DE3028532C2 - Thermischer Stellantrieb - Google Patents
Thermischer StellantriebInfo
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- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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- G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
- G05D23/1919—Control of temperature characterised by the use of electric means characterised by the type of controller
- G05D23/1921—Control of temperature characterised by the use of electric means characterised by the type of controller using a thermal motor
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Description
Die Erfindung betrifft einen thermischen Stellantrieb gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein thermischer Stellantrieb dieser Gattung ist aus der CH-PS 368672 bekannt. Bei dem bekannten Stellderstand.
Zwar wird durch eine solche Anordnung des Heizelements eine optimale Wärmeübertragung zwischen
Heizelement und flüssigem Medium erreicht, jedoch nur solange, wie das Heizelement ganz oder doch
zumindest mit dem größten Teil seiner Oberfläche in das flüssige Medium eintaucht. Sinkt der Flüssigkeitsspiegel
im ersten Teilraum als Folge der erzeugten Dampfmenge, so wird die Übertragung von Wärmeenergie
von dem Heizelement auf das Medium immer schlechter, da dann nicht mehr die Flüssigkeit, sondern
das verdampfte Medium beheizt wird. Da die bewegliche Wand bei dem bekannten Stellantrieb als dünne
Membrane ausgebildet ist, überträgt sich die Wärme von dem in dem ersten Teilraum befindlichen Medium
auf das in dem zweiten Teilraum befindliche Medium. Dies bedingt eine unerwünscht starke Beeinflussung des
Stellantriebs durch Schwankungen der Umgebungstemperatur. Aufgrund der oben angesprochenen Volumenverhältnisse
des Mediums in dem ersten bzw. in dem zweiten Teilraum ist die Ansprechempfindlichkeit relativ
schwach.
In der CH-PS 4 79 809 ist der Vorschlag gemacht, der
Trägheit bekannter Stellantriebe dadurch zu begegnen, daß rasch ansprechende Heiz- bzw. Kühleinrichtungen
vorgesehen sind. Der Betrieb dieser Einrichtungen erfordert jedoch eine beträchtliche Energiemenge.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Stellantrieb der eingangs genannten Gattung
derart weiterzubilden, daß Ansprechgeschwindigkeit im Vergleich zum Stand der Technik erhöht wird
und außerdem eine Beeinflussung des Stellantriebs durch Schwankungen der Umgebungstemperatur weitestgehend
ausgeschaltet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst. Zunächst unterscheidet sich der erfindungsgemäße Stellantrieb von dem oben erläuterten,
gattungsgemäßen Stellantrieb gemäß der CH-PS
3 68 672 dadurch, daß der erste Teilraum von außen beheizt wird. Diese Maßnahme ist z. B. aus der CH-PS
4 79 809 für sich bekannt Außerdem sieht die Erfindung
vor, daß das flüssige Medium in dem ersten Teilraum nur einem Bruchteil des Mediums in dem zweiten Teilraum
entspricht. Durch diese Maßnahme wird ein sehr rasches Ansprechen des Stellantriebs erreicht.
Schließlich sieht die Erfindung vor, eine thermische Isolierung dadurch zu erreichen, daß die bewegliche
Wand aus thermisch isolierendem Material besteht. Durch diese Maßnahme wird der Wirkungsgrad der
Vorrichtung und gleichzeitig auch die Ansprechgeschwindigkeit weiter erhöht.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige
Figur zeigt einen schematischen Axialschnitt durch einen thermischen Stellantrieb.
Der dargestellte Stellantrieb 10 weist ein Gehäuse 11
auf, in dessen oberem Bereich eine aus zwei Schalen 12, 13 aufgebaute zylindrische Dose 14 angeordnet ist. In
der Dose 14 ist ein aus einem thermisch schlecht leitenden oder wärmeisolierenden Material hergestellter KoI-
ausgebildet, und die in dem ersten Teilraum der Dose befindliche Verdampfungsflüssigkeit hat annähernd das
doppelte Volumen der in dem zweiten Teilraum befindlichen Flüssigkeit, bei der es sich dort um Wasser handelt.
Die Beheizung des in dem ersten Teilraum befindlichen Mediums erfolgt gemäß der CH-PS 3 68 672 durch
einen in die Flüssigkeit eintauchenden elektrischen Wiucii jj yd SLiiicuum gciagci ι üuu gegen die liliicnwilllü
der Dose 14 mit einem Kolbenring 16 abgedichtet. Der Kolben 15 teilt somit den Innenraum der Dose 14 in
zwei Teilräume 17, 18. Beide Teilräume sind mit einem Medium, z. B. Trichlor-Fluormethan gefüllt, das bei normaler
Umgebungstemperatur flüssig und bei steigender Temperatur allmählich ganz in die Dampfphase übergeht.
In der dargestellten Stellung ist das Medium flüs-
3
sig, so daß der Rauminhalt des Teilraumes 17 nur einem Es ist zu beachten, daß zweckmäßig der Rauminhalt
kleinen Bruchteil des Rauminhaltes des Teilraumes 18 des — unbeheizten — Teilraumes 17 gerade so groß
entspricht gewählt wird, daß die darin vorhandene Menge des Me-
Der den Teilraum 17 überspannenden Schale 12, wel- diums ausreicht, um bei vollständiger Verdampfung den
ehe aus einem guten Wärmeleiter ist, ist einerseits eine 5 gewünschten Hub zu ergeben. Dieser Hub kann allenelektrische
Heizwicklung 19 und andererseits ein Satz falls durch Anschläge am Betätigungsglied 25 und/oder
Kühlbleche 20 zugeordnet Schlitze 21 im Gehäuse 11 am Kolben 15 begrenzt werden,
sorgen für eine Belüftung der Kühlbleche 20 durch die Der Raum zwischen der Schale 13 und der Trenn-
Umgebungsluft wand 23 kann mit einem Wärmeisoliermaterial 31 aus-
An der den Teilraum 18 umgebenden Schale 13 U i das 10 gefüllt sein, damit die Temperaturschwsnkungen untereine
Ende eines Verbindungsrohres 22 angeschlossen, worfenen Teile des Stellantriebes möglichst gut von
dessen anderes Ende dicht in einer fest im Gehäuse dessen übrigen Teilen thermisch isoliert sind,
verankerten Trennwand 23 verankert ist An der dem Besonders trägheitsarm arbeitet der Stellantrieb
Verbindungsrohr 22 abgekehrten Seite ist an der Trenn- dann, wenn der Bereich, in dem die Temperaturen im
wand 23 das eine Ende eines Faltenbalges 24 befestigt, 15 Teilraum 17 sich verändern erheblich über der normalen
an dessen anderem Ende mittels einer Scheibe 26 das Umgebungstemperatur liegt Dann nämlich erfolgt bei
obere Ende eines Betätigungsgliedes 25 befestigt ist einer Verminderung der Heizleistung die Abkühlung im
Das in der Form eines Stößels ausgebildete Betäti- Teilraum 17 erheblich schneller. So mag der normale
gungsglied ist durch eine nabenartige Durchführung 27 Temperaturbereich im Teilraum 17 zwischen 100 und
in der Mitte des das Gehäuse 11 abschließenden Bodens 20 ca. 180° C liegen. Zur Aufrechterhaltung solcher Tempe-28
herausgeführt und steht unter der Wirkung einer raturen im Teilraum 17 ist dank dessen geringem Raum-Rückholfeder
29, die das Bestreben hat, das Betäti- inhalt nur eine vergleichsweise geringe Heizleistung ergungsglied
25 in das Gehäuse Il zu drängen und damit forderlich,
den Faltenbalg 24 zusammenzudrücken. Der dargestellte Stellantrieb kann in beliebiger Lage
Der Faltenbalg 24 ist ebenfalls mit dem Medium ge- 25 montiert werden. Es versteht sich, daß anstelle des KoI-füllt
und steht über das Verbindungsrohr 22 mit dem bens 15 auch eine Membrane oder ein Faltenbalg ver-Teilraum
18 in Verbindung. wendet werden kann.
Wenn — wie im vorliegenden Fall — die auf den
Teilraum 18 wirksame Querschnittsfläche des Kolbens Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
15 gleich groß wie die wirksame Querschnittsfläche des 30
Faltenbalges 24 ist, dann ist das Übersetzungsverhältnis
zwischen den Hubbewegungen des Kolbens 15 und des Betätigungsgliedes 25 1:1.
Um in diesem Falle den Gleichlauf zwischen Kolben 15 und dem Betätigungsglied 25 möglichst hysteresefrei
zu halten, ist zwischen dem beweglichen Ende des Faltenbalges 24 und der dem Teilraum 18 zugekehrten Seite
des Kolbens 15 eine Abstandhalter-Stange 30 — z. B. aus Glas, aus einem rostfesten Stahl oder aus einem
anderen, eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Material — angeordnet, welche Stange 30 sich mit Spiel
durch das Verbindungsrohr 22 erstreckt
Wird der Heizwicklung 19 eine bestimmte Heizleistung — das Stellsignal — zugeführt, erhöht sich die
Temperatur der Schale 12 und somit im Teilraum 17 so lange, bis die von den Kühlblechen 20 abgeführte Wärme
der zugeführten Heizleistung entspricht. Durch diese Temperaturerhöhung verdampft ein Teil des Mediums
im Teilraum 17, und dadurch wird der Kolben 15 gegen die Wirkung der Feder 29 nach unten gedrückt.
Die Verdampfung des Fluidums im Teilraum 17 erfolgt dank dessen geringem Rauminhalt sehr rasch und hält
so lange an, bis das Gleichgewicht zu der mit der Verschiebung des Kolbens 15 nach unten einhergehenden
Druckzunahme im Teilraum 17 hergestellt wird.
Durch seine Abwärtsbewegung verdrängt der Kolben 15 aus dem Teilraum 18 Medium durch das Verbindungsrohr
22 hindurch und an der Stange 30 vorbei in den Faltenbalg 24, der sich dementsprechend ausdehnt
und seine Bewegung — wie gesagt — gegen die Wirkung der Feder 29 an das Betätigungsglied übertragt.
das seinerseits an ein nicht dargestelltes Stellglied, z.*B. ein Regelventil gekoppelt sein kann.
Erfährt die Zufuhr der Heizleistung eine Änderung, ändert sich die Temperatur im Teilraum 17 dementsprechend
und entweder entsteht mehr Dampf oder ein Teil des Dampfes kondensiert wieder bis das Gleichgewicht
Druck/Temperatur erneut hergestellt ist.
Claims (7)
1. Thermischer Stellantrieb, mit einer gekapselten Dose, die durch eine bewegliche Wand in zwei Teilräume
unterteilt ist, von denen der erste elektrisch beheizbar ist, um ein in ihm enthaltenes flüssiges
Medium in die Dampfphase zu überführen und durch diese Volumenänderung des Mediums die bewegliche
Wand zu verdrängen, während der zweite, mit Flüssigkeit gefüllte Teilraum hydraulisch über
eine Übertragungseinrichtung mit einem gegen die Wirkung einer Rückstellfeder verschiebbaren Stellglied
antriebsverbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rauminhalt des ersten von außen beheizbaren Teilraums (17) bei nur flüssigem
Medium einem kleinen Bruchteil des mit demselben Medium gefüllten, zweiten Teiiraums (18) entspricht
und daß die bewegliche Wand (15) aus einem thermisch isolierenden Material besteht, um die beiden
Teilräume (17,18) thermisch voneinander zu isolieren.
2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand durch einen Kolben
(15) gebildet ist.
3. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Verbindung des zweiten Teilraums mit dem Innenraum
eines mit dem Medium gefüllten hydraulischen Hubaggregates, welches mit einem Ende ortsfest abgestützt
ist und an dem anderen Ende an eine Stellspindel gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbindung durch eine Leitung (22) gebildet ist und das hydraulische Hubaggregat durch einen Faltenbalg
(24) gebildet ist.
4. Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem zweiten Teilraum (18) wirksame
Querschnittsfläche des Kolbens (15) gleich groß wie die wirksame Querschnittsfläche des Faltenbalgs
(24) ist.
5. Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das an die Stellspindel (25) gekoppelte
Ende des Faltenbalgs (24) über eine die Verbindungsleitung (22) mit Spiel durchsetzende Schubstange
an den Kolben (15) gekoppelt ist.
6. Stellantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstange (30) aus einem thermisch
isolierenden Material besteht
7. Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (22) und zumindest
ein Teil der den zweiten Teilraum (18) begrenzenden Wand der Dose (14) von einem Wärmeisoliermaterial
(31) umschlossen ist.
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