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Temper at ur abhäng ige s Regelelement
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Die Erfindung betrifft ein temperaturabhängiges Regelelement mit den
im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
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Zur thermostatischen Regelung von Sanitärarmaturen sind als temperaturabhängige
Stellglieder Bimetallsysteme sowie mit Flüssigkeiten oder Wachse gefüllte Dehnstoffkapseln
bekannt. Das Funktionsprinzip dieser bekannten Regelelemente beruht auf der Grundlage
der thermischen Bewegung innerhalb der Materialien, die in Abhängigkeit der Temperatur
eine Längen- bzw. Raumausdehnung zur Folge hat.
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Die Volumenänderungen pro Grad Temperaturänderung sind
daher
relativ klein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein temperaturabhängiges
Regelelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das pro Grad Temperaturänderung
eine relativ große Stellgröße erzeugt.
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Diese Aufgabe wird durch den Einsatz eines Gels als Dehnstoff gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.
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Der Vorteil beim Einsatz von Gelen besteht insbesondere darin, daß
diese sich um das Mehrfache ihres Volumens ausdehnen und schrumpfen können. Ein
Gel ist ein disperses System, bei dem die dispergierten Bestandteile imDispersionsmittel
in unregelmäßigen Gerüsten angeordnet und an einzelnen Stellen miteinander verknüpft
sind. Ein allgemein bekanntes Gel ist die Gelantine, ein Linearkolloid, das aus
Knochen- und Hautabfällen hergestellt wird. Es besteht aus dem Gerüsteiweiß Kolagen,
das aus verschiedenen Aminosäuren gebildet wird. Wässerige Lösungen erstarren bei
Abkühlung, wenn Gelantine nur in einer Konzentration von 1% vorhanden ist. Das Gelantinegerüst
wandelt das Wasser in eine formstabile Masse um. Es gibt viele Beispiele von Gelen
in der Natur, ebenso wie abgewandelte Naturprodukte. Die erfindungsgemäß im wesentlichen
genutzte Eigenschaft der Gele ist die in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur sich
ändernde Quellfähigkeit in Verbindung mit Flüssigkeiten, speziell mit Wasser. Hierzu
sei auf eine Veröffentlichung in der Zeitschrift "Spektrum der Wissenschaft, März
1981, Seite 79 bis 93, hingewiesen, wonach ein Gel bei einer Temperaturänderung
auf mehr als das Hundertfache seines Volumens anschwellen und um den gleichen FaKtor
schrumpfen kann. Bei bestimmten Bedingungen kann dieser Vorgang auch diskontinuierlich
verlaufen,
so daß schon eine relativ kleine Temperaturänderung diese
große Volumenänderung hervorzurufen vermag.
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Vorteilhaft kan hei den Regelelementen ein Polyacrylamidgel, das durch
eine Kectenreaktion gebildet wird, eingesetzt werden. Als Grundkomponenten sind
bei diesem Gel Acrylamid und Bisacrylamid einzusetzen, wobei die Radikalpolymerisation
durch Zugabe von Tetramethyl-ethylendiamin und Ammoniumpersulfat eingeleitet wird.
Die Reaktion läuft im Wasser ab und kommt zum Stillstand wenn keine monomeren Substanzen
mehr zur Reaktion zur Verfügung stehen. Das so gebildete Gel ist formstabil und
kann einer mechanischen Bearbeitung, wie z.B. Zerschneiden, ausgesetzt werden. Der
chemische Aufbau des so erhaltenen Polymers gestattet die teilweise Hydrolyse der
Amidgruppen. Die durch die Hydrolyse entstandenen Carboxylgruppen haben wesentlichen
Anteil am Eigenschaftsprofil des Gels.
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In Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zeigt das Gel ein mehr
oder weniger lineares Verhalten des Quellungsgrades, wobei andererseits zu beachten
ist, daß bei einem charakteristischen Temperaturpunkt der Quellungsgrad ganz plötzlich
zunimmt.
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Diese beiden Effekte ermöglichen den Einsatz einerseits eines entsprechend
konditionierten Gels mit einem relativ linearen Verhalten des Quellungsgrades in
der entsprechenden Art, wie Flüssigkeiten oder Wachse, mit dem Vorteil, daß die
temperaturabhängige Volumenzunahme wesentlich höher ist und andererseits bei einem
anders konditionierten Gel,dessen Einsatzgebiet im Bereich des charakteristischen
Temperaturpunkts liegt, als dffnungs- und Schließglied für eine automatische Sicherheitsabsperrung
an einem bestimmten Temperaturpunkt Im einzelnen sind bei der Volumenänderung des
Gels die
bestimmenden Kräfte a) die Gummielastizität b) die Polymer-Polymer-Affinität
c) der Wasserstoffionendruck.
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Diese drei Komponenten erzeugen den osmotischen Druck, der seinerseits
die Flüssigkeitsaufnahme und -abgabe in dem Gelgerüst bewirkt.
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Im Gegensatz zu den bekannten, von Flüssigkeiten und Wachsen gebildeten
Dehnstoffen, bei denen allein die thermische Bewegung der Elektronen und Moleküle
bestimmend für die Volumenausdehnung ist, wird bei der Erfindung der physikalisch-chemische
Effekt des osmotischen Drucks nutzbar gemacht, wobei der Zustand des Gels von den
Einflußgrößen 1) chemische Struktur 2) Molekulargewicht 3) räumlicher Zellaufbau
4) Hydrolysegrad 5) Zusammensetzung des umgebenden Mediums 6) Temperatur bestimmt
wird. Die Größen 1? bis 4)sind dabei die den Gelaufbau bestimmenden Größen während
die Größen 5) und 6) das dynamische Verhalten des Gels bestimmen. Bei einer Festlegung
der Größen 1) bis 5) und den Einsatz des Gels in einer Kapsel, wie er z.B. von Wachselementen
bekannt ist, kann ein Regelelement mit optimaler Anpassung an den Verwendungszweck,
z.B. ein Ventil in Abhängigkeit der Temperatur zu regeln, geschaffen werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in schematischer Weise in
der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden
näher erläutert.
Es zeigt Figur 1 ein Rezelelement mit geschrumpfter Gelfüllung; Figur 2 das Regelelement
mit expandierter Gelfüllung; Figur 3 das Regelelement mit voll expandierter Gelfüllung;
Figur 4 ein ringförmig ausgebildetes Regelelement mit geschrumpfter Gelfüllung;
Figur 5 einen Teil des Regelelements gemäß Figur 4 mit expandierter Gelfüllung;
Figur 6 einen Teil eines anders aufgebauten ringförmigen Regelelements mit expandiertem
Gel im Längsschnitt.
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Der Einfachheit halber sind bei den verschiedenen Ausfthrungsbeispielen
in der Zeichnung gleiche oder entsprechende Elemente mit jeweils gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Das in den Figuren 1 bis 3 in verschiedenen Ausdehnungsstellungen
gezeigte Regelelement wird von einer zylindrischen Kapsel 10 gebildet, in dem ein
für eine Flüssigkeit 2 durchlässiger, gegenüber dem Gel 1 aber undurchlässiger Kolben
11 verschiebbar geführt ist und an einer Stange 12 zur Abnahme der Stellgröße anliegt.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Zustand befindet sich das Regelelement in dem tiefsten
zu regelnden Temperaturbereich, wobei ein großer Teil der Flüssigkeit 2 aus dem
Gel ausgeschieden und durch den Kolben 11 in den Freiraum der Kapsel entwichen ist.
In Figur 2 ist der Zustand des Regelelements bei der höchsten auszuregelnden Temperatur
gezeigt. In dieser Stellung ist
der größte Teil der freien Flüssigkeit
2 von dem Gel aufgenommen worden, wobei das Gel entsprechend expandiert ist und
den Kolben 11 um einen Hub 3 verschoben hat. Bei einer Absenkung des Temperaturbereichs
tritt analog eine entsprechende Schrumpfung des Gels 1 ein, so daß der Hub 3 die
erzeugbare Stellgröße für den zu regelnden Temperaturbereich angibt.
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In Figur 3 ist das Regelelement in einer Sonderstellung gezeigt. Das
Gel 1 befindet sich hier in der kritischen Temperatur, wobei das Gel so ausgelegt
sein kann, daß diese kritische Temperatur z.B. bei 400 C. liegt. Bei der kritischen
Temperatur erfolgt eine schlagartige Volumenänderung des Gels 1 und bewirkt ein
entsprechendes Verschieben des Kolbens 11 um den Hub 4. Diese schlagartige Hubveränderung
kann z.B. vorteilhaft als Stellgröße für eine Sicherheitseinrichtung bei Erreichen
einer Sicherheitssperrtemperatur eingesetzt werden.
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Mit dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Regelelement werden daher
im Bereich des Hubes 3 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur bzw. der Temperaturänderungenentsprechende
Stellgrößen huber die Stange 12 abgegeben, während bei einem Erreichen der kritischen
Temperatur schlagartig eine Volumenänderung im Bereich des Hubes 4 auftritt.
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In den Figuren 4 und 5 ist ein aus einer ringförmigen Kapsel 20 gebildetes
Regelelement gezeigt. In dem zylindrischen Hohlring ist das Gel eingefüllt, auf
dem ein Abdeckring 23 verschiebbar in der Kapsel 20 aufliegt. Zur Abgabe der erzeugten
Stellgröße liegen andererseits an dem Abdeckringstangen 12 an. Im Gegensatz zu den
Ausführungen gemäß Figur 1 bis 3 tritt bei dieser Ausführung die Flüssigkeit nicht
durch den Abdeckring 23 hindurch, sondern im Gel sind Flüssigkeitsreservoire in
Form von Hohlkörpern 21,22 angeordnet. Die Hohlkörper sind aus
einem
flüssigkeitsdurchlässigen aber gelundurchlässigen Material ringfbrmig ausgebildet
und weisen im Querschnitt etwa Rautenform als. Bei Temperaturänderungen werden daher
aus den Hohlkörpern ontsprechende Mengen Flüssigkeit 2 aufgenommen oder in die Hohlräume
ausgeschieden, so daß eine entsprechende Volumenänderung stattfinden kann und die
dadurch bewirkte Stellgröße an der Stange 12 abgenommen werden kann. In Figur 4
ist das Gel im geschrumpften Zustand gezeigt, so daß die Hohlkörper aufeinanderliegen
und entsprechende Mengen Flüssigkeit von ihnen aufgenommen werden, während in Figur
5 das Gel im ausgedehnten Zustand gezeigt ist, wobei die einzelnen Hohlkörper 2i
einen entsprechenden Abstand zueinander eingenommen und an das Gel die benötigte
Flüssigkeit 2 zurückgeführt haben. Im übrigen entspricht die Funktionsweise des
Regelelements dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten.
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In Figur 6 sind im Gegensatz zu der vorbeschriebenen Ausführung die
Hohlkörper 22 ziehharmonikaartig miteinander verbunden, so daß entsprechend der
Gelausdehnung die Hohlkörper sich verformen.
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Neben den im Querschnitt rautenformig ausgebildeten Hohlkörpern können
selbstverständlich noch anders geformte Hohlkörper als Flüssigkeitsreservoire eingesetzt
werden.
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Auch kann die Erfindung ohne weiteres mit nicht zylindrisch geformten
Kapseln verwirklicht werden. Alternativ kann z.B. das Regelelement in Plattenform
ausgeführt werden.
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L e e r s e i t e