DE3689497T2

DE3689497T2 - Druckregelvorrichtung.

Info

Publication number: DE3689497T2
Application number: DE3689497T
Authority: DE
Inventors: Pandu R Cholkeri
Original assignee: Ranco Inc
Current assignee: Robertshaw US Holding Corp
Priority date: 1985-08-16
Filing date: 1986-07-16
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2006-07-17
Also published as: KR940008188B1; US4667069A; EP0212255A3; IL79390A0; CA1270024A; EP0212255A2; KR870002491A; NZ216820A; AU587044B2; AU6008886A; DK391286D0; DK391286A; JPS6244921A; EP0212255B1; DK166642B1; DE3689497D1; BR8603922A; IL79390A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine auf Druck ansprechende Steuervorrichtung mit einem Druckgehäuseaufbau zum Definieren einer Druckkammer, einer betätigbaren Steuereinrichtung, die an dem Gehauseaufbau befestigt ist, und einem Druckaufnehmer, der hermetisch die Druckkammer abschließt, wobei der Druckaufnehmer eine Vielzahl von schnappbaren, auf Druck ansprechende Membranen umfaßt, welche jeweils einen zentralen gewölbten Abschnitt und einen umgebenden peripherischen Abschnitt definieren, wobei die Membranen mit ihren zentralen Abschnitten ineinandergebettet zusammengestapelt sind, wobei jeder zentrale Abschnitt definiert ist durch eine dünne Schicht eines metallischen Federmaterials.
Auf Flüssigkeitsdruck ansprechende Steuervorrichtungen mit schnappbaren Membranen zum Betätigen eines Schalters oder dergleichen werden weitläufig benutzt für mannigfaltige Drucksteuerfunktionen. Zum Beispiel werden diese Arten von Steuerungen benutzt in Kühlsystemen zum Überwachen der Operation eines Kühlkompressors, ansprechend auf erfaßte Systemkühlmitteldrucke. Vorrichtungen dieser Art müssen klein, billig, genau und hoch zuverlässig sein, um einen Markt zu finden.
Diese Arten von Drucksteuerungen werden oft benutzt, um eine gesteuerte Vorrichtung zyklusartig zu betreiben und somit anzusprechen auf die Existenz eines vorher bestimmten Hochdruckpegels sowie die Existenz eines vorbestimmten Niedrigdruckpegels. Beim Steuern einer Klimaanlage in Übereinstimmung mit erfaßten Kühlkondensordrucken beispielsweise, erfaßt die Steuervorrichtung die Existenz eines vorbestimmten hohen Kühlmitteldrucks im Kondensor und reagiert, um die Operation des Kühlkompressors zu beenden. Wenn der erfaßte Kühlkondensordruck einen vorhergegebenen unteren Pegel erreicht, reagiert die Steuervorrichtung wieder, um den Betrieb des Kompressors zu aktivieren.
Eine typische, auf Druck ansprechende, schnappbare Membran ist eine dünne intern unter Spannung gesetzte Federscheibe aus einer Metallschicht mit einem zentralen, gewölbten Abschnitt. Wenn eine hinreichend große Druckdifferenz angelegt wird an die Membran in einer Richtung mit der Tendenz, den gewölbten Abschnitt abzuflachen, bewegt sich der gewölbte Abschnitt abrupt oder schnappt durch die Membran-Mittelebene auf eine zweite Position, in der der gewölbte Abschnitt entgegengesetzt gewölbt ist. Wenn die Druckdifferenz reduziert wird auf einen hinreichend niedrigen Pegel, bewegt sich der gewölbte Abschnitt schnappartig zurück durch die Mittelebene in seine anfängliche Position. Die Membranbewegung wird typischerweise mechanisch an einen Schalter oder ein Ventil übertragen.
Der hohe Druckpegel, der die Membranbewegung verursacht, kann geändert werden durch Ändern der Konfiguration des gewölbten Membranabschnitts. Falls der gewölbte Abschnitt tiefer gemacht wird, ist die Druckdifferenz, die erforderlich ist, um die Membran zu bewegen, erhöht. Wenn der gewölbte Abschnitt abgeflacht ist, verursacht eine relativ kleinere Druckdifferenz, daß die Membran anspricht.
Der niedrige Druckpegel, bei dem die Membran in ihre anfängliche Position zurückkehrt, wird gesteuert durch Begrenzen des Ausmaßes der Bewegung des gewölbten Abschnitts über die Mittelebene. Falls der gewölbte Abschnitt sich weit über die Mittelebene hinaus bewegt, muß ein relativ niedriger Druck existieren, bevor die Membran in ihre anfängliche Position zurückschnappt. Falls der gewölbte Abschnitt gerade über die Mittelebene sich hinweg bewegt, schnappt er zurück, wenn eine relativ größere Druckdifferenz existiert.
Diese Membranen müssen ziemlich dünn sein, um in der beschriebenen Art und Weise zu funktionieren, und deshalb ist die Größe des Drucks, der durch eine einzelne Membran steuerbar ist, relativ zum atmosphärischen Druck begrenzt. Um die Steuerung größerer absoluter Druckpegel durch Schnappmembran-Steuervorrichtungen zu ermöglichen, ist es allgemein üblich, solche Vorrichtungen unter Benutzung einer Vielzahl von doppelten Druckmembranen zu konstruieren, welche ineinandergebettet sind. Jede Membran funktioniert im wesentlichen auf die gleiche Art und Weise, auf die sie funktionieren würde, falls keine anderen Membranen vor lägen, aber der Widerstand gegen die Bewegung durch Druckdifferenzen, angelegt an den Stapel, variiert als Funktion der Anzahl von Membranen.
Obwohl Stapelmembranen eine Produktion von Steuervorrichtungen ermöglicht haben, welche auf relativ große Differenzdrucke ansprechen, sind diese Vorrichtungen nicht zufriedenstellend bei der Benutzung in Situationen, in denen genaues Ansprechen auf angelegte Differenzdrucke erforderlich wären über eine große Anzahl von Zyklen. Typischerweise spricht eine Drucksteuervorrichtung mit gestapelten Membranen genau auf vorbestimmte hohe und niedrige Drucke eines zu steuernden Druckbereichs über eine relativ kleine Anzahl von Zyklen des Membranstapels an. Dann beginnt die Steuervorrichtung von ihrer kalibrierten Einstellung weg zu "driften". In vielen Fällen reagierten die Hochdruckpegel so, daß sie in bemerkenswerter Weise anstiegen von den kalibrierten Einstellungen, wann die Anzahl von Zyklen ansteigt, während die Niedrigdruckpegel so reagierten, daß sie fortlaufend in der Größe reduziert wurden.
Zur Qualifikation durch U.L. Forderungen als "zyklischer Betrieb", d. h. Kühldruckgrenzsteuerung, müssen Vorrichtungen der diesbezüglichen Art in der Lage sein, über ein Minimum von 100.000 Zyklen mit nicht mehr als 5% Abweichung nach oben von den kalibrierten Druckpegeln zu arbeiten. Allgemein gesprochen, fallen ineinandergebettete Membrandrucksteuervorrichtungen entweder vor der Vollendung von 100.000 Zyklen aus oder zeigen Druckansprechabweichungen größer als 5% von den Kalibrationseinstellungen oder beides.
Dieser Nachteil gestapelter Membrandruck- Steuervorrichtungen hat die Benutzung solcher Vorrichtungen auf Umgebungen beschränkt, wo eine Steuervorrichtung nicht über eine große Anzahl von Zyklen operieren muß oder wo eine hochgenaue Steuerung des Flüssigkeitsdrucks nicht wesentlich ist. Auf Druck ansprechende Membransteuerungen sind erwünscht, da sie gewöhnlicherweise eine einfache Konstruktion haben, klein und relativ kostengünstig sind. Dementsprechend wurden viele Versuche unternommen, um eine zuverlässige genaue Vielfachmembran-Drucksteuervorrichtung zu produzieren.
Eine auf Druck ansprechende Steuervorrichtung wird beschrieben im ersten Satz des Abschnitts "Technisches Gebiet" im obigen Teil ist bekannt aus der US-A-3 585 328.
Weiterhin ist eine auf Druck ansprechende Steuervorrichtung mit einer Vielzahl von Scheiben identischer Gestalt bekannt aus der GB-A-2 020 908.
Es wird weitläufig geglaubt, daß Vielfachmembran-Drucksteuervorrichtungen nicht in der Lage sind, genau Druckeinstellungen über eine große Anzahl von Betriebszyklen aufrechtzuerhalten wegen der Wechselwirkungen zwischen den Membranoberflächen während des Betriebs. Insbesondere wird geglaubt, daß die ineinandergebetteten Membranen, welche miteinander in Eingriff durch die angelegten Druckkräfte gebracht werden, einander kontaktieren entlang extrem kleiner Flächenabschnitte der mittleren gewölbten Abschnitte, so daß die Einheitskontaktdrucke zwischen aneinanderliegenden Membranen hoch sind. Dies wiederum schafft große Reibungskräfte zwischen den Membranen, so daß beim Verbiegen der gestapelten Membranen durch den angelegten Differenzdruck und beim Bewegen der Membranoberflächen relativ zueinander die Oberflächen abscheuern und Abrieb erfahren.
Wenn die Anzahl von Zyklen erhöht ist, glaubte man, würden sich die betroffenen Flächen in der Größe vergrößern und somit größeren Widerstand auf die Bewegung des Membranstapels durch angelegte Differenzdrucke verursachen. Die Membranen waren im allgemeinen gestaltet aus Präzisionsfolienmaterialien, wie rostfreiem Stahlfedermaterial, mit einer Dicke von etwa 0,13 mm (0,005 inch) und einer Oberflächenrauhigkeit zwischen 0,23 nm und 0,5 nm (9 und 20 micro inch). (Die Oberflächentextur eines Metalls ist eine Funktion der Differenzen in der Höhe zwischen mikroskopischen Spitzen und Tälern auf der Metalloberfläche. Die "Glätte", auf die sich bezogen wird, ist der arithmetische Mittelwert dieser Differenzen in der Höhe und wird als "A.A." ausgedrückt.)
Um die Effekte des Abscheuerns zu reduzieren, wurde vorgeschlagen, daß die Membranen bedeckt werden mit anhaftenden Oxidbeschichtungen. Ein Beispiel solch eines Versuchs ist offenbart in der US-A-3 585 328. Die Theorie war, daß die Oxidbeschichtungen Metall zu Metall-Kontakt zwischen den Membranen reduzieren, was somit das Problem des Abscheuerns vermeiden oder verbessern.
In der Tat reduzierte die Anwendung von einigen Oxidbeschichtungen auf Drucksteuermembranen die Tendenz der Vorrichtungen, eine nicht akzeptierbare Hochdruckeinstellungs-Drift über eine große Anzahl von Zyklen zu zeigen, eliminierte aber noch nicht schrittweise Anstiege in den Betriebsdrucken mit anwachsender Anzahl von Zyklen.
Wenn z. B. solche Steuervorrichtungen 100.000 Operationszyklen unterworfen wurden, drifteten sie nicht mehr als 5% von den Kalibrationsdrucken; aber das fortgesetzte Driften nach 100.000 Zyklen produziert oft große Absolutabweichungen von den Kalibrationseinstellungen, insbesondere, wenn die Vorrichtungen von 100.000 bis 1.000.000 Zyklen betrieben werden. Die Richtung dieser Abweichung von kalibrierten Hochdruckpegeln war ebenfalls unglücklich, weil der Hochdruckpegel nötig zum Betreiben der Vorrichtungen typischerweise fortgesetzt anstieg während der Lebensdauer der Steuervorrichtung, was die gesteuerte Vorrichtung noch größeren Flüssigkeitsdrucken unterwarf.
In einer Bemühung, weiterhin die Funktionstüchtigkeit Vielfachmembran-Drucksteuervorrichtungen zu verbessern, ohne Notwendigkeit der Benutzung von Oxidbeschichtungen, wurden verschiedene Vielfachmembran- Steuervorrichtungskonstruktionen ausprobiert. Unter diesen Versuchen war die Benutzung von Membranbeschichtungen mit niedriger Reibung, wie z. B. Teflon, speziell polierter Membranen, und Membranen, welche verschiedene Typen beschichteter Oberflächen hatten. Diese Versuche der Lösung des Problems der Druckeinstellungsdrift waren alle konsistent mit der Theorie, daß eine Reduktion des Metall zu Metall-Kontakts zwischen den Membranen selbst das Abscheuern reduzieren wird und somit übermäßige Steuerungsdruckeinstellungsdrift eliminieren würde. In der Praxis ergab sich, daß, obwohl einige dieser Vorrichtungskonstruktionen eine reduzierte Drift von den Kalibrationseinstellungspegeln zeigten, sie unter frühen Ausfällen wegen Membranrissen litten.
Das Experimentieren versuchte, weiterhin die Effekte der Reibung und den möglichen Metall zu Metall-Membrankontakt unter Benutzung von Membranmetallen mit glatteren Oberflächen als typischen Konstruktionen nach dem Stand der Technik zu limitieren. Membranmetall mit Oberflächenrauhigkeiten im Bereich von 1,5 bis 2 um A.A. wurden angewendet. Diese Membranen wurden beschichtet, ummantelt oder poliert vor dem Einbau in eine Steuervorrichtung und getestet. Diese Vorrichtungen zeigten nicht einen verbesserten Betrieb im Vergleich vorher bekannter Vorrichtungen, welche oxidbeschichtete Membranen beispielsweise verwendeten. Tatsächlich tendierten die Testmembranen, in typischer Weise auszufallen aufgrund von Rissen bei einer relativ kleinen Anzahl von Zyklen, egal ob oder ob nicht die Membranen beschichtet waren.
Die Information, die aus diesen Experimenten resultiert, war intern dem Anmelder bekannt, aber nicht verfügbar für die Öffentlichkeit zum Prioritätszeitpunkt, der für das vorliegende Patent beansprucht wird.
Die vorliegende Erfindung sieht eine neue und verbesserte, auf Druck ansprechende Steuervorrichtung des im ersten Satz des Abschnitts "Technisches Gebiet" im obigen beschriebenen Typ vor, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Membranen unbeschichtet sind, so daß nebeneinanderliegende Oberflächen der Schichten metallischen Federmaterials der Membranen einander kontaktieren und daß die Oberflächenrauhigkeit der Schichten metallischen Federmaterials jeder der Membranen weniger als etwa 1,5 um A.A. auf jeder Seite ist, wobei A.A. der arithmetische Mittelwert der Differenz in der Höhe zwischen mikroskopischen Spitzen und Tälern auf den jeweiligen Oberflächen der Membranen ist.
Es wurde entdeckt, daß auf Druck ansprechende Steuervorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung größere Genauigkeit über große Anzahlen von Druckzyklen als die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zeigen. Diese Funktionstüchtigkeit stellt eine wesentliche Verbesserung über die der vorher bekannten Vielfachmembranvorrichtungen dar, welche typischerweise dünne Federmetalle mit Oberflächenrauhigkeiten von größer als 0,15 um A.A. (6 micro inch A.A.) anwenden.
Weiterhin ist die Konsequenz der Benutzung unbeschichteter, extrem glatter ineinandergebetteter Membranen in einer auf Druck ansprechende Vorrichtung des besagten Typs die, daß die Oberflächen erhöhten Metall zu Metall-Kontakt im Vergleich zu dem Stand der Technik erfahren oder erfahren sollten. Solcher Kontakt würde theoretisch vergrößerte Membranabscheuerung erzeugen und sogar früheres ausfallen. Die erhöhte Lebensdauer und verbesserte Genauigkeit der neuen Steuervorrichtung war somit unerwartet.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine aufrechte Ansicht einer Steuervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit weggebrochenen Abschnitten und im Querschnitt illustrierten Teilen;
Fig. 2 eine Ansicht etwa aus der Referenzebene, angezeigt durch die Referenzzahlen 72 von Fig. 1; und
Fig. 3 eine fragmentarische Querschnittsansicht von Teilen der Vorrichtung von Fig. 1.
Eine Drucksteuervorrichtung 10 als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 der Zeichnung illustriert. Die illustrierte Drucksteuervorrichtung 10 ist von der Art, welche in einem Kühlsystem angewendet wird, z. B. zum zyklischen Betreiben eines elektromotorgetriebenen Kühlkompressors, ansprechend auf erfaßte Systemkühldruckpegel in dem Kondensor. Die Vorrichtung 10 kommuniziert mit der Kühlflüssigkeit in dem Kondensor und, wenn der Kühlflüssigkeitsdruck einen vorbestimmten, relativ hohen Pegel erreicht, erfaßt die Steuervorrichtung 10 den Druckpegel und unterbricht den Betrieb des Kompressors. Wenn der erfaßte Kühlmitteldruckpegel einen vorbestimmten niedrigen Pegel erreicht, spricht die Steuervorrichtung 10 an, um eine Reinitiierung des Kompressorbetriebs zu aktivieren.
Die Steuervorrichtung 10 umfaßt einen Druckgehäuseaufbau 12, konstruiert, um mit dem Systemkühlmittel zu kommunizieren, eine Steuerschalteranordnung 14, elektrisch verbunden in einer Kompressormotorsteuerschaltung, und einen Druckaufnehmeraufbau 16 zwischen dem Gehäuseaufbau 12 und dem Schalteraufbau 14.
Der Gehäuseaufbau 12 umfaßt einen geeigneten Druckanschluß 20, hermetisch befestigt an einem becherförmigen Gehäuse 22, welches eine innere Druckkammer 24 definiert. Der Anschluß 12 kann von irgendeiner geeigneten oder herkömmlichen Konstruktion sein und ist illustriert als gebildet durch einen Körper mit einer inneren Gewindepassage 26, endend in einem druckübertragenden Tor 28, welches sich durch eine Vorkragung 30 am Ende des Körpers erstreckt. Eine kühlmitteldruckübertragende Metallröhre (nicht illustriert) wird in den Anschluß 20 geschraubt und dort abgedichtet, um den Kühlmitteldruck von dem Kühlsystem an die Steuervorrichtung zu übertragen.
Das Gehäuse 22 ist vorzugsweise gebildet aus einem gezogenen rostfreien Stahlbecher mit einer Basis 32, einer zylindrischen Wand 34, die sich von der Basis erstreckt, und einem nach außen konisch erweiterten, gebogenen Montageflansch 36 am Ende der Becherwand, welche von der Basis entfernt liegt. Die Basis 32 definiert eine Öffnung, durch die sich die Anpassungsvorkragung 30 erstreckt. Das Ende der Vorkragung 30 ist an die Becherbasis 32 gelötet. Die Anpassung wird an das Gehäuse 22 um die Vorkragung 30 gelötet, so daß die Verbindung des Druckanschlusses und des Gehäuses hermetisch ist.
Der Steuerschalteraufbau 14 umfaßt eine geformte becherförmige Plastikschalterabdeckung 40 zum Aufnehmen einer Schaltereinheit 42 darin. Ein Plastikabdeckelement 44 erstreckt sich über das offene Ende der Schalterabdeckung und definiert eine zentrale Öffnung, durch die ein Schaltbetriebsstift 46, gebildet aus einem dielektrischen Material, hindurchtritt. Der Betriebsstift 46 überträgt die Schaltoperationsbewegung zwischen dem Druckaufnehmer 16 und der Schalteinheit 42.
Die Schalteinheit 42 ist gebildet durch Anschlußbalken 50, 52, befestigt an der Schalterabdeckung. Der Anschlußbalken 50 trägt einen festen Schaltkontakt 54, während der Anschlußbalken 52 einen beweglichen Schaltkontakt 56, angebracht am vorkragenden Ende einer elektrisch leitenden Auslegerfederzunge 58 trägt.
Bei der bevorzugten Steuervorrichtung erstrecken sich die Anschlüsse 50, 52 durch konforme Öffnungen im geschlossenen Ende der Schaltabdeckung 40 und sind verstemmt bezüglich der Abdeckung. Die Anschlußbalken 50, 52 kragen vor von dem geschlossenen Ende der Abdeckung 40 (nicht illustriert) und sind verkabelt in eine Schaltung zum Steuern der Energieversorgung des Kühlmittelkompressors. Wenn die Schaltkontakte in Eingriff sind, wie illustriert in Fig. 1, ist die Schalteinheit 42 leitend, um den Betrieb des Kühlmittelkompressors zu ermöglichen. Die Schaltkontakte werden geöffnet durch die Umbiegung der Zunge 58 in einer Richtung weg von dem Druckaufnehmer 16, so daß die kompressorsteuernde Schaltung unterbrochen wird.
Der Druckaufnehmer 16 schließt hermetisch die Kammer 24 und betreibt den Steuerschaltungsaufbau 14, ansprechend auf den erfaßten Kühlmitteldruck in der Kammer. Bei der illustrierten und bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Druckaufnehmer einen Membranaufbau 60, eine Membransteuerplatte 62, hermetisch verbunden mit dem Membranaufbau, und ein Basiselement 64 zum Unterstützen der Steuerplatte und hermetischen Verbinden der Steuerplatte mit dem Gehäuse 22. Luft bei oder nahe beim Atmosphärendruck ist gegenwärtig in der Schaltabdeckung 40, so daß der Aufnehmer von Druckdifferenzkräften, welche entsprechend Änderungen in dem Systemkühlmitteldruck variieren, unterliegt.
Der Membranaufbau 60 umfaßt eine Vielzahl von Membranen, jeweils gebildet durch eine dünne Federmetallschicht zum Vorsehen eines anfänglich flachen, ringförmigen Abschnitts 66, angeordnet um einen zentralen gewölbten oder kuppelartigen Abschnitt 68. Die illustrierte Ausführungsform der Erfindung beinhaltet drei Membranen 60a, 60b, 60c, gestapelt mit ineinandergebetteten, gewölbten Abschnitten. Jede Membran ist innerlich in Spannung versetzt, so daß, wenn keine Druckdifferenz über der Membrananordnung existiert, die gewölbten Abschnitte 68 vorgespannt sind in die Positionen, die in Fig. 1 der Zeichnung illustriert sind.
Wenn eine Druckdifferenz angelegt wird über den Membranaufbau in einer Richtung mit einer Tendenz, die gewölbten Abschnitte abzuflachen (wenn der Druck in der Kammer 24 über den Umgebungsatmosphärendruck ansteigt), bleiben die gewölbten Abschnitte im wesentlichen stationär, bis ein vorbestimmter Differenzdruckpegel erreicht ist, wobei jeder gewölbte Abschnitt sich abrupt in Schnappart durch die Ebene des zugehörigen ringförmigen Abschnitts 66 bewegt und eine zweite Position annimmt, in der die Krümmung des gewölbten Abschnitts umgekehrt ist. Die gewölbten Abschnitte bleiben in ihren zweiten Positionen, bis die Druckdifferenz über den Membranaufbau reduziert ist auf einen vorher bestimmten unteren Pegel, bei dem die gewölbten Abschnitte zurück auf ihre ursprünglichen Positionen schnappen.
Die Kammerdruckpegel, bei denen der Membranaufbau sich bewegt, sind bestimmt durch die internen Spannungen in jeder Membran und dem kombinierten Effekt dieser Spannungen im Membranaufbau. Die Membranspannungen werden wiederum bestimmt durch die Konfiguration der Membransteuerplatte 62. Die Steuerplatte 62 umfaßt einen Unterstützungsbereich 70 zum Ineingriffbringen und Unterstützen des Membranaufbaus entlang einer Referenzebene, allgemein angezeigt durch das Bezugszeichen 72, einen ersten Membransteuerbereich 74, umgebend den Unterstützungsbereich 70, und einen zweiten Membransteuerbereich 76, umgeben von dem Unterstützungsbereich 70. Nachdem der Membranaufbau befestigt ist an der Steuerplatte, wird die Steuerplatte gesteuerten Deformationen unterworfen, um die Steuerbereiche zum Bestimmen der Differenzdruckpegel, bei dem der Membranaufbau sich zwischen seinen Positionen bewegt, einzustellen.
Der Steuerbereich 74 ist gebildet durch einen ringförmigen äußeren Randabschnitt der Steuerplatte und ist hermetisch geschweißt an die Membran 60 kontinuierlich um ihren äußeren Umfang. Der Steuerbereich ist verbunden mit dem Unterstützungsbereich 70 durch einen deformieren, geschwächten Plattenabschnitt 80, um gesteuerte Bewegung des Steuerbereichs 74 relativ zum Unterstützungsbereich 70 während der Kalibration ohne irgendeine Materialdeformation oder Änderung der Position des Unterstützungsbereichs oder des Steuerbereichs 76 zu ermöglichen. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der geschwächte Plattenabschnitt 80 gebildet durch eine Umfangsnut oder Einkerbung, welche den Unterstützungsbereich umgibt.
Der Steuerbereich 74 und der Membranaufbauabschnitt, der darauf gelagert ist, stehen nach außen von dem Unterstützungsabschnitt 70 vollständig in die Druckkammer 24. Dieses Merkmal gewährleistet, daß die Hochdruckkammerflüssigkeit vollständig den Steuerbereich 74 und den Membranrand umgibt, so daß unausgeglichene Druckkräfte nicht auf den Steuerbereich 74 ausgeübt werden können. Es gibt somit keine Tendenz für den Steuerbereich, um merklich abgelenkt zu werden von seiner kalibrierten Position durch Hochdruckflüssigkeit in der Kammer 24 während der Benutzung der Steuervorrichtung 10.
Der zweite Membransteuerbereich 76 ist gebildet durch eine gewölbte Eingriffsoberfläche 82, umgebend eine zentrale Plattenöffnung 84. Die Fläche 82 bindet den gewölbten Abschnitt 68 um die Öffnung 84 um die Schnappbewegung des gewölbten Abschnitts des Membranaufbaus von seiner ersten Position zu begrenzen und definiert somit die Zweitposition des gewölbten Abschnitts. Der Steuerbereich 76 ist verbunden mit dem Unterstützungsbereich 70 durch einen geschwächten, nachgebenden, deformierbaren Plattenbereich 86. Der Abschnitt 86 erlaubt, daß der zweite Steuerbereich steuerbar verrückt wird relativ zum Unterstützungsabschnitt während der Kalibration, ohne signifikante Deformation oder Änderung der Position des Unterstützungsabschnitts oder des ersten Steuerbereichs 74.
Der Unterstützungsbereich 70 unterstützt fest einen Hauptabschnitt des ringförmigen Membranabschnitts 66 in vollem Oberflächenkontakt entlang der Ebene 72. Der Differenzdruck zwischen der Kammer 24 und der Umgebungsatmosphäre um die Steuerung hält die Membran in Eingriff über der Oberfläche des Unterstützungsbereichs 70 während des normalen Betriebs der Steuervorrichtung, so daß die Membranposition stabilisiert bleibt.
Das Basiselement 64 ist vorzugsweise gebildet aus einem becherförmigen Körper aus einer Metallschicht, hermetisch verbunden mit der Steuerplatte 62, und konstruiert und angeordnet zur hermetischen Befestigung mit dem Gehäuse 22, wenn die Steuervorrichtung 10 aufgebaut wird. Das Basiselement 64 umfaßt einen ersten Rumpfabschnitt 100, hermetisch befestigt mit und fest unterstützend den Plattenbereich 70, einen zweiten Rumpfbereich 102, konstruiert zur Befestigung mit dem Gehäuse 22, und eine unperforierte, im wesentlichen zylindrische Wand 104 zum Verbinden der Rumpfabschnitte 100, 102.
Der Rumpfabschnitt 100 ist vorzugsweise gebildet durch einen ringförmigen Flansch, radial vorstehend nach innen von der Rumpfwand 104 zum Ineingriffbringen und Unterstützen des Bereichs 70. Bei der bevorzugten Ausführungsform entspricht der Flansch in der Größe und Gestalt dem Bereich 70, so daß der Bereich 70 voll unterstützt ist. Der Flansch und Unterstützungsbereich werden verbunden durch eine hermetische Verschweißung, welche sich kontinuierlich um das Zentrum des Bereichs 70 erstreckt. Die Verbindung wird vorzugsweise gebildet durch ein Widerstandsschweißen, aber kann durch andere geeignete Schweißtechniken gebildet werden.
Der Rumpfabschnitt 102 definiert einen Montageflansch, der sich radial nach außen hervorstreckt von der Wand 104, um eine flache feste Ortsoberfläche für den Schaltaufbau zu schaffen und einen äußeren peripherischen Rand gegenüberstehend und in Eingriff mit dem Gehäuseflansch 36. Der Flansch 36 und Rand des Rumpfes 102 sind hermetisch verbunden durch eine kontinuierliche Umfangsverschweißung. Die Schweißverbindung zwischen dem Flansch 36 und dem Rumpfrand muß einen hohen Grad von Reißfestigkeit vorsehen, da sie dem Kühlflüssigkeitsdruck in der Kammer unterliegt. Dementsprechend muß eine relativ große Schweißverbindung mit hoher Festigkeit gebildet werden zwischen diesen Teilen, und ein Plasmaschweißen ist dafür bevorzugt.
Bei der illustrierten Ausführungsform wird ein Schaltbefestigungsring 112 an den Körperrand geschweißt zu der Zeit, zu der der Flansch 36 und der Körperrand zusammengeschweißt werden. Der Ring 102 wird dann auf die Schaltabdeckung gepreßt, um den Steuervorrichtungsaufbau zu vervollständigen.
Die Verbindung zwischen dem Schaltaufbau und dem Modul 16 ist nicht hermetisch abgedichtet und dementsprechend ist das Innere der Steuervorrichtung 10 mit Ausnahme der Kammer 24 anfänglich dem Umgebungsatmosphärendruck ausgesetzt. Die bevorzugten Steuervorrichtungen werden häufig eingetopft, d. h. die Schaltabdeckung und zugehörige Teile werden bedeckt mit einer geeigneten Verbindung, welche dazu dient, das Innere der Steuerung von der Umgebung abzudichten. Die atmosphärische Luft in der Vorrichtung wird durch das Eintopfmaterial eingeschlossen und somit bleibt das Innere der Steuerschaltabdeckung bei oder ungefähr bei Atmosphärendruck unter den meisten Benutzungsbedingungen der Vorrichtung.
Der Druckaufnehmer wird kalibriert, um auf vorbestimmte Hoch- und Niedrigdruckpegel anzusprechen.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in Konstruktionsmerkmalen des Membranaufbaus 60. Die Membranen, welche den Aufbau 60 darstellen, sind mehrere doppelte Ausstanzungen von Schichtfedermetall, welche aufgebaut in der Vorrichtung 10 auf angelegte Druckdifferenzen im wesentlichen gleich wie eine einzelne Schnappmembran reagieren. Bei der bevorzugten und illustrierten Ausführungsform der Erfindung werden die Membranen gestanzt aus einer 0,15 mm (0,00525 inch) dicken Schicht von 301 rostfreiem Stahl. Bis zu neun dieser gestanzten Membranen wurden ineinandergebettet, um den Membranaufbau zu bilden, abhängig von dem Druckpegel der Vorrichtung 10, der zur Steuerung zu benutzen ist.
Die ineinandergebetteten Membranen werden in engem, vollen Oberflächenkontakt gehalten, während sie an ihren Rändern zusammengeschweißt werden, so daß der bevorzugte Aufbau im wesentlichen eine einheitliche, sehr dünne Membranstruktur ist. Die Membranen werden vorzugsweise verbunden durch einen Plasmalichtbogenschweißprozeß, welcher gewährleistet, daß die Membranränder hermetisch aneinander befestigt sind.
Der Membranaufbau, die Unterstützungsplatte und die Basis 64 werden dann verschweißt, um den Druckaufnehmeraufbau zu vervollständigen. Nach dem Vollenden der Stanz- und Schweißschritte wird der Aufnehmer spannungsentlastet, um während der Herstellungsoperationen erzeugte interne Spannungen zu eliminieren oder im wesentlichen zu reduzieren.
Die Konstruktion des Membranaufbaus gewährleistet, daß die äußeren Umfangsabschnitte der Membranen miteinander befestigt sind und keiner relativen Bewegung unterliegen, wenn der gewölbte Abschnitt des Membranaufbaus zwischen den Positionen hin und herschnappt. Die gewölbten Abschnitte der individuellen Membranen andererseits bewegen sich leicht relativ zueinander während der Schnappbewegung. Die gewölbten Membranabschnitte werden zusammengedrückt durch die Druckkräfte, die auf den Aufbau wirken, und dementsprechend wird der Bewegung der gewölbten Membranabschnitte von einer ihrer stabilen Positionen entgegengewirkt durch Reibungskräfte, die wirken zwischen den in Eingriff stehenden gewölbten Oberflächen. Es wurde gedacht, daß die großen Einheitseingriffsdrucke zwischen den Membranoberflächenbereichen in Kontakt miteinander hinreichende Wärme während der relativen Bewegung der Membranwölbungen schafft, so daß Abscheuern der Membranoberflächen auftrat. Man nahm an, daß der Abscheuerprozeß über die Lebensdauer der Vorrichtung voranschritt aufgrund der Beobachtungen, daß die gesteuerten Druckpegel fortlaufend mit der Zeit anstiegen.
Es wurde jedoch beobachtet, daß dort, wo die Oberflächenrauhigkeit der gewölbten Abschnitte der Membranen geringer als 0,15 um (6 micro inches) A.A. ist, die Drucksteuereinstellungen nicht fortlaufend zu höheren Werten mit der Zeit driften. Tatsächlich tendieren die Hochdruckeinstellpegel, sich graduell mit der Zeit zu verringern, ein Phänomen, das das Resultat des schrittweisen Nachlassens der Membranspannung sein könnte. Niedrigdruckeinstellpegel driften im allgemeinen beobachtetermaßen leicht zu höheren Werten nach einer großen Anzahl von Zyklen.
Testen von Vielfachmembran-Druckvorrichtungen zeigte, daß die Membranoberflächenrauhigkeit ein kritischer Faktor beim Gewährleisten einer langen Lebensdauer und eines hohen Grades von Zuverlässigkeit ist. Bei der bevorzugten Vorrichtung 10 wird eine präzisionsgewalzte, rostfreie Stahlschicht oder -folie benutzt, welche eine Oberflächenrauhigkeit von nicht mehr als 0,05 bis 0,075 um (2-3 micro inches) A.A. in der Richtung des Walzens und nicht mehr als etwa 0,05 bis 0,1 um (2-4 micro inches) A.A. senkrecht zur Richtung des Walzens auf beiden Seiten der Schicht hat. Solch ein Material kann beispielsweise erhalten werden von Teledyne Rodney Metals unter den Standardrauhigkeitsnummern 1F oder 2F.
Schichtmetallmaterialien mit 2F Standardoberflächenrauhigkeiten erwiesen sich als ziemlich geeignet zur Benutzung bei der Drucksteuervorrichtung 10. Die 2F Standardrauhigkeit schafft Oberflächentexturen oder Rauhigkeiten von 0,05 bis 0,075 um (2-3 micro inch) A.A. in Längsrichtung und 0,05 bis 0,1 um (2-4 micro inch) A.A. senkrecht zur Walzrichtung. Membranen, gebildet aus Schichten mit Standardrauhigkeiten von 4F haben eine Längsglätte im Bereich von 0,1 bis 0,15 u (4-6 micro inch) und senkrechte Rauhigkeiten im Bereich von 0,15 bis 0,2 um (5-8 micro inch) A.A. Solche Membranen konnten nicht zufriedenstellend hergestellt werden.
Lebensdauertests in der neuen Membranaufbaukonstruktion ergaben keine Ausfälle aufgrund Membranrissen, obwohl einige Vorrichtungen über eine Million Zyklen getestet wurden. Nach 100.000 Zyklen zeigten die neuen Konstruktionen im schlimmsten Fall Hochdruckeinstellungsdriften von nicht mehr als -3,3% und Niedrigdruckeinstellungsdriften von -2,9%. Im schlimmsten Fall waren die Einstellungsverschiebungen nach 100.000 Zyklen -5,9% (Hochdruck) und +5,3% (Niedrigdruck).
Steuervorrichtungen nach der Erfindung wurden getestet über eine Million Zyklen lang mit einer beobachteten Hochdruckeinstellungsdrift von -6,7% und Niedrigdruckverschiebung im schlimmsten Fall von +0,6%.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung illustriert und detailliert beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht begrenzt auf die präzise offenbarte Konstruktion. Verschiedene Anpassungen, Modifikationen und Benutzungen der Erfindung können den Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung einfallen und die Erfindung soll alle solche Anpassungen abdecken, wobei Modifikationen und Benutzungen innerhalb des Bereichs der angehängten Patentansprüche fallen.

Claims

1. Auf Druck ansprechende Steuervorrichtung mit

(a) einem Gehäuseaufbau (12), definierend eine Druckkammer (24);

(b) einer betätigbaren Steuereinrichtung (14), befestigt an dem Gehäuseaufbau; und

(c) einem Druckaufnehmer (16), hermetisch die Druckkammer (24) verschließend, wobei der Druckaufnehmer eine Vielzahl von schnappbaren, auf Druck ansprechenden Membranen (60a, 60b, 60c) umfaßt, wobei jede einen zentralen, gewölbten Abschnitt (68) und einen umgebenden peripherischen Abschnitt (66) umfaßt, wobei die Membranen aufeinandergestapelt sind, mit ihren zentralen Abschnitten ineinandergebettet, wobei der zentrale Abschnitt (68) definiert ist durch eine dünne Schicht metallischen Federmaterials;

dadurch gekennzeichnet, daß

(d) die Membranen (60a, 60b, 60c) unbeschichtet sind, so daß nebeneinander liegende Oberflächen der Schichten metallischen Federmaterials der Membranen einander kontaktieren; und

(e) die Oberflächenrauhigkeit der Schichten metallischen Federmaterials jeder der Membranen (60a, 60b, 60c) weniger als ungefähr 1,5 um A.A. auf jeder Seite ist, wobei A.A. der arithmetische Mittelwert der Differenz in der Höhe zwischen mikroskopischen Spitzen und Tälern auf den jeweiligen Oberflächen der Membranen ist.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit der zentralen Abschnitte (68) im Bereich zwischen 0,25 und 1,0 um A.A. liegt.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Membran (60a, 60b, 60c) aus der Schicht von Federmaterial gebildet ist und die Membranen hermetisch verbunden sind entlang ihrer peripherischen Abschnitte (66).

4. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (60a, 60b, 60c) identische Duplikate sind.

5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (60a, 60b, 60c) aus rostfreiem Stahl hergestellt sind.