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Dämpfungsventil mit thermostatisch gesteuertem Schieber Die Erfindung
betrifft ein Dämpfungsventil mit thermostatisch gesteuertem Schieber zum Ausgleich
temperaturbedingter Viskositätsschwankungen eines Strömungsmediums mit einem zwei
Kammern verbindenden überströmraum und einer die Verbindungsöffnung mindestens einer
der Kammern mit dem überströmraum mit steigender Temperatur des Strömungsmediums
zunehmend abdeckenden Schieberplatte.
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Bei einem bekannten Dämpfungsventil sind die beiden Kammern auf verschiedene
Seiten der Schieberplatte angeordnet, welche an einem Bimetallstreifen befestigt
ist und sich je nach der Temperatur des Strömungsmediums mehr oder weniger vor die
Verbindungsöffnung schiebt. Damit die Bewegung der Schieberplatte innerhalb des
auftretenden Temperaturbereichs genügend groß ist, um den wirksamen Querschnitt
der Verbindungsöffnung in ausreichendem Maß zu verändern, muß der Bimetallstreifen
eine bestimmte Mindestlänge haben. Damit wird der Baugröße des Dämpfungsventils
eine untere Grenze gesetzt. Da sich die beiden Kammern auf gegenüberliegenden Seiten
der Schieberplatte befinden, sind auch einer Verkleinerung der Abmessungen des Ventils
in der Richtung senkrecht zum Bimetallstreifen sehr bald Grenzen gesetzt. Dazu kommt
noch, daß je nach der Strömungsrichtung des Mediums auf die Schieberplatte eine
diese gegen ihren Sitz drükkende Kraft einwirkt, die infolge der dabei auftretenden
Reibung die Ansprechempfindlichkeit des Dämpfungsventils beeinträchtigt.
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Es ist ferner bekannt, das Mischungsverhältnis zweier Gase oder Flüssigkeiten
mit Hilfe eines als Drehschieber ausgebildeten Regulierventils zu variieren. Dabei
hat der Drehschieber eine in Drehrichtung sich verbreiternde Öffnung, welche je
nach der Schieberstellung einen mehr oder weniger großen Teil einer Öffnung, durch
die das eine Medium strömt, freigibt. Diese bekannten Drehschieberventile werden
entweder von Hand oder motorisch angetrieben. Eine Veränderung ihrer Stellung durch
sich etwa verändernde Eigenschaften eines der Stoffe tritt hierbei nicht ein.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Dämpfungsventils,
das bei selbsttätigem Ausgleich temperaturbedingter Viskositätsschwankungen des
Dämpfungsmediums nur geringe Abmessungen aufweist und sich damit insbesondere für
die Dämpfung von flüssigkeitsgedämpften Instrumenten eignet. Dabei soll die Dämpfung
infolge einer genauen Steuerung des Querschnittes der Verbindungsöffnung zwischen
den beiden Kammern über einen weiten Temperaturbereich genau konstant bleiben. Insbesondere
sollen Ungenauigkeiten durch Reibung der Schieberplatte auf dem Schiebersitz weitgehend
ausgeschaltet werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß beide Kammern
auf derselben Seite der Schieberplatte angeordnet und ihre Mündungen zum überströmraum
in der Schiebersitzfiäche als Steueröffnungen ausgebildet sind und im Verhältnis
zur Gesamtausdehnung der Schieberplatte einen geringen gegenseitigen Abstand haben
und daß die durch ein temperaturempfindliches Glied verdrehbare Schieberplatte in
an sich bekannter Weise als Scheibe mit mindestens einer Ausnehmung von in Umfangsrichtung
veränderlicher Breite ausgebildet ist.
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Die Anordnung der beiden Kammern auf derselben Seite der Schieberplatte
ergibt einen raumsparenden Aufbau des Ventils, da der Raum auf dieser Seite der
Schieberplatte besser ausgenutzt werden kann. Der geringe gegenseitige Abstand der
Steueröffnungen ergibt nur ein verschwindend kleines Kippmoment, so daß Reibungskräfte
zwischen der Schieberplatte und dem Schiebersitz praktisch nicht in feststellbarem
Maße auftreten. Durch das Verdrehen der Schieberplatte, das sich in einfacher Weise
mit Hilfe einer Bimetallspiralfeder selbsttätig in Abhängigkeit
von
der Temperatur des Dämpfungsmediums bewirken läßt, läßt sich infolge des relativ
langen, auf die im Temperaturbereich vorkommenden Viskositätsschwankungen abgestimmten
Schlitzes eine sehr genaue Steuerung des Querschnittes der Verbindungsöffnung erreichen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird je eine Wandung
der beiderseits eines in seiner Bewegung zu dämpfenden Kolbens angeordneten und
ihre Volumina gegensinnig ändernden Kammern durch je eine Fläche dieses Kolbens
gebildet. Bewegt sich der Kolben, der beispielsweise ein Drehkolben sein kann, nach
einer Seite, so wird die eine Kammer kleiner, die andere dagegen größer. Ist die
eine Kante des Kolbens bis an die Schieberplatte herangeführt, so ändert sich die
Breite jeweils der ganzen Kammern einschließlich der Steueröffnungen, die eine Seite
der Kammern darstellen. Bei dieser Ausbildung kann der Kolben unmittelbar ein Bestandteil
des zu dämpfenden Teiles des Instrumentes sein, so daß sich ein besonders raumsparender
Aufbau des gesamten Instrumentes ergibt.
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Eine genaue Temperaturkompensation läßt sich insbesondere dann erreichen,
wenn die Kontur der Scheibenausnehmung die Form der in Polarkoordinaten über der
Temperatur aufgetragenen Viskositätskurve des verwendeten Strömungsmittels hat.
In manchen Anwendungsfällen kann es zweckmäßig sein, die beiden Kammern zusätzlich
durch einen Restdämpfungskanal konstanten kleineren Querschnittes zu verbinden.
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Bei der Verwendung von Strömungsmedien höherer Zähigkeit, insbesondere
jedoch für eine exakte Kompensation des geringen restlichen Kippmomentes ist es
zweckmäßig, wenn den Kammern diametral gegenüberliegend ein weiteres Kammerpaar
angeordnet wird und die Scheibe eine diesem zugeordnete weitere Äusnehmung hat.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigt F
i g. 1 ein gekapseltes Geschwindigkeitskreiselinstrument, das teilweise im Schnitt
gezeigt ist, F i g. 2 eine auseinandergezogene Ansicht der Teile, welche die Dämpfung
für den sich drehenden kardanischen Aufhängebügel zeigen, F i g. 3 eine Endansicht
entlang der Ebene 3-3 gemäß F i g. 1, F i g. 4 eine Endansicht eines Dämpfungsausaleichsorgans,
F i g. 5 eine Ansicht ähnlich derjenigen gemäß F i g. 3, wobei aber das Dämpfungsausgleichsorgan
gemäß F i g. 4 angebracht ist, F i g. 6 eine teilweise geschnittene Ansicht entlang
der Linie 6-6 gemäß F i g. 5, F i g. 7 eine teilweise geschnittene Ansicht entlang
der Linie 7-7 gemäß F i g. 5, F i g. 8 ein Schaubild einer Kurve eines repräsentativen
Dämpfungsfluidums, bei der die Viskosität der Temperatur gegenübergestellt ist.
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Gemäß F i o". 1 weist ein Geschwindigkeitskreiselinstrument 11 ein
Gehäuse 14 mit den Enden 12 und 13 auf. In einem kardanischen Tragbügel 16 ist ein
Kreiselmotor 15 aufgehängt. Ein Drehzapfen 17 ist an einem Ende des Tragbügels befestigt,
und bogenförmige Aussparungen 41, 42, 59 und 60 bilden Spielraumlöcher
für den Eingriff der nicht veranschaulichten Tragbügelbalancierschrauben. Die Endplatte
20 besitzt einen axial mit Gewinde versehenen Flansch 43, der sich axial von einem
Kragen 44 an der Fläche 45 der Endplatte aus erstreckt, die weiter von dem Tragbügel
16 entfernt ist.
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Der Kragen 44 ragt durch eine Öffnung 46 der Schieberplatte
21, die an der Fläche 45 der Endplatte 20 gleitet. Die scheibenartige Schieberplatte
21
hat entlang ihrem Umfang mehrere Einschnitte 47
und 48. Ein Federfesthaltestift
49 ist fest an der Seite der Schieberplatte angebracht. Der Federbefestigungsstift
49 hat einen Schlitz 50, der das Ende 51
der Feder 22 aufnehmen
kann. Nach dem Zusammenbau der Teile gemäß F i g. 2 ruht das innere Ende 52 der
Feder 22 an der Innenseite 53 des abschnittförmigen Kragens 54, der an seiner Grundfläche
einen radial einwärts verlaufenden Flansch 55 besitzt. Der sich verjüngende Hals
56 der Haltemutter- 57 kann sich durch den Kragen 54 und die Feder
22 hindurch erstrecken, um in den nach außen mit Gewinde versehenen Flansch 43 an
der Endplatte 20
einzugreifen. Der sich verjüngende Hals 56 der Haltemutter
57 dient als Keil, um das Ende 52 der Feder 22 zwischen dem verjüngten Hals 56 und
der Innenseite des Kragens 54 zu halten (vgl. F i g. 1). Die Grundfläche des Kragens
54 hält mit Hilfe des Flansches 58 der Haltemutter 57 die Schieberplatte 21 um den
Kragen 44 herum axial fest, wenn die Haltemutter 57 auf den axial verlaufenden Flansch
43 geschraubt ist.
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F i g. 3 zeigt eine Ansicht der Endplatte 20 mit dem Tagbügelteil
16 darunter. Die Kolben 26 und 27 der Tragbügel sind von den Kammern 29, 29ä und
72a in der Endplatte umgeben.
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F i g. 4 zeigt die Schieberplatte 21, wobei das Gehäuse 11 in gestrichelten
Linien gezeigt ist. Ein Abschnitt der Feder 22 ist mit einem Ende 51 im Schlitz
50 des die Feder haltenden Teiles 49 befestigt. Die Feder ist durch geeignete Mittel,
wie z. B. durch Löten, Schweißen oder Anschrauben usw. fest in dem Schlitz befestigt.
Die Schieberplatte besitzt einen oder mehrere Ausschnitte oder Kerben im Umfang,
wie z. B. bei 47 und 48 entlang ihrer Kante. Der Rand der ausgeschnittenen Abschnitte
wirkt mit der Innenseite des Gehäuses 11 zusammen und bildet einen Durchlaß. F i
g. 4 zeigt, daß die Durchlässe oder öffnungen 62 und 63 eine längliche Querschnittsfläche
besitzen, die der Fläche unter der Viskositätstemperaturkurve des Dämpfungsfluidums
zwischen zwei vorbestimmten Punkten angenähert ist, wenn die Kurve in einem Polarkoordinatensystem
dargestellt ist. Die längliche Fläche 22 läßt sich als von einer Umfangsgrenzlinie
umschlossen beschreiben, die einen ersten Radialschnitt 64 besitzt. Ein dritter
Begrenzungsabschnitt wird durch die Kurvenform 66
gebildet. Die Grenzlinie
66 berührt die Grenzlinie 65 am Punkt 48. Jedoch kann die Grenzlinie 66 auch anders
als dargestellt verlaufen. Der Durchlaß 63 ist in gleicher Weise ausgebildet.
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F i g. 5 ist eine Axialansicht entlang der Ebene 5-5 gemäß F i g.
1, wobei aber nur Teile der Feder 22 gezeigt sind. Das Ende 52 der Feder
22 ist so am Flansch 43 der Endplatte 20 angebracht, daß der Fußabschnitt
64 des Durchlasses oder der Öffnung 62 in der Scheibe 21 bei einer vorbestimmten
Temperatur mit der Seitenwandung 70 der Kammer 29 ausgefluchtet ist. Der ausgefluchtete
Teil ist in der Zeichnung nicht veranschaulicht. Bei dieser Ausfluchtung ist der
Höchstquerschnitt der Kammer 29 durch die
Öffnung 62 hindurch
sichtbar. Das gleiche würde für die Öffnung 63 und die Kammer 72 gelten. Bei zunehmender
Temperatur dehnt sich die auf die Temperatur ansprechende Feder bzw. das betreffende
Organ 22 aus und veranlaßt die Scheibe 21, sich im umgekehrten Uhrzeigersinn im
Verhältnis zur Endplatte 20 zu drehen. Dabci bewirkt die Form des gekrümmten Abschnittes
66 der Grenzlinie, welche die Öffnung des Durchtritts 62 beschreibt, daß
ein Teil der Kammer 29 so überdeckt ist, daß ein kleinerer Querschnittsbereich der
Kammer 29 mit einem Teil des Durchlasses oder der Öffnung 62 zusammenfällt.
Auf diese Weise ist bei höheren Temperaturen, sobald die Viskosität eines gegebenen
Fluidums herabgesetzt ist, die Querschnittsfläche für das Dämpfungsfluidum, das
den drehbaren Tragbügel umgibt und in der Kammer 29 vorhanden ist, zum Austritt
aus der Kammer kleiner, sobald sich der Kolben 26 von der einen Seite der
Kammer zur anderen bewegt. Das Dämpfungsventil ergibt daher unabhängig von temperaturbedingten
Viskositätsänderungen der Dämpfungsflüssigkeit eine konstante Dämpfung. Es ist ohne
weiteres ersichtlich, daß die Krümmung des Abschnittes 66 so sein könnte, daß bei
vorbestimmten höheren Temperaturen dem Durchlaß oder der öffnung 62 eine größere
Querschnittsfläche der Kammer 70 ausgesetzt wäre, so daß der Dämpfungsverlauf
so ausgelegt werden könnte, daß er sich in einer vorbestimmten Weise mit der sich
ändernden Temperatur ändert.
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Bei höheren Temperaturen ist der Öffnung 62 nur ein relativ
kleiner Querschnitt der Kammer 29 ausgesetzt. Sobald sich der Kolben 26 beispielsweise
in umgekehrtem Uhrzeigersinn bewegt, tritt das Fluidum, z. B. ein Silikonöl, aus
der Kammer auf der einen Seite des Kolbens 26 aus. Es kann jedoch nicht schneller
austreten, als das Fluidum in die Kammer auf der anderen Seite des Kolbens
26 eintritt. Ist die Kammer auf der einen Seite des Kolbens ganz von der
Scheibe 21 verschlossen, wird der bestimmende Faktor für die Dämpfung durch die
Geschwindigkeit festgelegt, mit der das Fluidum zwischen dem Ende 32 des Kolbens
26 und der Innenseite 34 der Kammer 29 durch den Zwischenraum 71 sowie zwischen
dem Ende 30 des Kolbens 26 und der Innenseite des Gehäuses 11 durch den Zwischenraum
73 fließen kann.
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Bei vollständiger Überdeckung der Fläche zwischen dem Kolben und der
Kammerwandung auf der einen Seite des Kolbens ist durch die Schieberplatte eine
maximale Dämpfung gegeben. Sobald die Öffnung 62 in der Schieberplatte
21 Teile der Steueröffnungen auf beiden Seiten des Kolbens freigibt, kann
das Dämpfungsmedium von der einen Seite des Kolbens zur anderen strömen. Auf diese
Weise wird die Dämpfung vermindert, aber da dies bei einer niedrigeren Temperatur
und damit bei zäherem Medium erfolgt, so bleibt die Gesamtdämpfung der Bewegung
des Kolbens in der Kammer konstant. Bei weiterer Abnahme der Temperatur dreht sich
die Schieberplatte 21 im Uhrzeigersinn und gibt noch größere Teile der Querschnittsfläche
der Kammer auf jeder Seite des Kolbens 26 frei.
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F i g. 6 zeigt den Tragbügel 16 mit dem Flügel 27 in der Kammer
29 der Endplatte 20 sowie die Schieberplatte 21 in Anordnung
über der Kammer 29
und dem Kolben 27.
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F i g. 7 zeigt die einzelnen Teile in auseinandergezogener Darstellung.
Der Tragbügelanschlag 36
liegt in der den Tragbügelanschlag aufnehmenden Aussparung
74 im Tragbügel 16. Ein ähnlicher Anschlag findet sich in der anderen
Tragbügelaussparung 75 (vgl. F i g. 2).
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F i g. 5 zeigt, wie die Viskositätskurve eines Dämpfungsfluidums dazu
benutzt wird, die Form der Durchflüsse 62, 63 der Schieberplatte
21. zu bestimmen. F i g. 8 zeigt den typischen Verlauf der Viskosität der
Temperatur für ein Siliziumdämpfungsöl. T1, T.>, T.3, T4 und T" bedeuten
bestimmte Temperaturen. Die Buchstaben L, M, N, O und R auf der Kurve zeigen
die Viskosität des Dämpfungsöls bei den Temperaturen T1, T." T3, T4 und
T". Die Form der Öffnung der Schieberplatte ist nun die Abwicklung der Fläche
unter der Viskositätskurve,wie aus F i g. 6 erkennbar ist.
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Bei Verwendung des beschriebenen Dämpfungsventils bei einem Betriebsgeschwindigkeitskreiselinstrument
innerhalb eines Temperaturbereiches von etwa -65 bis etwa 250° C unter Verwendung
eines Siliziumdämpfungsöls zeigt sich, daß überall in dem angegebenen Temperaturbereich
eine gleichmäßige Dämpfung erreicht wird, wie der praktisch konstante Phasenwinkel
zeigt, der zwischen der mechanischen Eingangsgeschwindigkeit des Kreisels und der
Kreiselreaktion auf eine gegebene Frequenz eines mechanischen Eingangs zu erkennen
ist. Ein ähnliches Geschwindigkeitskreiselinstrument mit einer dem Stand der Technik
angehörenden Dämpfungsvorrichtung zeigt eine breite Schwankung des Phasenwinkels
innerhalb desselben Temperaturbereichs bei der gleichen mechanischen Eingangsfrequenz.
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Die neuartigen Regler der vorliegenden Erfindung können zur Regelung
des Durchflusses jedes Fluidums verwendet werden. Zu Dämpfungszwecken können die
neuartigen Regler z. B. mit Kohlenwasserstoffölen mit einer Viskosität von etwa
5 bis etwa 500 Centistokes bei 20° C verwendet werden. Fluidumsmassen und Fluidumsgemische,
wie z. B. Silikonöle, die Zähflüssigkeitsgrade von etwa 1 bis etwa 500 oder mehr
Centistokes bei 20° aufweisen, können ebenfalls verwendet werden. Ein Silikonöl
mit einer Zähflüssigkeit von 20 Centistokes bei 20° C erweist sich als einwandfrei
wirksam bei dem Geschwindigkeitskreisel, der oben beschrieben wurde, um in einem
Temperaturbereich zwischen -65 bis etwa 250° C eine konstante Dämpfung zu ergeben.
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Eine andere Methode, für eine Änderung mit der Temperatur bei dem
Querschnittsbereich, der zur Fluidumsströmung verfügbar ist, zu sorgen, liegt in
der Kombination einer Fluidumsdurchlauföffnung mit einer nockenförmigen Blende,
die an der Öffnung anliegt. Die nockenförmige Blende kann zur Drehung auf einer
Achse parallel zur Ebene der Fluidumsdurchlauföffnung angebracht sein. Eine Drehung
der Blende kann durch ein auf die Temperatur ansprechendes Organ erfolgen, und zwar
so, da 3 ein anderer Teil der nockenförmigen Oberfläche der Blende bei vorbestimmten
Temperaturen gegenüber der Fluidumsdurchlauföffnung ist. Eine Änderung des Fluidumsdurchlaufs
wird erreicht, wenn ein Teil der nockenförmigen Oberfläche in einem Abstand von
der Öffnung liegt, der kleiner ist als der effektive Durchmesser der Öffnung. Das
ergibt einen vorbestimmten Fluidumsdurchlauf, der eine Funktion der speziellen Form
der Nockenoberfläche ist, und ergibt also ein Mittel zur Erreichung eines vorgegebenen
Fluidumsdurchlaufs bei vorbestimmten Temperaturen.
Alternativ kann
die obengenannte rotierende Blende mit einer nockenförmigen Oberfläche zur Betätigung
eines federvorgespannten Organs benutzt werden, das in veränderlichen, den Fluidumsdurchlauf
drosselnden Abständen von der Fluidumsdurchlauföffnung gelagert sein kann. Auf diese
Weise kann der Abstand des federvorgespannten Organs von der Öffnung mit der Temperatur
geändert werden, was wiederum die effektive Querschnittsfläche ändert, die zum Fluidumsdurchlauf
verfügbar ist, und so für einen vorgegebenen Fluidumsdurchlauf als einer Funktion
der Temperatur sorgt.