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Stellmotor für Regler, insbesondere für Druck- oder Temperaturregler
Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Stellmotor zur Betätigung von
durch Regelimpulse gesteuerten Stellvorrichtungen, wie Druck-oder Temperaturregelventilen,
Drosselklappen, Schieberventilen, Regelwiderständen usw.
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Es ist bekannt, die Verstellbewegung durch die Ausdehnung einer in
einem Druckbehälter befindlichen Flüssigkeit herbeizuführen, welcher durch eine
in Abhängigkeit von der Regelgröße steuerbare elektrische Heizvorrichtung Wärme
zugeführt wird. Durch diese Wärmezufuhr dehnt sich die Flüssigkeit aus, wobei der
Flüssigkeitsdruck über ein mit dem Druckbehälter in Verbindung stehendes balg-,
membran- oder kolbenförmiges Ausweichorgan auf das Regelstellglied übertragen wird.
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Gemäß der Erfindung besteht der Druckbehälter aus einem vorzugsweise
rohrförmigen, beiderseits abgeschlossenen Körper, in dessen mit der Ausdehnungsflüssigkeit
gefülltem Innenraum die elektrischen Heizleiter ohne Isolierung in einer nichtleitenden
Flüssigkeit, beispielsweise in Form von auf Isolierstäben geführten Heizdrahtspiralen
angeordnet sind. Dadurch wird ein besonders wirksamer Wärmeübergang und damit eine
besonders schnelle und kräftige Wirkung der Regeleinrichtung erzielt. Als Ausdehnungsflüssigkeit
kommt z. B. ein isolierender Stoff, wie öl, Glyzerin, Alkohol od. dgl., in Frage.
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Es ist im übrigen zweckmäßig, eine Ausdehnungsflüssigkeit von möglichst
geringer spezifischer Wärme, wie z. B. Tetrachlorkohlenstoff, zu verwenden, um beim
Erwärmen eine rasche Ausdehnung und beim Wiedererkalten ein rasches Zusamtnenziehen
zu erreichen. Dadurch wird die Verstellzeit, z. B. bei Regelventilen die öffnungs-
und Schließzeit, kurz gehalten. Auch die Anwendung einer niedrigsiedenden Flüssigkeit,
welche sich bei Erhitzung in Dampf verwandelt, ist möglich.
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Um bei einem Stellmotor der eingangs genannten Art zu verhindern,
daß die Beheizung der Ausdehnungsflüssigkeit
noch weiter wirkt,
nachdem das Regelstellglied, beispielsweise das Regelventil, seine End- oder Schließstellung
erreicht hat, ist der Stellmotor erfindungsgemäß mit einem Endbegrenzungsschaltet
versehen, der die Heizung bei einem Überdruck in dem Druckbehälter selbsttätig ausschaltet
und dadurch Beschädigungen des Stellmotors vermeidet. Zu diesem Zweck kann an dem
Druck-Behälter ein Überdruckschalter, vorzugsweise ein federbelasteter Metallbalg
mit Schaltstift angebracht werden, welcher bei Überschreitung eines bestimmten Innendruckes
der Ausdehnungsflüssigkeit die elektrische Heizung abschaltet. Anstatt dessen kann
an der Verstellstange des Regelstellgliedes eine Feder eingeschaltet sein, die sich
nach Erreichen der Endstellung des Regelstellgliedes unter der Wirkung des Überdruckes
im Druckbehälter zusammendrückt, wobei die Heizung durch ein Schaltglied ausgeschaltet
wird. Ein solcher Endbegrenzungsschalter hat besondere Vorteile in Verbindung mit
der unmittelbaren elektrischen Beheizung der Ausdehnungsflüssigkeit, weil diese
Heizung sofort selbsttätig ausgeschaltet wird sobald die Endstellung des Stellmotors
erreicht ist, so daß trotz der schnellen und starken Ausdehnungswirkung keine Beschädigung
der Vorrichtung eintreten kann.
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Die elektrischen Regelimpulse werden bei Druckreglern mit Hilfe einer
Druckmeßdose gegeben, die einen elektrischen Schalter betätigt, welcher die elektrische
Heizung des Stellmotors ein- und ausschaltet. Bei Temperaturreglern kann dieser
Schalter mit Hilfe einer temperaturempfindlichen Einrichtung, wie z. B. mittels
eines Kontaktthermometers betätigt werden. An Stelle eines Ein- und Ausschalters
oder zusammen mit einem solchen kann auch ein regelbarer Widerstand vorgesehen werden,
um die Stärke des Heizstromes zu verändern.
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Durch diese oder ähnliche Regelimpulse wird die Heizung des Stellmotors
mehr oder weniger verstärkt bzw. abgeschaltet. Bei Erwärmung dehnt sich die in dem
Druckbehälter des Stellmotors befindliche Ausdehnungsflüssigkeit mehr oder weniger
aus und betätigt über das Ausweichorgan, vorzugsweise einen Metallfederbalg, das
jeweilige Regelstellglied. Hierbei kann eine sehr bedeutende Verstellkraft ausgeübt
werden, ohne daß der Stellmotor übermäßig große Abmessungen zu erhalten braucht,
da der Endbegrenzungsschalter Beschädigungen des Stellmotors durch übermäßigen Druck
verhindert. Durch Zufuhr bestimmter Wärmemengen kann der Stellmotor und damit das
Regelstellglied in beliebige Zwischenstellungen eingestellt werden, so daß eine
kontinuierliche einstellbare Regelung erzielt wird. Dadurch kann sich das Regelstellglied
einer bestimmten, durch den Regelfall gegebenen Belastung anpassen.
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Ein Endbegrenzungsschalter der vorstehenden Art kann im übrigen auch
-im Inneren des Druckbehälters unmittelbar in der Ausdehnungsflüssigkeit angeordnet
werden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in einer Ausführungsform beispielsweise
veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. i im Schnitt einen Stellmotor gemäß der Erfindung
in Verbindung mit einem Regelventil; Figl2 stellt ein Schema der elektrischen Impulssteuerung
des Stellmotors nach Fig. i dar.
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Der eigentliche Stellmotor ist in einem dicht abgeschlossenen Druckbehälter
untergebracht, welcher im Ausführungsbeispiel aus einem Rohr i reit einem Böden
2 und einer Kappe 3 besteht. Der Innenraum 4 dieses Behälters 1, 2, 3 ist mit einer
Ausdehnungsflüssigkeit gefüllt, welche sich bei Er-< wärmung stark ausdehnt.
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Die Erwärmung der Ausdehnungsflüssigkeit geschieht durch eine Heizung,
deren Intensität bzw. Dauer durch äußere Regelimpulse gesteuert wird und die innerhalb
oder außerhalb des Druck-Behälters 1, 2, 3 zur Einwirkung auf die Ausdehnungsflüssigkeit
gebracht werden kann. Gemäß dem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel erfolgt
die Beheizung durch einen im Behälterinnenraum 4 unmittelbar in der Ausdehnungsflüssigkeit
liegenden elektrischen Heizleiter 5, der z. B. in Form einer Drahtspirale um einen
oder mehrere Isolierstäbe 6 gewickelt ist. Die beispielsweise in Form von keramischen
Ringstücken auf Tragstangen aufgereihten Isolierstäbe 6 sind an in das Rohr i eingesetzten,
durchbrochenen Scheiben 7 befestigt. Die Heizleiter 5 werden im vorliegenden Fall
von unisolierten Drähten gebildet, deren Zuleitungen 8, 8' durch in die Kappe 3
eingesetzte Isolatoren 9 vollkommen dicht nach außen geführt sind.
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In der Kappe 3 ist ein aus Federrohr io und Balgboden ii bestehender
Federbalg untergebracht, welcher durch einen Überdruck der Ausdehnungsflüssigkeit
nach Erreichen einer Endstellung des Regelstellgliedes entgegen der Wirkung einer
mittels verschraubbaren Federtellers 12 einstellbaren Feder 13 zusammengedrückt
werden kann, wobei er einen durch eine Bohrung der Kappe 3 nach außen geführten
Stift 14 verschiebt. Dieser Schaltstift 14 verschwenkt dann einen um die Achse 15
drehbaren Hebelarm 16, wodurch ein am freien Ende des Hebelarmes 16 befestigter
Quecksilberschalter 17 gekippt und der darin befindliche Kontakt in der Zuleitung
8' unterbrochen wird.
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In der Zuleitung 8' liegt ferner ein Schältet 18, dessen Schaltstange
ig durch einen beliebigen Impulsgeber, z. B. eine Druckmeßdose 2o; gesteuert wird.
Im Ausführungsbeispiel werden die Steuerbewegungen der Druckmeßdose 20 über eine
Druckleitung 21 durch die Druckschwankungen in einer Rohrleitung 22 bewirkt, durch
die ein in seinem Druck zu regelndes Medium strömt.
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Zur Regelung dieses Druckes ist in die Rohrleitung 22 ein Ventil 23
eingebaut, dessen z. B. durch eine Feder 24 belasteter Ventilkegel 25 mittels einer
Ventilstange 26 gesteuert wird. Letztere wird durch einen Arbeitskörper betätigt,
der aus einem rohrförmigen Gehäuse 27 besteht, in das ein aus Federrohr 28 und Boden
29 gebildeter Federbalg eintaucht. Die Ventilstange 26 ist mit dem Balg-Boden 29
fest verbünden. Der Federbalg 28, 29 bildet im vorliegenden Falle das Ausweichorgan
des Ausdehnungsflüssigketsraumes 4 des Stellmotors
i, 2, 3. Zu
diesem Zweck steht dieser Raum 4 über die Bohrung 32 des Stellmotorbodens 2 durch
ein Kapillarrohr 3 i mit dem den Federbalg 28, 29 umgebenden Arbeitsraum 3o des
Arbeitskörpers 27 in Verbindung. Dieser Arbeitsraum 30 und das Kapillarrohr
31 sind ebenso wie der Druckbehälterinnenraum 4 mit Ausdehnungsflüssigkeit gefüllt.
Es wäre jedoch auch möglich, am Boden des Druckbehälters i, 2, 3 einen Zwischenbalg
einzuschalten und dann das Kapillarrohr 31 mit dem Arbeitsraum
30 mit einer anderen Druckflüssigkeit anzufüllen.
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Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Regeleinrichtung ist
ohne weiteres verständlich. Über die Leitungen 8, 8' wird dem Heizleiter 5 im Druckbehälter
i, 2, 3 Strom zugeführt, solange der Schalter 18 geschlossen ist. Die Ausdehnungsflüssigkeit
im Raum 4 erwärmt sich undi dehnt sich sehr schnell aus. Der Ausdehnungsdruck pflanzt
sich über das Kapillarrohr 31 in den Arbeitsraum 4 fort und drückt den Arbeitsbalg
28, 29 zusammen, wodurch über die Ventilstange 26 der Ventilkegel 25 in seine öffnungsstellung
gebracht wird. Wenn die größte öffnungsstellung des Ventils erreicht ist, beginnt
die Ausdehnungsflüssigkeit im Raum 4 auf den Überdruckbalg io, i i zu drücken. Letzterer
gibt entgegen der Wirkung der Feder 13 nach und schiebt den Schaltstift 14 vor,
wodurch der Quecksilberschalter 17 gekippt und die Leitung 8' unterbrochen wird.
Abgesehen von diesem Sonderfall wird die Heizung durch die Regelimpulse gesteuert,
welche je nach Bedarf den Heizstrom ein- oder abschalten. Auf diese Weise ist auch
die Einhaltung einer Zwischenstellung des geregelten Ventils oder sonstigen Organs
möglich.