DE3638739A1 - Thermischer stellantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Stellantrieb der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Stellantriebe dieser Art werden im Stand der Technik zum Steuern von Ventilen, in Thermostaten von Heizungs- oder Kälteanlagen, zum thermisch abhängigen Schalten von elek­ trischen Kontakten usw. eingesetzt. Bei diesen bekannten Stellantrieben enthält die Druckkammer üblicherweise ei­ nen fluorierten Kohlenwasserstoff, durch dessen Ausdeh­ nung sie aufweitbar ist, um irgendein Stellglied zu be­ tätigen, beispielsweise einen Dichtkegel gegen einen Ventilsitz zu pressen. Solche Stellantriebe sind nur dort einsetzbar, wo kleine Stellhübe ausreichen. Würde man einen bekannten Stellantrieb dieser Art für großen Stellhub einsetzen, so wäre seine Arbeitsleistung auf­ grund schlechten Wirkungsgrades gering, denn der fluo­ rierte Kohlenwasserstoff, der durch die Wärmequelle (z. B. Umgebungswärme) verdampft worden ist, würde nach kurzer Zeit wieder auskondensieren und seine Energie als Konden­ sationsenergie über die Oberfläche der Druckkammer wieder nach außen abgeben. Stellantriebe mit großem Stellhub wären beispielsweise solche zum Betätigen von Gewächshausfenstern, zum Betätigen von Lüftungsklappen, von Feuerschutzklappen, zur Sitz- oder Fensterverstellung in Kraftfahrzeugen, usw. Für solche Zwecke werden bislang lediglich elektrische Stellantriebe eingesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stellantrieb der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszu­ bilden, daß er mit höherem Wirkungsgrad Arbeit leisten kann und einen großen Stellhub ermöglicht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale ge­ löst.

Die Druckkammer enthält bei dem thermischen Stellantrieb nach der Erfindung eine aufschäumbare Flüssigkeit als Wär­ meträger. Der Wärmeinhalt des Gemisches aus aufschäumbarer Flüssigkeit und darin lösbarem Gas als Druckmittel ist da­ her innerhalb der Druckkammer an allen Stellen gleich. Durch Energiezufuhr über die Wärmequelle bewirkte Hubbe­ wegungen des Stellkolbens können daher schnell und mit gro­ ßem Wirkungsgrad ablaufen. Dieser Vorteil wird dadurch er­ zielt, daß, zunächst noch keine Energiezufuhr vorausgesetzt, das lösbare Gas in der aufschäumbaren Flüssigkeit gelöst ist, so daß in der Druckkammer nur Flüssigkeit vorliegt. Wenn Energie zugeführt wird, wird das Gas nicht in der Form verdampft, daß sich über einer Flüssigkeitssäule in der Druckkammer ein Gaspolster bildet, sondern die Flüssigkeit schäumt auf, d. h. wird in eine Flüssigkeit mit darin ent­ haltenen Gasblasen verwandelt. Es ist daher eine optimale Wärmezufuhr zu den allseitig von Flüssigkeit umgebenen Gas­ blasen möglich. Dadurch baut sich der Druck in der Druck­ kammer gleichmäßig und sehr schnell und anhaltend auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegen­ stand der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ergibt das Tensid einen stabilen Schaum aus Blasen fluorierten Koh­ lenwasserstoffes in dem Silikonöl.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ist die dem thermischen Stellantrieb zugeführte Energie über die Stromstärke und die Einschaltdauer genau dosierbar, um de­ finierte Kräfte, Stellgeschwindigkeiten und/oder Stellhübe zu erzeugen.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist der thermische Stellantrieb nach der Erfindung als Linearstell­ antrieb einsetzbar, der große Stellhübe in beiden Richtun­ gen erzeugen kann, so daß er in den obengenannten Fällen einsetzbar ist, in denen große Stellhübe verlangt werden.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 6 und 7 lassen sich besonders schnelle Stellbewegungen in bei­ den Richtungen ausführen, daß die der einen Druckkammer zuge­ führte Energie auch auf die andere Druckkammer übertragen wird, in der daher der Schaum zum Zusammenbrechen gebracht werden muß, indem das Gemisch aus Flüssigkeit und blasen­ förmigem Druckmittel wieder verflüssigt wird. Das geht am besten durch Ausbildung des Druckspeichers als Wärmetau­ scher.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 kann das weitere Druckmittel Luft sein, die durch den Stellhub des Stellkolbens komprimiert und in einem Druckluftspeicher ge­ sammelt wird. Der Druckluftspeicher kann mit mehreren Preß­ luftzylindern verbunden sein, die durch Magnetventile ge­ steuert werden. Die Betätigungsspulen der Magnetventile können dann als Wärmequelle für die Druckkammer eingesetzt werden, so daß deren Verlustenergie in nutzbare Arbeit um­ gewandelt werden kann.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform des Stellan­ triebs nach der Erfindung, die bei­ spielsweise zur Schiebedachbetätigung bei einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist, und

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform des Stellantriebs nach der Erfindung, die zur Betätigung von Feuerschutzklappen einsetzbar ist.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines thermischen Stell­ antriebs 10, der ein quaderförmiges Gehäuse 12 aufweist, das drei Bohrungen 14, 16, 18 enthält und an seinen Enden durch zwei Deckplatten 20 und 22 verschlossen ist. Die Bohrung 14 ist durch einen Überströmkanal 24 mit der Bohrung 16 verbun­ den. Die Bohrung 16 ist durch einen Überströmkanal 26 mit der Bohrung 18 verbunden. Die Bohrung 14 bildet einen er­ sten Zylinder, in welchem ein Stellkolben 28 frei verschieb­ bar angeordnet ist. Die Bohrung 16 bildet einen zweiten Zy­ linder, in welchem ein Arbeitskolben 30 frei verschiebbar angeordnet ist. Die Bohrung 14 enthält eine im folgenden noch näher erläuterte erste Druckkammer D 1. Die Bohrung 18 bildet einen dritten Zylinder, der eine zweite Druckkammer D 2 enthält und in dem ein zweiter Stellkolben 32 frei ver­ schiebbar angeordnet ist. Am linken Ende der Bohrung 14 ist eine elektrische Wärmequelle 34 vorgesehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Wärmequelle ein Widerstandsheizelement, das über eine Klem­ me 36 an einen nicht dargestellten Stromversorgungskreis anschließbar ist. Am rechten Ende der Bohrung 18 ist eine weitere elektrische Wärmequelle 38 angeordnet, die wie die Wärmequelle 34 ausgebildet und über eine Klemme 40 ebenfalls an einen nicht näher dargestellten Stromversorgungs­ kreis anschließbar ist. Die Deckplatte 22 hat eine Durch­ gangsbohrung 42, durch die eine an dem Arbeitskolben 30 be­ festigte Kolbenstange 44 hindurchgeführt ist. Über der Durchgangsbohrung 42 ist eine Abdichtplatte 46 angeordnet, durch die die Kolbenstange 44 abgedichtet und verschiebbar hindurchgeführt ist. Am rechten Ende hat die Kolbenstange 44 einen Gewindeanschluß 48 an den beispielsweise ein Ga­ belkopf anschraubbar ist, der andererseits mit einem Gestän­ ge, z. B. zur Betätigung eines Kraftfahrzeugschiebedaches, verbindbar ist. Der Bohrung 14 ist eine Füllöffnung 50 zuge­ ordnet, die durch eine Verschlußschraube 52 verschlossen ist. Außerdem sind den beiden Bohrungen 14 und 18 weitere Füll- Bohrungen 54 bzw. 56 zugeordnet, an die mittels Schraubnip­ peln 58 bzw. 60 zwei im folgenden noch näher erläuterte Wär­ metauscher 62 bzw. 64 nach dem Befüllen der Bohrungen ange­ schlossen werden. Der Bohrung 16 ist eine Füllbohrung 66 zu­ geordnet, die durch eine Verschlußschraube 68 verschlossen ist.

In die Druckkammer D 1 in der Bohrung 14 sind eine auf­ schäumbare Flüssigkeit und ein Druckmittel eingeschlossen. In der bevorzugten Ausführungsform besteht die aufschäumba­ re Flüssigkeit aus mit Tensid vermischtem Silikonöl, und das Druckmittel besteht aus einem fluorierten Kohlenwasser­ stoff (z. B. Frigen). Wäre die Kolbenstange 44 statt an dem Arbeitskolben 30 an dem Stellkolben 28 befestigt und an der Stelle, wo sich die Verschlußschraube 52 befindet, durch die Deckplatte 22 hindurchgeführt, so würde bereits ein vollständiger thermischer Stellantrieb vorliegen, der allerdings nur in einer Richtung, nämlich in Fig. 1 nach rechts Arbeit leisten könnte. Zumindest der Arbeitskolben 30, die an diesem befestigte Kolbenstange 44 und der Stell­ kolben 32 wären dann nicht vorhanden. Diese mögliche Aus­ führungsform wird hier nicht näher beschrieben. Vielmehr wird die in Fig. 1 dargestellte vollständige Ausführungs­ form des Stellantriebs näher beschrieben, in der dieser in beiden Richtungen Arbeit leisten kann.

Die erwähnten Wärmetauscher 62 und 64 könnten einfache Re­ servoire sein, die die aufgeschäumte Flüssigkeit aufnehmen, welche durch den zugeordneten Stellkolben 28 oder 32 mit Druck beaufschlagt wird. In dem dargestellten Ausführungs­ beispiel handelt es sich aber um Verdampferdome, die den gleichen Aufbau haben, weshalb lediglich der der Druckkammer D 2 zugeordnete hier etwas näher beschrieben wird.

Durch den Schraubnippel 60 führt ein Kapillarrohr 72 hindurch in den Innenraum des Wärmetauschers 64. In diesem Innenraum ist es in Schlangen verlegt und endet an der Stelle 74 frei in den Innenraum mündend. Wenn der Stellkolben 32 auf im fol­ genden noch näher beschriebene Weise nach rechts bewegt wird und dadurch die aufgeschäumte Flüssigkeit in der Druckkammer D 2 mit Druck beaufschlagt, wird die aufgeschäumte Flüssigkeit durch das Kapillarrohr 72 an der Stelle 74 in den Innenraum des Wärmetauschers 64 eingespritzt und darin gesammelt. Wenn die Druckbeaufschlagung in der Druckkammer D 2 nachläßt, ge­ langt die aufschäumbare Flüssigkeit auf demselben Weg in um­ gekehrter Richtung in die Druckkammer D 2 zurück. Schließlich sind an dem Gehäuse 12 noch zwei Anschraubpunkte 76 und 78 zur Befestigung des Stellantriebs vorgesehen. Die Druckkam­ mer D 2 enthält die gleiche Flüssigkeit und das gleiche Druckmittel wie die Druckkammer D 1.

In den beiden Zylinderräumen, die durch den Überströmkanal 24 miteinander verbunden sind, ist eine inkompressible Flüssigkeit eingeschlossen, beispielsweise Hydrauliköl. Gleiches gilt für die beiden durch den Überströmkanal 26 miteinander verbundenen Zylinderräume. Sämtliche Kolben sind jeweils durch zwei Ringdichtelemente abgedichtet. Die Stell­ kolben 28 und 32 bestehen jeweils aus einem Wärme schlecht leitendem Material, beispielsweise aus Keramik. Der Ar­ beitskolben 30 besteht aus einem geeigneten Metall, bei­ spielsweise aus Bronze.

Der in Fig. 1 dargestellte thermische Stellantrieb arbeitet folgendermaßen.

In der rechts durch den Stellkolben 28 begrenzten Druckkam­ mer D 1 befindet sich die aufschäumbare Flüssigkeit (mit Ten­ sid vermischtes Silikonöl), in der das Druckmittel (fluorier­ ter Kohlenwasserstoff, z. B. Frigen) gelöst ist. Wird nun die elektrische Wärmequelle 34 an Spannung gelegt, erhöht sich deren Temperatur (z. B. aufgrund eines in ihr vorgesehe­ nen Heizwiderstands), die eine Temperaturerhöhung in der Druckkammer D 1 hervorruft. Aufgrund dessen schäumt die Flüssigkeit auf, wobei in ihr Blasen aus dampfförmigem Druckmittel gebildet werden. Der dadurch entstehende Druck wird über den Stellkolben 28 auf das als Stellglied wirken­ de Hydrauliköl übertragen, das den Arbeitskolben 30 nach links verschiebt. Dieser überträgt über das links von ihm befindliche Hydrauliköl den Druck auf den Stellkolben 32, der wiederum den Druck auf die rechts von ihm befindliche Druckkammer D 2 überträgt. Das in der Druckkammer D 2 enthal­ tene Gemisch aus Flüssigkeit und Druckmittel tritt über das Kapillarrohr 72 an der Stelle 74 in das Innere des Wärmetau­ schers 64 ein. Das Gemisch, das in der Druckkammer D 2 teilweise aufgeschäumt sein kann (z. B. unter dem Einfluß der Umgebungswärme) wird in dem Wärmetauscher 64 vollstän­ dig verflüssigt. Die Kolbenstange 44 kann so den Stellhub ausführen, ohne durch das Gemisch aus Flüssigkeit und Druck­ mittel in der Druckkammer D 2 behindert zu werden. (Der ent­ gegengesetzte Stellhub läuft genau umgekehrt ab, indem die elektrische Wärmequelle 38 an Spannung gelegt wird, wobei das Gemisch aus Flüssigkeit und Druckmittel aus der Druckkammer D 1 in den Wärmetauscher 62 gelangt.) Beim Austritt aus dem Kapillarrohr 72 kommt es zu einem Druckabfall, so daß das in der Flüssigkeit gelöste Druckmittel ausdiffundiert und verdampft. Dabei kühlt das Innere des Verdampfers 64 ab, und die Wärmeenergie wird über den Außenmantel des Wärme­ tauschers oder Verdampferdomes entzogen. Aufgrund dieses Wärmeentzugs kann das gasförmige Druckmittel in dem Wärme­ tauscher 64 in Lösung übergehen, d. h. sich mit der Flüssig­ keit vermischen, ohne daß es zur Schaumbildung kommt.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Stellantriebs zum Betätigen von Feuerschutzklappen od. dgl. In dieser Aus­ führungsform weist der Stellantrieb nur eine Druckkammer D 1 links von dem Stellkolben 28 auf. Rechts von dem Stellkolben 28 befindet sich ein Kompressionsraum 80, der an einen Druckluftspeicher 82 angeschlossen ist. Der Druckluftspei­ cher 82 ist über Leitungen 84 mit Pneumatikzylindern 86 ver­ bunden, in jeder Leitung 84 ist ein Magnetventil 88 ange­ ordnet. Die Magnetventile 88 sind jeweils so auf der Ab­ deckplatte 20 befestigt, daß ihre Magnetspulen mit der Ab­ deckplatte 20 in thermischem Kontakt sind. Die Magnetventi­ le 88 sind im stromlosen Zustand geschlossen, d. h. in die­ sem Zustand kann keine Druckluft aus dem Druckluftspeicher 82 in die Pneumatikzylinder 86 gelangen. Bei Betätigung der Magnetventile ist deren Magnetspule von elektrischem strom durchflossen, wodurch Verlustwärme erzeugt wird. Diese Ver­ lustwärme dient zur Energieversorgung der Druckkammer D 1, aufgrund der der Stellkolben 28 nach rechts bewegt und die Luft in der Kompressionskammer 80 komprimiert wird, mit der dann die Pneumatikzylinder 86 versorgt werden können. Wenn die Magnetventile 88 abgeschaltet werden, schließen sie wieder die Verbindung zwischen den Pneumatikzylindern 86 und dem Druckluftspeicher 82 und entlüften die Leitungen 84 auf der den Pneumatikzylindern 86 zugewandten Seite in die Umgebung. Die Magnetspulen erreichen im Betrieb Temperatu­ ren von 60 bis 80° Celsius. Zur Abfuhr von überschüssiger Wärme ist die Druckkammer D 1 außen mit Kühlrippen 90 ver­ sehen. Im Betrieb sind die Feuerschutzklappen durch die Pneumatikzylinder 86 stets geöffnet. Im Brandfalle wird die Stromversorgung der Magnetventile unterbrochen, wodurch die Kolben der Pneumatikzylinder 86 mittels Federn 92 in ihre Ausgangsstellungen zurückbewegt und dadurch die Feuer­ schutzkappen geschlossen werden. Der Rauminhalt des Kom­ pressionsraumes 80 ist so bemessen, daß die in ihm kompri­ mierbare Luft zur Versorgung sämtlicher Pneumatikzylinder 86 ausreicht. Der Kompressionsraum 80 ist außen von einer Wärmedämmung 94 umgeben, um äußere Temperatureinwirkungen gering zu halten.

Claims (12)

1. Thermischer Stellantrieb mit mindestens einer Druckkammer zum Betätigen eines Stellkolbens, dessen Stellhub auf ein Stellglied übertragen wird, mit einem in der Druckkammer ent­ haltenen thermischen expansiblen Druckmittel und mit einer der Druckkammer zugeordneten Wärmequelle, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckkammer (D 1) eine auf­ schäumbare Flüssigkeit und als Druckmittel ein in der Flüs­ sigkeit lösbares Gas enthält.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufschäumbare Flüssigkeit mit Tensid vermischtes Silikon­ öl ist und daß das Druckmittel ein fluorierter Kohlenwasser­ stoff ist.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wärmequelle als elektrische Wärmequelle (34) ausgebildet ist.

4. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckkammer (D 1) in einem ersten Zylin­ der (14) vorgesehen ist, in dem der Stellkolben (28) frei verschiebbar angeordnet ist, daß in Reihe mit dem ersten Zylinder (14) ein zweiter Zylinder (16) geschaltet ist, in dem ein Arbeitskolben (30) frei verschiebbar angeordnet ist, daß zwischen dem Stellkolben (28) und dem Arbeitskolben (30) eine inkompressible Flüssigkeit als Stellglied eingeschlos­ sen ist, daß in Reihe mit dem zweiten Zylinder (16) ein dritter Zylinder (18) geschaltet ist, in welchem eine wei­ tere Druckkammer (D 2) vorgesehen und ein weiterer Stellkol­ ben (32) frei verschiebbar angeordnet ist, daß zwischen dem Arbeitskolben (30) und dem weiteren Stellkolben (32) eine weitere inkompressible Flüssigkeit eingeschlossen ist, daß die weitere Druckkammer (D 2), die sich in dem dritten Zylin­ der (18) auf der von dem zweiten Zylinder (16) abgewandten Seite des weiteren Stellkolbens (32) befindet, ein weiteres thermisch expansibles Druckmittel aus in einer weiteren aufschäum­ baren Flüssigkeit lösbarem Gas enthält und daß der weiteren Druckkammer (D 2) eine weitere Wärmequelle (38) zugeordnet ist.

5. Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Arbeitskolben (30) eine Kolbenstange (44) be­ festigt ist, die aus dem Stellantrieb (10) herausgeführt ist.

6. Stellantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß an jede Druckkammer (D 1, D 2) ein Druckmittelspei­ cher (62, 64) angeschlossen ist.

7. Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittelspeicher (62, 64) als Wärmetauscher ausgebil­ det sind.

8. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein durch den Stellhub des Stellkolbens (28) komprimierbares und in einem Druck­ speicher (82) abspeicherbares Druckmittel ist.

9. Stellantrieb nach Anspruch 3 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wärmequellen elektrisch betätigte, Verlustwärme abgebende Steuerorgane (88) sind.

10. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der (jeder) Stellkolben (28, 32) aus ei­ nem Wärme schlecht leitenden Material besteht.

11. Stellantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärme schlecht leitende Material Keramik ist.

12. Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere aufschäumbare Flüssigkeit und das darin lös­ bare Gas in der weiteren Druckkammer (D 2) die gleiche Zusam­ mensetzung wie die Flüssigkeit und das Gas in der ersten Druckkammer (D 1) haben.