DE3313999C2

DE3313999C2 -

Info

Publication number: DE3313999C2
Application number: DE3313999A
Authority: DE
Inventors: Finn Jacobsen; Jens Hoergen Moelbaek; Jan Nordborg Dk Zangenberg; Poul Steffen Augustenborg Dk Dam
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1983-04-18
Filing date: 1983-04-18
Publication date: 1992-07-02
Also published as: FR2544399B1; DK194284A; GB8409919D0; GB2138937B; JPH0635869B2; JPS59200802A; DK163447B; FR2544399A1; DK163447C; DK194284D0; CA1227175A; GB2138937A; SE8401772D0; US4535590A; DE3313999A1; SE8401772L; SE458628B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Stellmo tor, insbesondere für Ventile, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein bekannter thermischer Stellmotor (US-PS 23 79 124) dient der Betätigung eines Sicherheitsventils in der Gas zuleitung zu einem Ofen. Das Sicherheitsventil soll anspre chen, wenn die Zündflamme erlischt. Es gibt zwei gegenein ander wirkende Arbeitselemente, die je mit einem Behälter verbunden sind. Der eine Behälter steht unter dem Einfluß der Zündflamme, der andere Behälter soll in schwächerem Maß von dieser Zündflamme beeinflußt sein. Die Füllung be steht aus Luft oder einem anderen geeigneten Medium. Bei einer Luft- oder Gasfüllung hängt der Gasdruck von den Tem peraturen im Behälter und im Arbeitselement, also von einem Temperatur-Mittelwert, ab. Daher ist auch das Ansprechver halten vergleichsweise langsam.

Bekannt ist ferner ein thermischer Stellmotor (US-PS 29 89 281) mit zwei mit einer Flüssigkeits-Dampf-Füllung versehe nen Balgdosen, die gegensinnig auf ein Ventil-Stellglied einwirken. Die Böden der beiden Balgdosen sind unter Zwi schenschaltung einer thermoelektrischen Wärmepumpe gehäuse fest angeordnet. Der Träger besteht aus einem wärmeisolie renden Material. Die thermoelektrische Wärmepumpe ist mit tels eines Umschalters wahlweise in der einen oder anderen Richtung mit einem einstellbaren Strom versorgbar. Daher wird jeweils die eine Balgdose gekühlt und die andere er wärmt. Aufgrund der Temperaturunterschiede ergeben sich unterschiedliche Dampfdrücke, aufgrund deren das Ventil entweder geschlossen ist oder geöffnet wird. Auch hier ist die Arbeitsgeschwindigkeit langsam, selbst wenn man an die obere Grenze der für solche Anwendungszwecke üblicherweise zulässigen Ströme geht. Außerdem ist eine recht erhebliche elektrische Energie erforderlich, um die Balgdosen auf dem gewünschten Temperaturniveau zu halten.

Bekannt ist auch eine thermische Antriebseinrichtung zur Betätigung von Ventilen oder Steuerorganen (DE-GM 71 08 266), bei der ein Verdampfer, in der nur eine geringe Menge Flüssigkeit vorhanden ist, über ein Kapillarrohr mit einem Druckraum verbunden ist. Auf diese Weise soll die Ansprech zeit kurzgehalten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellmotor der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der unter sonst gleichen Voraussetzungen wesentlich rascher verstellt wird und/oder mit einer erheblich geringeren Leistung betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und alternativ durch die Merkmale des Anspruchs 2 gelöst.

Bei diesem Aufbau sorgen spezielle Maßnahmen dafür, daß das den Druck bestimmende Medium, also die Flüssigkeit der Flüssigkeits-Dampf-Füllung bzw. das Metallhydrid, auch wäh rend des Betriebs im Behälter verbleibt. Daher ist der Dampfdruck eine Funktion der Behältertemperatur. Um den Stellmotor zu verstellen, brauchen die Temperiervorrichtun gen lediglich die Temperatur des zugehörigen Behälters zu ändern. Da dieser Behälter im Vergleich zum Arbeitselement klein ist und daher eine entsprechend geringe Masse erwärmt bzw. abgekühlt werden muß, erfolgen die Temperatur änderungen rasch und/oder es genügen sehr geringe elektri sche Leistungen, um die Verstellung zu bewirken bzw. eine bestimmte Stellung aufrechtzuerhalten.

Obwohl die angestrebten Erfolge bereits eintreten, wenn der Behälter nur halb so groß ist wie das Arbeitselement, werden wesentlich kleinere Behälter, z. B. mit einer Größe von weniger als 10% der Größe eines Arbeitselements bevor zugt, weil dann die erfindungsgemäß angestrebten Effekte ausgeprägter in Erscheinung treten. In der Praxis haben sich die Abmessungen gemäß Anspruch 3 als besonders vor teilhaft erwiesen. Bei derart kleinen Behältern reagiert der Stellmotor außerordentlich rasch, wenn der Temperier vorrichtung Leistung zugeführt wird. Die erforderliche Lei stung ist äußerst gering. Sie liegt bei 0,25 bis 0,5 W.

Wenn die Behälter nach Anspruch 4 der Umgebungsluft ausge setzt sind, gleicht sich die Behältertemperatur nach Ab schalten der Temperiervorrichtung rasch der Umgebungstem peratur an.

Mit der Weiterbildung nach Anspruch 5 können auch kleine Behälter sicher montiert werden.

Bei der Verwendung zweier elektrischer Heizkörper nach An spruch 6 wird durch Ansteuerung des einen oder des anderen Heizkörpers eine Verstellung in der einen oder anderen Richtung bewirkt. Bei Verwendung einer thermoelektrischen Wärmepumpe nach Anspruch 7 reichen sehr kleine Peltierele mente mit entsprechend kleiner Leistung aus.

Die Maßnahmen der Ansprüche 8 bis 10 sind generell brauch bar, aber besonders geeignet, um das Merkmal e1) des An spruchs 1 zu verwirklichen. Es wird auf einfache Weise er reicht, daß die Temperatur der Behälter trotz Wärmezufuhr auf einem geringeren Wert gehalten wird als der Behältertemperatur, so daß die Kon densation jeweils im Behälter stattfindet. Die hierfür er forderliche elektrische Leistung kann durch die Wärmeisola tion sehr gering gehalten werden. Es kommt auch nicht dar auf an, den Arbeitselementen unterschiedliche Temperatur zu geben; sie können vielmehr die gleiche Temperatur besit zen.

Die Bauform des Anspruchs 11 ist möglich, weil die Kapseln die gleiche Temperatur besitzen dürfen. Das Balgdosenpaar kann als Einheit vorgefertigt und in den Stellmotor einge setzt werden.

Das Kapillarrohr des Anspruchs 12 erlaubt eine große Frei zügigkeit bei der Anordnung des Behälters mit Bezug auf das zugehörige Arbeitselement.

Bei der Alternative nach Anspruch 13 bilden Arbeitselement und Behälter eine Baueinheit und lassen sich daher leicht montieren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Stellmotor gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Aus führungsform,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer dritten Aus führungsform und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines mit dem Behäl ter starr verbundenen Arbeitselements.

Der Stellmotor nach Fig. 1 besitzt einen Sockel 1, der - ähnlich wie ein Thermostataufsatz - auf ein Ventilge häuse aufsetzbar ist. Federnde Beine 2 werden hierbei über einen Wulst des Ventilgehäuses geschoben und mit tels eines, in eine Umfangsnut 3 eingelegten Spannbandes festgehalten.

Zwei Arbeitselemente 4 und 5 weisen je eine Kapsel 6 bzw. 7 auf, deren Böden 8 und 9 durch Punktschweißung fest miteinander verbunden sind. Am Umfang ist zwischen die beiden Böden eine gemeinsame Heizwicklung 10 einge legt. Der Innenraum 11 des Arbeitselements 4 wird durch die Kapsel 6, einen Ringflansch 12 und einen federnden Balg 13 mit Stirnplatte 14 begrenzt. Letztere wirkt über einen Stößel 15 aus wärmeisolierendem Material auf eine Stellplatte 16. Die zentrische Vertiefung 17 dieser Stellplatte vermag einen das Verschlußstück des Ventils gegen die Kraft einer Rückstellfeder betätigenden Stift aufzunehmen. Der Innenraum 18 des Arbeitselements 5 wird durch die Kapsel 7, einen Ringflansch 19 und einen fe dernden Balg 20 mit Stirnplatte 21 begrenzt. Letztere wirkt über einen Stößel 22 aus wärmeisolierendem Mate rial und eine Betätigungsbrücke 23 auf die Stellplatte 16. Außerdem ist der Stößel 22 durch eine Sollwertfeder 24 belastet, die sich an einer Platte 25 abstützt, welche mit Hilfe einer Schraube 26 axial verstellbar ist. Eine Wärmeisolation 27 umgibt die beiden Arbeitselemente 4 und 5.

Ein stirnseitiger Deckel 28 ist über Fortsätze 29 mit den beiden Arbeitselementen 4 und 5 sowie der Wärmeiso lation 27 zu einer Baueinheit verbunden, die gegen Fort sätze 30 des Sockels 1 gehalten ist. Eine Kappe 31, die durch eine Rastverbindung 32 mit dem Sockel 1 verbunden ist, hält mit einem Innenflansch 33 die Baueinheit an Ort und Stelle. Auf diese Weise ist auch die Schraube 26, die durch eine Zentralöffnung 34 verstellbar ist, axial festgehalten.

Im Deckel 28 sind zwei Behälter 35 und 36 vorgesehen, die je die Flüssigkeitsmenge 37 bzw. 38 der Flüssig keits-Dampf-Füllung des Arbeitselements 4 bzw. 5 ent halten. Die Füllungen beider Arbeitselemente sind einan der gleich. Der Behälter 35 ist über ein als Kapillarrohr ausgebildetes Zwischenstück 39 mit dem Innenraum 11 des Arbeitselements 4, der Behälter 36 über ein als Kapillar rohr 40 ausgebildetes Zwischenstück mit dem Innenraum 18 des Arbeitselements 5 verbunden. Dem Behälter 35 ist ein elektrischer Heizwiderstand 41, dem Behälter 36 ein elektrischer Heizwiderstand 42 zugeordnet.

Wenn in einer Betriebssituation beide Arbeitselemente 4 und 5 die gleiche Temperatur haben und daher mit dem gleichen Dampfdruck wirken, ergibt sich ein Druckgleich gewicht, bei dem die Stellplatte 16 und damit auch das Verschlußstück des betätigten Ventils eine Neutralstel lung einnehmen. Diese ist allein vom positionsabhängigen Kraftgleichgewicht bestimmt, wobei der federnde Balg 13 und die Ventilfeder in der einen Richtung und der federnde Balg 20 und die Sollwertfeder 24 in der anderen Richtung wirken.

Wird ein Temperaturunterschied durch unterschiedliche Beheizung der Behälter 35 und 36 hergestellt, beispiels weise dadurch, daß der Heizwiderstand 41 den Behälter 35 stärker beheizt als der Heizwiderstand 42 den Behälter 36, entsteht ein Druckunterschied in den beiden Arbeits elementen 4 und 5 und dadurch eine Differenz der tempe raturabhängigen Kräfte. Dementsprechend tritt eine Ände rung der positionsabhängigen Kräfte ein; die Spindel bewegt sich in der Richtung vom wärmeren zum kälteren Arbeitselement.

Die größte Bewegungsgeschwindigkeit wird erreicht, wenn das eine Arbeitselement beheizt wird, während das andere von der umgebenden Luft abgekühlt wird. Die Lage des Ventils und dessen Bewegungsgeschwindigkeit können daher in den beiden Richtungen symmetrisch um die Neutralstel lung dadurch gesteuert werden, daß der Strom in den Heiz widerständen und dadurch die Temperatur in den Behältern 35 und 36 gesteuert wird.

Der Innenraum der Behälter 35 und 36 beträgt je nur 0,2 cm³. Die Flüssigkeitsmenge ist noch kleiner. Infolge dessen läßt sich der Dampfdruck mit geringer Heizleistung rasch ändern und aufrechterhalten. Entsprechend rasch reagiert auch der Stellmotor. Das kleinste Volumen der Arbeitselemente 4 und 5 beträgt demgegenüber 5 cm³. Dem zufolge genügt bei den Heizkörpern 41 und 42 eine Heiz leistung von 0,25 bis 0,5 W. Wegen der Isolierung 27 genügt für die Heizwicklung 10 eine Heizleistung von etwa 1 W. Insgesamt ist die Temperaturbeanspruchung ge ring. Für den Stellmotor können daher preisgünstige, übliche thermoplastische Materialien verwendet werden. Auch die elektrischen Leitungen können einen kleinen Querschnitt haben, da der Strom sehr gering ist.

In Fig. 2 werden für entsprechende Teile um 100 gegen über Fig. 1 erhöhte Bezugszeichen verwendet. Zunächst ist zu sehen, wie die federnden Beine 102 des Sockels 101 durch das Spannband 50 auf einem Ventilgehäuse 51 aufgespannt ist und ein Ventilbetätigungsstift 52 aus einer Stopfbuchse 53 herausragt.

In diesem Fall ist jedes Arbeitselement 104 und 105 mit einer eigenen Heizwicklung 110, 110 a versehen, die dau ernd eingeschaltet bleibt. Die Kapsel 106 des Arbeits elements 104 stützt sich am Deckel 128, die Kapsel 107 des Arbeitselements 105 am Sockel 101 ab. Demzufolge sind die beiden Stößel 115 und 122 einander zugekehrt. Sie wirken auf die Brücke 123, die mit der Stellplatte 116 in Verbindung steht. An der Außenseite der Kappe 131 befindet sich eine Fassung 54, die mehrere Steck stifte 55 und 56 trägt. Auf diese ist eine Steckbuchse 57 mit einem Kabelanschluß 58 aufsteckbar. Über diese Anordnung kann den einzelnen Heizelementen Strom zuge führt werden.

Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform entspricht der jenigen der Fig. 1.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 werden um 200 gegen über Fig. 1 erhöhte Bezugszeichen benutzt. Der wesent liche Unterschied besteht darin, daß die beiden Behälter 235 und 236 durch eine thermoelektrische Wärmepumpe, nämlich ein Peltierelement 241, beeinflußt werden, das beim Einschalten dem einen Behälter Wärme entzieht und dem anderen Wärme zuführt. Durch Umschalten der Strom richtung kann auch der Wärmefluß umgekehrt werden. Außer dem ist eine durchgehende Heizwicklung 210 um die Um fänge beider Arbeitselemente 204 und 205 gelegt.

In Fig. 4 werden für entsprechende Teile um 300 gegenüber Fig. 1 erhöhte Bezugszeichen benutzt. Der Behälter 335 ist unter Zwischenschaltung eines als Isolierblock ausge bildeten Zwischenstücks 339, das als Kanal eine Bohrung 343 aufweist, starr mit der Außenkapsel 306 des Arbeits elements 304 verbunden. Der Behälter weist eine Metallhy drid-Füllung 337 auf, die vom Kanal 343 durch eine Mem bran 344 getrennt ist. Diese Membran ist nur für Wasser stoff, nicht aber für das Metallhydrid 337 durchlässig. Die Membran ist auf einem Pfropfen 345 abgestützt, der aufgrund seiner Porösität eine begrenzte Durchlässigkeit hat. Die Heizvorrichtung 341 ist als Ring angedeutet.

Es ist auch möglich, die beiden Arbeitselemente mit Balg elementen unterschiedlicher Größe zu versehen und die entsprechenden Wellrohre zentrisch ineinander anzuordnen. In diesem Fall sollten zwei verschiedene Füllmedien ver wendet werden.

Claims

1. Thermischer Stellmotor, insbesondere für Ventile, mit zwei gegensinnig auf eine Betätigungsbrücke wirkenden Arbeitselementen, insbesondere Balgdosen, die je eine Füllung mit temperaturabhängigem Dampfdruck aufweisen und je mit einem Behälter über ein einen Kanal aufwei sendes Zwischenstück, das Arbeitselement und Behälter thermisch zumindest teilweise voneinander isoliert, verbunden sind, und mit einer den Behältern zugeordne ten Temperiervorrichtung zur unterschiedlichen thermi schen Beeinflussung der beiden Füllungen, dadurch gekennzeichnet,

a) daß ausschließlich die Behälter (35, 36; 135, 136; 235, 236) das den Druck bestimmende Medium (37, 38) der Füllung enthalten,
b) daß der Behälterraum klein ist im Verhältnis zum kleinsten Volumen des zugehörigen Arbeitselements (4, 5; 104, 105; 204, 205),
c) daß jedem der beiden Behälter eine Temperiervor richtung (41, 42; 141, 142; 241) zugeordnet ist,
d1) daß eine Flüssigkeits-Dampf-Füllung vorgesehen ist, wobei die jeweilige Flüssigkeitsfüllung (37, 38) kleiner als der Behälterraum ist und
e1) daß zum Zurückhalten der Flüssigkeit im Behälter die Temperiervorrichtung (41, 42; 141, 142; 241) die Behälter (35, 36; 135, 136; 235, 236) auf einer geringeren Temperatur als die Arbeitselemente (4, 5; 104, 195; 204, 205) hält.

2. Thermischer Stellmotor, insbesondere für Ventile, mit zwei gegensinnig auf eine Betätigungsbrücke wirkenden Arbeitselementen, insbesondere Balgdosen, die je eine Füllung mit temperaturabhängigem Dampfdruck aufweisen und je mit einem Behälter über ein einen Kanal aufwei sendes Zwischenstück, das Arbeitselement und Behälter thermisch zumindest teilweise voneinander isoliert, verbunden sind, und mit einer den Behältern zugeordne ten Temperiervorrichtung zur unterschiedlichen thermi schen Beeinflussung der beiden Füllungen, dadurch gekennzeichnet,

a) daß ausschließlich die Behälter (335) das den Druck bestimmende Medium (337) der Füllung enthalten,
b) daß der Behälterraum klein ist im Verhältnis zum kleinsten Volumen des zugehörigen Arbeitselements (304),
c) daß jedem der beiden Behälter eine Temperiervorrich tung (341) zugeordnet ist,
d2) daß im Behälter (335) ein Metallhydrid (337) als Füllung vorgesehen ist und
e2) daß zum Zurückhalten des Metallhydrids im Behälter dieser eine nur für Wasserstoff durchlässige Mem bran (344) aufweist, die den Kanal (343) von dem Metallhydrid im Behälterraum abtrennt.

3. Stellmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Behälterraum kleiner als 0,5 cm³ ist, vor zugsweise etwa 0,2 cm³ beträgt.

4. Stellmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter (35, 36; 135, 136; 235, 236; 335) der Umgebungsluft ausgesetzt sind.

5. Stellmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter (35, 36; 135, 136) an der Außenseite eines die Arbeitselemente (4, 5; 104, 105) umschließen den Gehäuses angeordnet sind.

6. Stellmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperiervorrichtung (41, 42; 141, 142) zwei elektrische Heizkörper aufweist, die je einem Behälter (35, 36; 135, 136) zugeordnet und unterschiedlich ansteuerbar sind.

7. Stellmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperiervorrichtung (241) eine thermoelektrische Wärmepumpe, z. B. ein Peltierelement mit umkehrbarer Wirkungsrichtung, ist, die den einen Behälter (z. B. 235) zu kühlen und den anderen Behälter (z. B. 236) zu erwärmen vermag.

8. Stellmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Arbeitselemente (4, 5; 104, 105; 204, 205) elektrisch beheizbar sind.

9. Stellmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Arbeitselemente (4, 5; 204, 205) von einer Wärmeisolation (27; 227) umgeben sind.

10. Stellmotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß beiden Arbeitselementen (4, 5; 204, 205) eine gemeinsame elektrische Heizung (10; 210) zugeord net ist.

11. Stellmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Balgdosen je eine äußere Kapsel (6, 7) und einen in dieser angeordneten Balg (13, 20) aufweisen und die beiden Kapseln zu einer Baueinheit vereinigt sind, bei der die Kapselböden (8, 9) einan der zugewandt sind.

12. Stellmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (39, 40; 139, 140; 239, 240) ein Kapillarrohr ist.

13. Stellmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (339) ein mit einem Kanal (343) versehener Block ist, der aus einem Material mit großem Wärmewiderstand besteht, am Ar beitselement (304) befestigt ist und den Behälter (335) trägt.