DE1650465B1 - Thermischer Stellantrieb - Google Patents

Description

1 2

Die Erfindung betrifft einen thermischen Stell- im wesentlichen abgeklärt und bekannt. Zur Verantrieb, insbesondere für Regelventile, mit einem hinderung werden Rauhigkeitserhebungen sowie VerVerdampfer, dem eine Heizvorrichtung, bestehend tiefungen und Risse innerhalb des Verdampfers von aus Heizkörper mit stetig veränderbar zugeführter verschiedenen Autoren vorgeschlagen. Diese Mittel Leistung und Steuerteil, zugeordnet und der mit 5 sollen die Dampfblasenbildung begünstigen. Von einer Flüssigkeit gefüllt ist, sowie mit einem an den anderen Autoren wird die Wirksamkeit von Rauhig-Verdampfer angeschlossenen Druckraum, in den die keitserhebungen jedoch widerlegt.
Flüssigkeit bei Dampfentwicklung verdrängt wird Ein Verdampfer zum Betätigen eines temperatur-

und der von einem bewegbaren Element abgeschlos- abhängigen Schalters ist bekannt, in dem sich ein sen ist, auf das einerseits der Druck der Flüssigkeit io länglicher Einsatz mit haar- oder borstenähnlichen und andererseits die Kraft einer Rückstellfeder Vorsprüngen befindet, wobei den Spitzen dieser einwirkt. Vorsprünge eine die Dampfblasenbildung begünsti-

Neben elektromotorischen und pneumatischen gende Wirkung zugeschrieben wird. Diese Spitzen Stellantrieben gewinnt der thermische Stellantrieb in befinden sich bei der bekannten Einrichtung aber der Regelungstechnik, insbesondere in der Heizungs-, 15 entweder nicht an der wärmsten Stelle, an der die Lüftungs- und Klimatechnik, immer mehr an Be- Dampfblasenbildung am ehesten beginnt, oder sie deutung. Er besitzt wenig bewegliche Teile, ist nahezu berühren die Innenwand und verlieren damit ihre feuchteunempfindlich, läßt sich über nur zwei Steuer- Eigenschaften als wirksame Spitzen,
drähte durch Ein- und Ausschalten einer elektri- Die in Abhängigkeit von der Heizleistung ersehen Heizung in zwei Richtungen steuern und läuft ao wünschte stetige Arbeitsweise eines Verdampfers bei einem Ausfall der Stromversorgung mit Feder- wird durch einen weiteren Umstand erschwert. Beim kraft selbsttätig in seine Ausgangsstellung. stetigen Herabsetzen der Heizleistung sollte der M

Es sind thermische Stellantriebe zum Verstellen Dampfdruck im Verdampfer ebenfalls stetig abneh- ™ von Ventilen bekannt, bei denen feste, flüssige oder men. Durch die in den Verdampfer zurückfließende gasförmige Stoffe durch ein elektrisches Heizelement 25 kalte Flüssigkeit werden Temperatur und Dampfaufgeheizt werden, sich dabei ausdehnen und ein druck gesenkt. Ist nun diese Senkung größer als die Übertragungsglied, z. B. einen Stößel, antreiben. Abnahme der Rückstellfederspannung, so läuft der Zum Erzielen eines ausreichenden Hubes ist eine Vorgang instabil weiter bis zum vollständigen Zuverhältnismäßig große Menge der festen, flüssigen sammenbruch des Dampfdruckes,
oder gasförmigen Stoffe erforderlich. Ein Nachteil 30 Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe der großen Menge ist die damit verbundene thermi- zugrunde, einen elektrothermischen Stellantrieb zu sehe Trägheit. Infolge der Trägheit sind die Regel- entwickeln, der durch einen elektrischen oder elekeigenschaften solcher thermischen Stellantriebe für tronischen Regler stetig und ohne Hysterese in stetige Regelungen ungenügend. Sie werden deshalb Abhängigkeit von der Ausgangsleistung des Reglers meistens durch elektrische Zweipunktregler gesteuert. 35 steuerbar ist.

In der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik wer- Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermi-

den jedoch den Ansprüchen entsprechend immer sehen Stellantrieb der vorausgesetzten Art, bei dem mehr stetige Regelungen verlangt, die nur mit einem die Nachteile der bekannten thermischen Antriebe rasch ansprechenden Stellantrieb gute Regeleigen- dadurch vermieden sind, daß im Verdampfer ein schäften aufweisen können. 40 ständig dampferfüllte Kapillarräume aufweisender

Für stetige Regelungen sind thermische Stell- Körper sowie im Strömungsweg der Flüssigkeit zwiantriebe bekannt, bei denen ein Verdampfer kon- sehen dem Verdampfer und dem Druckraum eine stant elektrisch beheizt wird und eine mechanisch Strömungsdrossel angeordnet ist, und daß der Ververstellbare Durchflußöffnung eine Dampfdruck- dämpfer einen von seinem geschlossenen Gehäuse- I änderung und damit eine Hubänderung bewirkt. 45 boden in Richtung einer Mündung eines Verbin-Solche thermischen Stellantriebe sind verhältnismäßig dungsrohres fallenden Temperaturverlauf aufweist, groß und für Heizungs- und Lüftungsanlagen zu Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus

teuer. den Unteransprüchen.

Elektrothermische Stellantriebe mit einem Steuer- Das erwähnte Verbindungsrohr wird als an sich

baren Verdampfer erzielen mit einer verhältnismäßig 50 bekannt vorausgesetzt.

kleinen Menge Flüssigkeit einen ausreichenden Hub. An Hand der Zeichnung, die einen thermischen

Ihre Ansprechzeit ist auch kurz genug, so daß sie Antrieb darstellt, wird ein Ausführungsbeispiel der für stetige Regelungen geeignet wären, wenn sie Erfindung näher erläutert.

nicht wegen des Siedeverzuges eine für stetige In der Zeichnung ist eine elektrische Heizvorrich-

Regelungen unzulässige Hysterese aufweisen wür- 55 tung zu erkennen, bestehend aus einem Steuerteil 1 den. Ein Siedeverzug tritt bekanntlich auf, wenn im und einem Heizkörper, der zwei Anschlüsse 2, 3, eine Verdampfer nicht genügend große Dampf keime vor- Heizwicklung 4 und einen elektrischen Isolierkörhanden sind. Die Folge ist eine Verzögerung der per 5 aufweist. Mit 6 ist ein durch die elektrische Dampfbildung, die dann erst bei einer wesentlich Heizvorrichtung beheizbarer Verdampfer bezeichhöheren Temperatur einsetzt, als bei derjenigen, bei 60 net, der aus einem zylindrischen Gehäuse 7, einem welcher der zugehörige Sattdampfdruck dem durch geschlossenen Gehäuseboden 8 und einem offenen eine Rückstellfeder erzeugten äußeren Gegendruck Gehäuseboden 9 besteht, durch den ein Verbindungsentspricht. Beim Abkühlen des Verdampfers tritt rohr 10 in den Verdampfer 6 mündet. Im Verdampdiese Verschiebung der Arbeitskennlinie nicht auf, fer 6 befinden sich — vorzugsweise im Bereich der weil dann bereits Dampf und Flüssigkeit nebenein- 65 im Betrieb wärmsten Stelle desselben — ein ständig ander bestehen. dampferfüllte Kapillarräume aufweisender Körper

Die Ursachen des Siedeverzuges sind durch Unter- 11, der vorzugsweise eine schwammartige Struktur suchungen der thermodynamischen Zusammenhänge besitzt und aus einem nicht benetzbarem Werkstoff

besteht, sowie an der Mündungsstelle des Verbindungsrohres 10 eine Strömungsdrossel 12, ζ. Β. ein keramischer oder ein metallischer Filterkörper aus Sinterwerkstoff. Die Strömungsdrossel 12 kann auch eine einfache Querschnittsverengung mit Vorzugsweise nur einer einzigen Durchflußöffnung sein, wodurch sich der Vorteil einer sehr einfachen Herstellung ergibt.

Das Verbindungsrohr 10 führt zu einem Druckraum 13, in dem sich ein Faltenbalg 14 befindet, der an seinem einen Ende mit dem Druckraum 13 und an seinem anderen Ende über einen stirnseitigen Abschluß 15 mit einem Stößel 16 so verbunden ist, daß er zwischen dem Druckraum 13 und der umgebenden Atmosphäre einen dichten Abschluß bildet. Der aus dem Druckraum 13 herausragende Stößel 16 stellt eine mechanische Verbindung mit einem hier nicht dargestellten Stellglied, z. B. einem Regelventil, her. Eine Rückstellfeder 17 dient zum Rückstellen des Stößels 16 in seine in der Zeichnung ao dargestellte Ausgangsstellung.

Der Verdampfer 6, das Verbindungsrohr 10 und der Raum zwischen dem Druckraum 13 und dem Faltenbalg 14 sind mit einer Flüssigkeit 18 gefüllt. Eine beim Aufheizen entstehende Dampfblase ist mit 19 bezeichnet.

Die Heizwicklung 4 auf dem Gehäuse 7 ragt über die Gehäuseböden 8, 9 hinaus und ist folglich länger als der Innenraum des Verdampfers 6.

Der Steuerteil 1 liefert einen stetig veränderbaren Strom über die Anschlüsse 2 und 3 an die Heizwicklung 4, die den Verdampfer 6 mehr oder weniger aufheizt. Das Verbindungsrohr 10, welches ebenfalls wie das zylindrische Gehäuse 7 und die Gehäuseböden 8, 9 aus Metall besteht, besitzt ein gutes Wärmeleitvermögen und leitet daher einen Teil der Wärme vom Verdampfer 6 ab. Im Verdampfer 6 entsteht dadurch ein von seinem geschlossenen Gehäuseboden 8 in Richtung der Mündung des Verbindungsrohres 10 fallender Temperaturverlauf. Dieser Temperaturverlauf und die über den Innenraum des Verdampfers 6 hinausragende Heizwicklung 4 gewährleisten, daß die Temperatur im Verdampfer ihren höchsten Wert in der Nähe des geschlossenen Gehäusebodens 8, erreicht. Da sich dort auch der Körper 11 befindet, dessen Kapillarräume nicht benetzbar und daher ständig dampferfüllt sind, wird an dieser Stelle die Dampfbildung beim Aufheizen des Verdampfers 6 begünstigt und ein Siedeverzug zuverlässig verhindert.

Die entstehende Dampfblase 19 vergrößert sich mit zunehmender Erwärmung des Verdampfers 6 und verdrängt die Flüssigkeit 18 entsprechend der Heizleistung durch das Verbindungsrohr 10 in den Druckraum 13. Dort wird der Faltenbalg 14 zusammengedrückt und dadurch über den Stößel 16 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 17 das hier nicht dargestellte Stellglied, z. B. ein Regelventil, betätigt. Bei abnehmender Erwärmung infolge einer Herabsetzung der Heizleistung verkleinert sich die Dampfblase 19 wieder, so daß ein Teil der Flüssigkeit 18 in den Verdampfer 6 zurückfließt. Die Strömungsdrossel 12 hemmt das Zurückfließen der verhältnismäßig kalten Flüssigkeit. Diese Hemmung und das Wärmespeichervermögen des Verdampfers 6 beschränken die Abkühlung des Verdampfers durch die zurückfließende Flüssigkeit und verhindern einen plötzlichen Zusammenbruch des Dampfdruckes.

Wenn die Strömungsdrossel 12 aus einem porösen Werkstoff, insbesondere aus Sintermetall, besteht, so bewirkt der aufgeheizte Filterkörper eine schnelle Erwärmung der zurückfließenden Flüssigkeit 18, wodurch ebenfalls einem plötzlichen Zusammenbruch des Dampfdruckes entgegengewirkt wird. Außerdem ist infolge der Beschaffenheit eines solchen Sinterwerkstoffes die Gefahr einer Verstopfung des Filterkörpers klein.

Der Kapillarräume aufweisende Körper 11 ist vorteilhaft ein temperaturbeständiger, chemisch inaktiver Werkstoff, z. B. Polytetrafluoräthylen. Auch eine äußerst dünne Schicht, z. B. aus fluoriertem Methacrylat, kann unter Mitwirkung der technischen Oberflächenstruktur eines Basiskörpers — der z. B. durch die Innenwand das Gehäuse 7 gebildet sein kann — mit Vorteil als Kapillarräume aufweisender Körper dienen.

Zur Erreichung des fallenden Temperaturverlaufs im Verdampfer 6 kann zusätzlich oder als alleinige Maßnahme die elektrische Heizwicklung 4 so ausgebildet sein, daß sie dem Verdampfer einen fallenden Temperaturverlauf aufprägt. Das ist z. B. durch eine Verschiebung der Heizwicklung 4 auf dem Verdampfergehäuse 7 in Richtung des geschlossenen Gehäusebodens 8 oder durch eine Heizwicklung mit verschieden großen Windungsabständen, also durch eine asymmetrische Anordnung bzw. Ausbildung des Heizkörpers, möglich.

Die Flüssigkeit 18 besteht aus organischen und überwiegend anorganischen Komponenten und besitzt einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Dadurch kann der Einfluß der Umgebungstemperatur auf das gesamte Flüssigkeitssystem klein gehalten werden. In der Regel wird als anorganische Komponente Wasser verwendet, dem als organische Komponente ein Alkohol beigemischt ist.

Ein nach den Patentansprüchen ausgeführter elektrothermischer Stellantrieb gewährleistet in beiden Laufrichtungen innerhalb seines Arbeitsbereichs eine stetige Hubänderung in Abhängigkeit von der stetig veränderbaren Heizleistung. Die verhältnismäßig kleinen Massen des Verdampfers 6 und der Flüssigkeit 18 ermöglichen mit einer kleinen elektrischen Heizleistung ein rasches Ansprechen des Stellantriebes. Durch den einfachen Aufbau mit einem Minimum an beweglichen Teilen wurde ein preisgünstiger und zuverlässiger neuer Stellantrieb für stetige Regeleinrichtungen geschaffen.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Thermischer Stellantrieb, insbesondere für Regelventile, mit einem Verdampfer, dem eine Heizvorrichtung, bestehend aus Heizkörper mit stetig veränderbar zugeführter Leistung und Steuerteil, zugeordnet und der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, sowie mit einem an den Verdampfer angeschlossenen Druckraum, in den die Flüssigkeit bei Dampfentwicklung verdrängt wird und der von einem bewegbaren Element abgeschlossen ist, auf das einerseits der Druck der Flüssigkeit und andererseits die Kraft einer Rückstellfeder einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdampfer (6) ein ständig dampferfüllte Kapillarräume aufweisender Körper (11) sowie im Strömungsweg der Flüssigkeit zwischen dem Verdampfer (6) und dem Druckraum (13)

eine Strömungsdrossel (12) angeordnet ist, und daß der Verdampfer (6) einen von seinem geschlossenen Gehäuseboden (8) in Richtung einer Mündung eines Verbindungsrohres (10) fallenden Temperaturverlauf aufweist.

2. Thermischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapillarräume aufweisende Körper (11) aus einem temperaturbeständigen und chemisch inaktiven Werkstoff besteht, eine schwammartige Beschaffenheit besitzt und im Verdampfer (6) in der Zone der höchsten Temperatur angeordnet ist.

3. Thermischer Stellantrieb nach Anspruch 1 cder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung des Verdampfers (6) mindestens teilweise mit einem von der Flüssigkeit (18) nicht benetzbaren Werkstoff überzogen ist.

4. Thermischer Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht benetzbare Werkstoff ein fluoriertes Methacrylat ist und eine ao äußerst geringe Schichtdicke aufweist.

5. Thermischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdrossel (12) aus porösem Werkstoff, vorzugsweise Sinterwerkstoff, besteht und z. B. ein keramischer oder metallischer Filterkörper ist, der sich unmittelbar an der Einmündung des Verbindungsrohres (10) im Verdampfer (6) befindet.

6. Thermischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdrossel eine einzige Durchflußöffnung aufweist.

7. Thermischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Verdampfer (6) mit dem Druckraum (13) verbindende Rohr (10) ein gutes Wärmeleitvermögen besitzt.

8. Thermischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (18) aus organischen und überwiegend anorganischen Komponenten besteht und einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt.

9. Thermischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (2 bis S) asymmetrisch ausgebildet bzw. auf dem Verdampfer asymmetrisch angeordnet ist.

10. Thermischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (2 bis 5) länger als der Innenraum des Verdampfers (6) ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen