DE3314000A1

DE3314000A1 - Thermostatischer stellmotor, insbesondere fuer ventile

Info

Publication number: DE3314000A1
Application number: DE19833314000
Authority: DE
Inventors: Poul Steffen Augustenborg Dam; Finn Nordborg Jacobsen; Jens Joergen Moelbaeck; Jan Nordborg Zangenberg
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1983-04-18
Filing date: 1983-04-18
Publication date: 1984-10-25
Also published as: DK163072B; SE458627B; FR2544398B1; CA1233150A; SE8401771D0; GB2138938B; JPH0448993B2; US4760699A; FR2544398A1; GB2138938A; DK194184A; DE3314000C2; JPS59200879A; DK194184D0; SE8401771L; DK163072C; GB8409920D0

Description

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DR.-ING. ULRICH KNOBLAUCH PATENTANWALT β frankfurt/main ι. den₁₅ April 1983

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DRESDNER BANK, FRANKFURT/M. 2300308 TELEFON: 56 10 78

TELEGRAMM: KNOPAT TELEX: 411877 KNOPA D

DA 656

DANFOSS A/S, Nordborg, Dänemark Thermostatischer Stellmotor, insbesondere für Ventile

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Stellmotor, mit zwei gegensinnig auf eine Betätigungsbrücke wirkenden, thermisch gegeneinander isolierten, je eine temperaturabhängige Füllung aufweisenden Arbeitselementen, und einer Temperiervorrichtung zur unterschiedlichen thermischen Beeinflussung der beiden Füllungen.

Bei einem bekannten thermischen Stellmotor (US-PS 29 89 281) sind zwei mit einer Flüssigkeits-Dampf-Füllung versehene Balgdosen vorgesehen, die gegensinnig auf ein Ventil-Stellglied einwirken. Die Böden der beiden Balgdosen sind unter Zwischenschaltung einer thermoelektrischen Wärmepumpe gehäusefest angeordnet. Der Träger besteht aus einem wärmeisolierenden Material. Die thermoelektrische Wärmepumpe ist mittels eines Umschalters wahlweise in der einen oder anderen Richtung mit einem einstellbaren Strom versorgbar. Daher wird jeweils die eine Balgdose gekühlt und die andere erwärmt. Aufgrund der Temperaturunterschiede ergeben sich unterschiedliche Dampfdrücke, aufgrund deren das Ventil entweder geschlossen ist oder geöffnet wird.

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Ein solcher Stellmotor hat den Vorteil, daß er weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur arbeitet, weil sich der Einfluß der Umgebungstemperatur in beiden Balgdosen in etwa gleicher Größe, aber entgegengesetzt bemerkbar macht. Eine thermoelektrische Wärmepumpe, wie ein Peltier-Element begrenzt jedoch die Konstruktionsfreiheit und die Einsatzmöglichkeiten. So müssen die Arbeitselemente eine bestimmte Zuordnung zueinander haben. Ein Wechselstrombetrieb ist nicht möglich. Die Stellgeschwindigkeit ist begrenzt, weil für den Wärmeübergang nur eine begrenzte Anlagefläche zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermisehen Stellmotor der eingangs beschriebenen Art anzugeben, dessen Konstruktion und Einsatz weniger starken Beschränkungen unterliegt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Temperiervorrichtung zwei elektrische Heizvorrichtungen aufweist, die je einem Arbeitselement zugeordnet und mit unterschiedlicher Heizleistung ansteuerbar sind.

Durch die Verwendung der beiden voneinander unabhängigen Heizvorrichtungen ergibt sich eine große konstruktive Freiheit bezüglich der Anordnung der Arbeitselemente zueinander und bezüglich der Anordnung der Heizvorrichtung am Arbeitselement. Es können verhältnismäßig große Wärmeübertragungsflächen vorgesehen werden. Dies erlaubt es, eine größere Leistung zuzuführen und damit eine

raschere Stellbewegung zu erzielen. Die Heizvorrichtungen können auch mit Wechselstrom beschickt werden. Die Heizwicklungen sind auch erheblich billiger als eine Wärmepumpe.
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Hierbei genügt es, wenn von den Heizvorrichtungen jeweils nur eine einschaltbar ist. Durch das abwechselnde Beheizen der Behälter ergibt sich eine verhältnismäßig große Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur und damit der Verstellung des Motors. Außerdem ergibt sich in beiden Bewegungsrichtungen die gleiche Geschwindigkeit.

Die Rückkehr zur Ruhelage kann besonders rasch erfolgen, wenn beide Arbeitselemente zumindest teilweise der Umgebungsluft ausgesetzt sind. Auf diese Weise kann die Abkühlung durch Konvektion erfolgen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der die Arbeitselemente des Stellmotors durch Balgdosen gebildet sind, die je eine Füllung mit temperaturabhängigem Dampfdruck aufweisen, ist dafür gesorgt, daß die Balgdosen eine Außenkapsel haben und die Heizvorrichtungen am Umfang der Außenkapseln angebracht sind. Die Außenkapsel bietet eine verhältnismäßig große Oberfläche, die als Wärmeübertragungsfläche ausgenutzt werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß zwei Außenkapseln mit einander zugewandten Böden unter Zwischenschaltung einer Wärmeisolation gehäusefest gehalten sind und die Stößel beider Arbeitselemente einander abgewandt sind und auf eine die Außenkapseln übergreifende Betätigungsbrücke wirken. Die Außenkapseln und die Wärmeisolation können hierbei eine Baueinheit bilden, die zwischen den gehäusefesten Teilen angeordnet ist.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Böden zweier Außenkapseln an zwei einander zugewandten gehäusefesten Teilen gehalten sind und die Stößel beider Arbeitselemente einander zugewandt und auf einem zwischen den Außenkapseln nach außen ragenden Teil der Betätigungsbrücke wirken. Auch in diesem Fall lassen

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sich die beiden Außenkapseln leicht am übrigen Gehäuse anbringen.

Eine alternative Lösung besteht darin, daß die Arbeitselemente durch Patronen mit Feststoff-Füllung, wie Wachs, und je ein in Reihe damit geschaltetes Federelement gebildet sind und die Heizvorrichtungen am Umfang der Patronen angebracht sind. Die Patronen mit der Feststoff-Füllung ergeben zwar eine temperaturabhängige Volurnenverdrängung. Durch das Zwischenschalten der Federelemente stellt sich aber die Betätigungsbrücke so ein, daß beide Federelemente eine Verformung erfahren, die zu der gleichen Federkraft führt.

Insbesondere können die Patronen mit einander zugewandten Böden gehäusefest gehalten sein und ihre Stößel unter Zwischenschaltung je eines Federelements an der Betätigungsbrücke angreifen. Hierbei können die Patronen sehr einfach am Gehäuse befestigt werden.

In einem besonders einfachen Ausführungsbeispiel ist das Federelement ein elastischer Block, beispielsweise aus einem gummielastischen Material.

Insbesondere können die Heizvorrichtungen durch Heizwicklungen gebildet sein. Die Außenfläche der Außenkapsel oder der Patrone ist ein vorzüglicher Träger für eine solche Wicklung.

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

Fig. 1 eine achernatIsche Darstellung einer ersten AusfUhrungsform,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Aus-

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fUhrungsform,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform

und
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Fig. 4 eine Seitenansicht der Innenteile der Ausführungsform nach Fig. 3.

Der thermische Stellmotor nach Fig. 1 besitzt einen Sockel 1, der - ähnlich wie ein Thermostataufsatz - auf ein Ventilgehäuse 2 aufsetzbar ist. Federnde Beine 3 werden hierbei über einen Wulst 4 des Ventilgehäuses geschoben und mittels eines in eine Umfangsnut eingelegten Spannbandes 5 festgehalten.

Zwei Arbeitselemente 6 und 7 weisen je eine Außenkapsel 8 bzw. 9 auf. Der Innenraum 10 des Arbeitselements 6 wird durch die Außenkapsel 8, einen Ringflansch 11 und einen federnden Balg 12 begrenzt, dessen Stirnplatte auf einen Stössel 14 aus wärmeisolierendem Material wirkt. Der Innenraum 15 des Arbeitselements 7 wird durch die Außenkapsel 9, einen Ringflansch 16 und einen federnden Balg 17 be- grenzt, dessen Stirnwand 18 auf einen Stössel 19 aus wärmeisolierendem Material wirkt.

Die Außenkapsel 9 ist auf Fortsätzen 20 des Sockels 1 gehalten. Das Arbeitselement 6 ist an einem Deckel 21 abgestützt. Der Deckel wird durch eine Kappe 22 gehalten, die Luftdurchtrittsschlitze 23 besitzt und mittels einer Wulst-Rastverbindung 24 am Sockel 1 befestigt ist. Die beiden Stössel 14 und 19 wirken gemeinsam auf eine Betätigungsbrücke 25, die zumindest am Umfang zum Zweck des Luftdurchtritts nur Längsstege aufweist, und mit einer Stellplatte 26 verbunden ist. Deren mittige Vertiefung 27 kann mit einem Ventilbetätigungsstift 28 zusammenwirken, der durch eine Stopfbuchse 29 nach außen geführt wird und im Innern des Ventils mit einer ihn nach

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- 9 außen drückenden Feder belastet ist.

Die Innenräume 10 und 15 der beiden Arbeitselemente 6 und 7 sind je mit einer Flüssigkeits-Dampf-Füllung versehen, so daß der Druck im jeweiligen Arbeitselement eine Funktion der Temperatur dieses Arbeitselements ist. Auf den Umfang der Außenkapsel 8 ist eine Heizwicklung 30 aufgebracht, auf den Umfang der Außenkapsel 9 eine Heizwicklung 31. Die Kappe 22 trägt an einer Seite eine -10 Fassung 32 mit mehreren Steckstiften 33 und 34. Auf diese kann eine Steckbuchse 35 mit einem Kabelanschluß 36 aufgesteckt werden.

Wenn in einer Betriebssituation beide Arbeitselemente 6 und 7 die gleiche Temperatur, beispielsweise die Umgebungstemperatur haben, ergibt sich ein Druckgleichgewicht. Die Betätigungsbrücke 25 und der Stift 28 nehmen dann eine Neutrallage ein, die allein vom positionsabhängigen Kraftgleichgewicht der im System wirkenden Federkräfte, nämlich auf der einen Seite die Federwirkung des Balges 17 und auf der anderen Seite die Federwirkung des Balges 12 und der Ventilfeder, bestimmt ist. Auf die Betätigungsbrücke 25 kann auch noch mindestens eine weitere vorzugsweise einstellbare Feder zur Einstellung der Neutrallage vorgesehen sein.

Wird ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Arbeitselementen hergestellt, z.B. dadurch, daß die Heizwicklung 30 das Arbeitselement 6 mehr beheizt als die Wicklung 31 das Arbeitselement 7, entsteht ein Druckunterschied und dadurch ein Unterschied der temperaturabhängigen Kräfte. Dementsprechend tritt eine Änderung der positionsabhängigen Kräfte ein. Die Spindel bewegt sich daher in der Richtung vom wärmeren zum kälteren Arbeitselement.

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Die größte Bewegungsgeschwindigkeit wird erreicht, wenn das eine Arbeitselement beheizt wird, während das andere von der Umgebungsluft abgekühlt wird. Die Stellung des Stiftes 28 und die Bewegungsgeschwindigkeit können in beiden Richtungen symmetrisch um die Neutrallage dadurch gesteuert werden, daß der Strom in den Heizwicklungen und damit die Temperatur in den Arbeitselementen entsprechend gesteuert wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 werden für entsprechende Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen benutzt. Hier sind die beiden Arbeitselemente 106 und 107 miteinander vertauscht, und zwischen den beiden gehäusefesten Teilen 120 und 121 angeordnet. Die Böden der beiden Außenkapsein 108 und 109 sind einander zugewandt. Dazwischen befindet sich eine Wärmeisolation 37. Die Funktionsweise entspricht derjenigen der Fig. 1.

Bei der Ausführungsforrn nach den Fig. 3 und 4 werden für entsprechende Teile um 200 erhöhte Bezugszeichen verwendet. In diesem Fall bestehen die beiden Arbeitselemente 206 und 207 aus Patronen 208 bzw. 209 mit einer Feststoff-Füllung, wie Wachs, die bei Temperaturerhöhung infolge Wärmedehnung die Stößel 214 bzw. 219 nach außen drückt. Die Patronen 208 und 209 liegen zu beiden Seiten einer Wand 212 an, die von Fortsätzen 220 des Sockels 201 getragen werden. Der Stößel 214 wirkt über einen elastischen Block 237 auf den unteren Teil der Betätigungsbrücke 225. Der Stößel 219 wirkt über einen elastischen Block 238 auf den oberen Teil der Betätigungsbrücke 225.

Die beispielsweise aus Gummi bestehenden elastischen Blöcke 237 und 238, bilden Federelemente, welche bei unterschiedlicher Wärmedehnung der beiden Arbeitselemente 206 und 207 die Betätigungsbrücke 225 derart verstellen, daß beide Federelemente aufgrund ihrer Zusarnrnenpressung die gleiche Kraft erzeugen.

In den Ausführungsbeispielen ist jeweils eine Flüssigkeits-Dampf-Füllung oder eine Feststoff-Füllung in den Arbeltselementen vorgesehen. Stattdessen kann auch ein anderes Druck bestimmendes Medium vorgesehen sein, beispielsweise ein Metallhydrid oder eine Absorptionsfüllung verwendet werden.

Es ist auch möglich, die beiden Ärbeitselemente mit Balgen unterschiedlicher Größe zu versehen und die entsprechenden Wellrohre zentrisch ineinander anzuordnen. In diesem Fall sollten zwei verschiedene Füllmedien verwendet werden.

Claims

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Patentansprüche

! 1.iThermischer Stellmotor, insbesondere für Ventile, mit zwei gegensinnig auf eine Betätigungsbrücke wirkenden, thermisch gegeneinander isolierten, je eine temperaturabhängige Füllung aufweisenden Arbeitselementen, und einer Temperiervorrichtung zur unterschiedlichen thermischen Beeinflussung der beiden Füllungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperier vorrichtung zwei elektrische Heizvorrichtungen (30, 31; 130, 131; 230, 231) aufweist, die je einem Arbeitselement (6, 7; 106, 107; 206, 207) zugeordnet und mit unterschiedlicher Heizleistung ansteuerbar sind.

2. Stellmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Heizvorrichtungen (30, 31; 130, 131; 230,

231) jeweils nur eine einschaltbar ist.

3. Stellmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Arbeitselemente (6, 7; 106, 107; 206, 207) zumindest teilweise der Umgebungsluft ausgesetzt sind.

4. Stellmotor, dessen Arbeitselemente durch Balgdosen gebildet sind, die je eine Füllung mit temperaturab-

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hängigem Dampfdruck aufweisen, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Balgdosen eine Außenkapsel (8, 9; 108, 109) haben und die Heizvorrichtungen (30, 31; 130, 131) am Umfang der Außenkapseln angebracht sind.

5. Stellmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Außenkapseln (108, 109) mit einander zugewandten Böden unter Zwischenschaltung einer Wärmeisolation (37) gehäusefest gehalten sind und die Stößel (114, 119) beider Arbeitselemente einander abgewandt sind und auf eine die Außenkapseln übergreifende Betätigungsbrücke (125) wirken.

6. Stellmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Böden zweier Außenkapseln (8, 9) an zwei einander zugewandten gehäusefesten Teilen (20, 21) gehalten sind und die Stößel (14, 19) beider Arbeitselemente (6, 7) einander zugewandt und auf einem zwi- sehen den Außenkapseln nach außen ragenden Teil der Betätigungsbrücke (25) wirken.

7. Stellmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitselemente (206, 207) durch Patronen (208, 209) mit Feststoff-Füllung, wie Wachs, und je ein in Reihe damit geschaltetes Federelement (238, 239) gebildet sind und die Heizvorrichtungen (230, 231) am Umfang der Patronen angebracht sind.

8. Stellmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Patronen (208, 209) mit einander zugewandten Böden gehäusefest gehalten sind und ihre Stößel (214, 219) unter Zwischenschaltung je eines Federelements (238, 239) an der Betätigungsbrücke (225) angreifen.

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9. Stellmotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (238, 239) ein elastischer Block ist.

10. Stellmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtungen durch Heizwicklungen (30, 31; 130, 131) gebildet sind.