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Thermostat zur temperaturabhängigen Steuerung von Absperr- und Regelorganen
Die Erfindung betrifft Thermostaten zur temperaturabhängigen Steuerung von Absperr-
und Regelorganen od. dgl., die auf Grund der verschiedenen Wärmeausdehnung zweier
in einem sogenannten Bimetall vereinigter Werkstoffe wirksam werden.
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Gegenstand der 'Erfindung sind geeignete Maßnahmen zur Vermeidung
des ungünstigen Einflusses der Reibung, zur Bewirkung eines schnellen Ansprechens
durch gute Umspülung des Bimetalls und zur Erzielung von Materialersparnissen.
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In der Regel ist .bei den bekannten Ausführungen das eine Ende eines
glatten oder gekrümmten Bimetallstreifens fest eingespannt, während das andere bewegliche
Ende zur Übertragung von Hub und Kraft auf eine Betätigungseinrichtung, beispielsweise
auf eine Ventilspindel, dient. Der Weg, den dieses freie Ende zurücklegt, ist kreisförmig
oder kurvenförmig gekrümmt. Ist die von dein Bimetall gesteuerte Betätigungseinrichtung
in irgendeiner Weise, beispielsweise zentrisch, geführt, so wird diese geführte
Bewegung in der Regel nicht der kurvenförmigen Bewegung des freien Endes des, Bimetallstreifens
entsprechen. Bei Kraftübertragung während einerHubbewegung treten,daherReibungskräfte
zwischen dem Bimetall und den übertragungsgliedern der Betätigungseinrichtung auf,
die senkrecht oder im Winkel zur geführten Bewegung angreifen und die daher Klemmkräfte
an den Führungsstellen der Betätigungseinrichtung hervorrufen. Dadurch wird ein
beträchtlicher Teil der vom Bimetall aufgebrachten Kraft verzehrt.
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Um zum Ausgleich größere wirksame Kräfte bei relativ großem Hub zu
erhalten, ist es bekannt, eine größere Anzahl von Bimetallamellen zu einem Paket
zusammenzulegen und gemeinsam wirken zu lassen.
Dieses hat jedoch
den Nachteil, daß die einzelnen Lamellen eines solchen Paketes selbst einander reiben
und somit Kraft verzehren. Außerdem verhindern sie, daß das. flüssige oder gasförmige
Betriebsmedium alle Lamellen gleichmäßig und vollkommen umspülen kann, wodurch der
Wärmeübergang behindert und die .Ansprechzei.t verlängert werden. Besondere Schwierigkeiten
ergeben sich dabei, wenn die einzelnen Lamellen zwecks günstiger Ausnutzung der
Werkstoffeigenschaften und zwecks Erzielung größerer Hübe bei relativ großer Kraftwirkung
in an sich bekannter Weise gekrümmt ausgeführt werden sollen; denn bei zu einem
Paket geschichteten gekrümmten Lamellen behindern sich diese bedeutend stärker untereinander
in der temperaturabhäegigen Durchbiegung.
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Bekannt ist es weiterhin, einen Bimetallstreifen an beiden Enden abzustützen
und die Kraftübertragung vom Bimetall auf die Betätigungseinrichtung in der Mitte
des Bimetallstreifens :angreifen zu lassen. Bei einer solchen Ausführung kann ebenso
wie bei dem nachfolgend beschriebenen Erfindungsgegenstand ein Ausgleich der Reibungskräfte
und eine Vermeidung von Klemmkräften wohl erreicht %verden. Jedoch läßt eine solche
Ausführung bei einem gegebenen verfügbaren Einbauraum und bei gegebenen Kräften
nur einen geringen Hub zu. Werden zur Erhöhung von Kraft und Hub Bimetallpakete
gebildet, so ergebensich auch hier die geschilderten Nachteile solcher Pakete. Werden
in ebenfalls bekannter Weise zur Erzielung größerer Hübe und Kräfte paarweise gegenläufig
angeordnete Bimetallamellen hintereinandergeschaltet, so ergeben sich komplizierte
Bauformen, zumal wenn eine Kraftübertragung in beiden Bewegungsrichtungen entsprechend
Erwärmung und Abkühlung erfolgen soll. Außer den geschilderten Nachteilen der Bimetallpakete
besteht hier noch die Gefahr, daß sich Schmutz in die bei Erwärmung zwischen den
gegenläufigen Lamellen entstehenden Spalträume setzt, so daß die Lamellen bei Abkühlung
nicht mehr in die ursprüngliche Lage zurückkehren können, so daß der gegenläufige
Huh nicht mehr ausgeführt werden kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung die die geschilderten Nachteile
vermeidet, sind die Bimetall-Lamellen strahlenförmig um den Angriffsp2rnkt an der
Betätigungseinrichtung angeordnet. Auch hier sind die einzelnen Lamellen an ihrem
einen Ende fest eingespannt, während das andere Ende frei beweglich ist. Dabei ist
es möglich, die feste Einspannung an den äußeren Enden der strahlenförmig angeordneten
Lamellen vorzunehmen und die beweglichen Enden im Mittelpunkt des Sternes auf die
Betätigungseinrichtung wirken zu lassen, oder umgekehrt die einzelnen Lamellen am
Mittelpunkt fest mit der beweglichen Betätigungseinrichtung zu verbinden und die
frei beweglichen Enden der Lamellen am äußeren Ende gegen feste Punkte, z. B. am
Gehäuse der Einrichtung, zur Auflage, kommen zu lassen.
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Die strahlenförmige Anordnung der Bimetalllamellen bringt folgende
Vorteile: Wenn die frei beweglichen Enden der Bimetallamellen unter Einfluß der
Temperaturänderung ihren Hub ausüben, so greifen die nicht in der geführten Hubrichtung
des geführten Betätigungsorgans liegenden Bewegungskomponenten konzentrisch an.
Sie können keine Klemmkräfte in den Führungen hervorrufen, da sie sich gegenseitig
aufheben. Außerdem ermöglicht die strahlenförmige Anordnung der Lamellen die Unterbringung
einer großen Anzahl von Lamellen in einer Ebene, wobei sich die Kraft der einzelnen
Lamellen addiert, ohne daß die Nachteile eines geschlossenen Bimetallpaketes in
Kauf genommnen werden müssen.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in Abb. i in einem senkrechten Schnitt,
in Abb. 2 in Draufsicht dargestellt. Es soll hier ein Ventil i in Abhängigkeit von
der Temperatur durch die Bimetallamellen 2 gesteuert, beispielsweise bei zunehmender
Temperatur gegen den Ventilsitz 3 geschlossen werden. Als Betätigungsorgan zur Übertragung
von Hub und Irraft von den Lamellen 2 auf das Ventil i dient die Spindel 4, die
zentrisch in den Führungen ä geführt ist. Die Lamellen sind strahlenförmig und gleichmäßig
verteilt um die Spindel 4 als Mittelpunkt angeordnet. Im gezeichneten Beispiel sind
vier Lamellen angenommen, jedoch ist die Anzahl beliebig, mindestens aber zwei Lamellen.
(In dieser Beschreibung und in den Schutzansprüchen soll der Ausdruck strahlenförmig
auch für zwei Lamellen, die sich gegenüberstehen und gewissermaßen einen zweistrahligen
Stern bilden, verstanden werden.) Die. Lamellen sind an ihren nach außen gerichteten
Enden fest eingespannt zwischen einer Ringfläche ö am Gehäuse der Einrichtung und
einem" aufgeschraubten Ring 7. Bei Erwärmung biegen sich dieLamellen nach oben durch
und nehmen dabei die Spindel 4 in die strichpunktiert gezeichnete Stellung mit.
Zur Mitnahme ist .die Spindel 4 mit einer unteren Mitnehmerscheibe 8 und einer oberen
Mitnehmerscheibe 9 ausgerüstet. tDiese Mitnehmerscheiben ermöglichen es, daß die,Spindel
in beiden Bewegungsrichtungen von den Bimetallamellen kraftübertragend mitgenommen
wird.
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Abb.3 zeigt, wie umgekehrt die Bi.metal.lameflen2 fest mit der Spindel
4 verbunden sein können und sich gegen Anschläge od. dgl. im Gehäuse abstützen.
Die Lamellen 2 sind hier an ihrem inneren ,Ende zwischen starr mit der Spindel 4
verbundenen Scheiben 8 und 9 fest eingespannt und an ihrem äußeren Ende in einer
Ringnut io am Gehäuse so eingelegt, daß diese Enden keine Bewegung nach oben oder
unten ausüben können, ;so däß bei. Durchbiegung der Lamellen 2 auch hier ein Hub
der axial verschiebbaren Spindel 4 erfolgt. Die Durchbiegung der Bimetallamellen
2 und der Hub der Spindel 4 ist strichpunktiert angedeutet.
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,Falls die Kraft der Lamellen, die in einer Ebene strahlenförmig angeordnet
untergebracht werden können, für einen bestimmten Verwendungszweck nicht ausreicht,
können die Lamellen in zwei oder mehr Gruppen axial hintereinander angeordnet werden,
die an einer gemeinsamen Spinde14 angreifen. Eine solche Ausführung mit zwei hintereinandergeschalteten
Gruppen
ist in Abb. 4 dargestellt. Eine besonders günstige Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften
ergibt sich, wenn die Bimetallamellen zu einem halbkreisförrnigen Bogen gekrümmt
sind.
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Eine entsprechende Ausführung zeigen Abb. 5 und 6. (Abt. 5 zeigt rechts
eine Seitenansicht, links den entsprechenden Schnitt, Abb.6 eine Draufsicht.) Die
starre Einspannung erfolgt zwischen einem Ring 7 und einer ringförmigen Auflagefläche
6, die starr oder verstellbar mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Mgelform der gekrümmten
Lamelle 2 läßt der Schnitt in Abb. 5 links am besten erkennen, wo auch die Hubbewegung
strichpunktiert angedeutet ist. Die frei beweglichen Enden der Lamellen 2 greifen
zwischen den Mdtnehmerscheiben 8 und 9 an, die mit Spindel 4 fest verbunden sind.
In dem gezeichneten Beispiel kommen acht Lamellen zur Anwendung, die die gleiche
Kraftwirkung aufbringen können wie acht entsprechend ausgeführte, zu einem Paket
übereinandergeschichtete Lamellen. Im Gegensatz zu einem solchen Bimetallpaket werden
aber hier die Lamellen .frei von dem Betriebsmedium. umspült und bewegen sich, ohne
durch gegenseitige Reibung behindert zu werden.
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Für den Einbau ist es vorteilhaft, wenn bei einer solchen Ausführung
die Bimetallamellen an den Einspannstellen radial abgeschrägt sind und sich gegenseitig
an den abgeschrägten Flächen berühren. Es genügt dann, jede einzelne Lamelle durch
ein verbindendes Element 12, z. B. Niet, .Schraube od. dgl., zwischen dem Ring 7
und der Auflagefläche 6 unter Spannung zu befestigen. Die, Berührung der einzelnen
Lamellen in den radial abgeschrägten, Flächen i i verhindert dann, daß sich die
Lamellen in ihrer Einbaulage durch eine Drehbewegung um das Befestigungselement
verschieben. Ebenso werden die Bimetallamellen zweckmäßig am frei beweglichen Ende
radial abgeschrägt, damit die verhältnismäßig große Anzahl der Lamellen an den verhältnismäßig
kleinen Mitnehmerscheiben 8 und 9 der Spindel 4 ohne gegenseitige Behinderung Platz
findet.
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Um zu verhindern, daß durch die Ausschläge dier Bimetallamellen 2
am frei beweglichen Ende Klemmwirkungen zwischen den Mitnehmerscheiben 8 und 9 und
den Bimetallamellen auftreten, sollen erfindungsgemäß diese Mitnehmerscheiben mit
je einem Randwulst 13 versehen werden, wie in Abb. 7 dargestellt. Der Abstand zwischen
den Randwülsten der beiden gegenüberliegenden iMitnehmerscheiben entspricht etwa
der Stärke der Bimetallamellen mit einem zusätzlich geringen Spiel. Die Höhe der
Randwülstie ist so bemessen, daß auch bei dem größten Ausschlag der Bimetallamellen
die nach innen in den Raum zwischen den Randwülsten hineinragenden Enden der Bimetallamellen
niemals gegen die Mütnehmerscheiben selbst zur. Auflage kommen. Die beiden extremen
Stellungen der Bimetallamellen sind in Abb. 7 angedeutet.
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Die Randwülste 13 können abweichend von dem gezeichneten Beispiel
andere Formen aufweisen. So könnten beispielsweise zur Erzielung der gleichen Wirkung
die Mitnehmerscheiben 8 und 9 auf den einander zugekehrten,Seiten Hohlkonusflächen
aufweisen oder auch insgesamt als konisch geformte Tellerscheiben nach Art der bekannten
Tellerfedern ausgeführt werden.
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Erfolgt die feste Einspannung der strahlenförmig angeordneten Bimetallamellen
2, wie in Abb. 3 gezeigt, mit ihrem inneren Ende an der Betätigungseinrichtung q.,
während die äußeren, frei beweglichen Enden in der Nut io am Gehäuse angreifen,
so kann als äquivalentes iMittel zur Verhütung von Klemmwirkungen gegenüber den
in Abb. 7 dargestellten Randwülsten angesehen werden, daß die Nut io am äußeren
Umfang enger gehalten ist, und daß sie sich zum inneren Rand hin konisch erweitert.
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Bei der Ausführung nach A'bb. 5 bilden die strahlenförmig angeordneten
gekrümmten Lamellen einen Käfig, dessen Innenraum raumsparend dazu ausgenutzt werden
kann, um andere Bauteile, die mit dem Thermostaten zusammenarbeiten, darin unterzubringen,
z. B. federnde Glieder, die in an sich bekannter Weise zwischen Bimetallamellen
2 und Betätigungseinrichtung 4 geschaltet werden, etwa zu dem Zweck, eine Überdehnung
und bleibende Formänderung des Bimetalls zu verhindern, wenn die Bewegung der Betätigungseinrichtung
4 nach Erreichen eines Anschlages, beispielsweise nach Aufsitzen eines Ventils i
auf seinen Sitz 3, beendet ist, während noch eine weitere Temperaturerhöhung erfolgt.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf die geschilderten
Beispiele beschränkt. Sie erstreckt sich auf alle in der Technik vorkommenden Fälle,
bei denen Bimetalle zur Steuerung von temperaturabhängigen Regelvorgängen dienen,
und zwar ebenso für Organe der unmittelbaren wie auch der mittelbaren Regeltechnik
mit hydraulischen, pneumatischen, elektrischen oder sonstigen Hilfskräften.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit zeigt Abb. 8, die zweckmäßig angewendet
wird, wenn größere Kräfte zu übertragen sind und die Vorteile der im Halbkreisbogen
gekrümmten Bimetalllamellen ausgenutzt werden sollen.
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Es werden hier je zwei (oder mehrere) in Halbkreisbogen gekrümmte
Gruppen von Bimetalllamellen verwendet, von denen jeweils die inneren Lamellen 2.
von den nächstgrößeren äußeren Lamellen 2' umschlungen werden. Zwischen den Lamellen
r2 und 2.' bleibt zweckmäßig ein freier Zaum, damit jede Lamelle vom Betriebsmedium
voll umspült wird und damit eine Reibung zwischen den einzelnen Lamellen vermieden
wird. Sinngemäß findet der gleiche Gedanke auf die Abb. q, Anwendung. Auch dort
wird zweckmäßig zwischen dien Lamellen verschiedener axial hintereinander angeordneter
Gruppen ein freier Raum aufrechterhalten.
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Sowohl die innerenLamellen 2 wie die äußeren Lamellen 2' sind sternförmig
um den Kraftangriffspunkt auf der Spindel 4 -angeordnet und werden zweckmäßig an
einem gemeinsamen Ring 7 befestigt.
.Dabei liegen die Lamellen der
einen Gruppe (im Beispiel die Lamellen 2) auf der freien Seite des Ringes 7, die
Lamellen der anderen Gruppe (im Beispiel die Lamellen 2') eingeklemmt zwischen Ring
; und der mit dem Gehäuse verbundenem Auflagefläche 6. ,Der Ring 7 hält den für
die Umspülung der Lamellen erwünschten Abstand aufrecht. Beide Lamellen greifen
mit ihren freien Enden mit leichtem Spiel zwischen die Mitnehmerscheiben 8 und 9.
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Durch entsprechende Auswahl der Werkstoffe für die Bimetallamellen
wird erreicht, daß die Lamellen in beiden Gruppen trotz verschiedener Form und Abmessung
den gleichen Hub inAbhängigkeit von der Temperatur ausführen und auch beide die
gleiche Kraft auf das Betätigungsorgan ausüben.