt — gegen die Wirkung der Feder 29 an das Betätigungsglied übertragt. das seinerseits an ein nicht dargestelltes Stellglied, z.*B. ein Regelventil gekoppelt sein kann.As a result of its downward movement, the piston 15 displaces medium from the subspace 18 through the connecting pipe 22 through and past the rod 30 into the bellows 24, which expands accordingly and its movement - as I said - transmitted against the action of the spring 29 to the actuator. this in turn to an actuator (not shown), e.g. * B. a control valve can be coupled.

Erfährt die Zufuhr der Heizleistung eine Änderung, ändert sich die Temperatur im Teilraum 17 dementsprechend und entweder entsteht mehr Dampf oder ein Teil des Dampfes kondensiert wieder bis das Gleichgewicht Druck/Temperatur erneut hergestellt ist.If the supply of heating power experiences a change, the temperature in subspace 17 changes accordingly and either more steam is produced or part of the steam condenses again until equilibrium is reached Pressure / temperature is restored.

Claims

Patent claims:

1. Thermal actuator, with an encapsulated box, which is divided into two sub-rooms by a movable wall is divided, of which the first is electrically heated to a liquid contained in it To transfer medium into the vapor phase and through this volume change of the medium the movable To displace wall, while the second, fluid-filled sub-space hydraulically over a transmission device with an actuator displaceable against the action of a return spring is drive-related, characterized in that that the volume of the first externally heatable sub-space (17) is only liquid Medium corresponds to a small fraction of the second part space (18) filled with the same medium and that the movable wall (15) is made of a thermally insulating material around the two To thermally isolate subspaces (17,18) from one another.

2. Actuator according to claim 1, characterized in that the movable wall by a piston (15) is formed.

3. Actuator according to claim 1 or 2 with a connection of the second sub-space with the interior a hydraulic lifting unit filled with the medium, which is supported in a stationary manner at one end is and is coupled at the other end to an adjusting spindle, characterized in that the connection is formed by a line (22) and the hydraulic lifting unit is formed by a bellows (24) is formed.

4. Actuator according to claim 2, characterized in that the effective in the second subspace (18) Cross-sectional area of the piston (15) is the same as the effective cross-sectional area of the bellows (24) is.

5. Actuator according to claim 4, characterized in that the one coupled to the adjusting spindle (25) End of the bellows (24) via a push rod penetrating the connecting line (22) with play is coupled to the piston (15).

6. Actuator according to claim 5, characterized in that the push rod (30) consists of a thermal insulating material

7. Actuator according to claim 3, characterized in that the connecting line (22) and at least a part of the wall of the can (14) delimiting the second partial space (18) is made of a heat insulating material (31) is enclosed.