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Elektroventil
Elektroventile zur Steuerung des Durchflusses eines in Röhren fliessenden Mediums sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Da die zur Betätigung des Ventils zur Verfügung stehenden Kräfte verhältnismässig gering sind, müssen sie vor allen Dingen verhältnismässig reibungsarm zu betätigen sein. Es müssen also vor allen Dingen Stopfbuchsen, die eine grosse Reibung verursachen, vermieden werden. Bei stopfbuchsenlosen Elektroventilen erfolgt die Steuerung des Ventilverschlusses meist durch einen Elektromagneten, der auf einen Kern einwirkt, der seinerseits mit dem Ventilverschluss in Verbindung steht. Der Magnetkern ist meist durch eine Membran od. dgl. gegen das Medium abgedichtet. Er kann sich aber auch direkt im Medium befinden. Als nachteilig wird bei diesen Elektromagnetventilen empfunden, dass sie verhältnismässig geräuschvoll schalten.
Sowohl bei Ventilen mit abgedichtetem Magnetkern als auch bei solchen mit im Medium gelagerten Kern wird zur Ventilöffnung die bei Erregung der Magnetspule auftretende kinetische Energie des Magnetkernes ausgenützt. Es treten dabei erhebliche Schlaggeräusche auf.
Ausserdem machen sich Brummgeräusche der Magnetspule störend bemerkbar. Diese Ventile sind daher für Warmwasserheizanlagen in Wohnhäusern nicht brauchbar. Es sind zwar auch thermisch gesteuerte Ventile bekannt, die geräuscharm arbeiten, jedoch haben diese wieder andere Nachteile. Ein bekanntes Ventil dieser Art besitzt eine elektrothermische Steuereinrichtung, die sich in einem mit einem Ausdehnungmedium gefüllten Raum befindet. Die Ventilbetätigung erfolgt durch Volumenänderung des Mediums in der Weise, dass eine den Raum abschliessende Membran auf eine Ventilstange einwirkt, die das Ventil entweder öffnet oder schliesst. Ein derartiges Ventil ist nachteilig weil die Abkühlzeiten des Ausdehnung- mediums zu langsind. Zu lange AbkUhlzeitendes Ausdehnungsmediums bedeuten aber eine erhebliche Verzögerung des Steuervorganges.
Die Erfindung betrifft ein Elektroventil zur Steuerung des Durchflusses eines in Röhren strömenden Mediums. insbesondere für Warmwasserheizanlagen, mit einer elektrothermisch arbeitenden Steuereinrichtung, die in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten, durch eine Membran von dem das Medium enthaltenden Ventilraum getrennten Raum angeordnet ist und die eine die Membran durchsetzende, ein Verschlussorgan tragende Ventilstange steuert. Die erwähnten Nachteile werden erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass als elektrothermische Steuereinrichtung eine elektrisch beheizte Bimetallbatterie dient, die unmittelbar auf die Ventilstange einwirkt und einen bei Ventilöffnung die Bimetallheizung abschaltenden Kontakt betätigt.
Die Bimetallbatterie besteht aus vorgekrümmten, auf der konvexen Seite mit der aktiven Komponente versehenen Bimetallstreifen, die mit abwechselnder Krümmungsrichtung übereinander gestapelt sind. Die einzelnen Bimetalle sind mit Heizwicklungen versehen, die von einer zentralen Stelle, beispielsweise von einem Raumthermostaten, gesteuert werden. Zur Vermeidung von unerwünschten Nachlaufzeiten der Bimetallanordnung ist noch ein Zusatzbimetall vorgesehen, das ebenfalls mit dem Verschlussorgan zusammenwirkt.
Im folgenden wird an Hand der Zeichnungen die Erfindung näher erläutert, wobei Fig. l an einem Ausführungsbeispiel den konstruktiven Aufbau eines Elektroventils für Warmwasserheizanlagen zeigt, während in denFig. 2 - 4 verschiedene Schaltungsmöglichkeiten der Bimetallbeheizung angegeben sind. In Fig. 5 ist eine mit Mitteln zur Kompensation des Raumtemperatureinflusses versehene Anordnung wiedergegeben.
Das Ventil nach dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 besteht aus einem hohlzylindrischen Ventilkörper 1, der mit einem Zuflussrohr 2 und einem Abflussrohr 3 in Verbindung steht. Die Verbindungsöffnung
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zwischen Ventilkörper und Abflussrohr ist durch einen konisch gehaltenen Ventilteller 4 verschliessbar, der im geschlossenen Zustand auf einem entsprechend konisch ausgebildeten Rand der Öffnung aufsitzt. Der
Innenraum des Ventilkörpers wird durch eine Membran 5 unterteilt, so dass ein abgeschlossener Hohlraum
6 gebildet ist, der gegen das in den Röhren fliessende Heizwasser vollkommen abgedichtet ist. Der Hohl- raum 6 ist mit einer nicht leitenden Flüssigkeit, vorzugsweise Öl, gefüllt, die infolge ihrer Inkompressi- bilität den vom Heizwasser auf die Membran ausgeübten Druck ausgleicht.
Die Membran wird von einer mit dem Ventilteller 4 verbundenen Ventilstange 7 durchsetzt, die zur Abdichtung an der Durchführungs- stelle beiderseits der Membran gegeneinander verschraubte Muttern 8 trägt. Am oberen Ende der Ventil- stänge ist ein U-förmiger Bügel 7a angebracht, der zwischen seinen Schenkeln eine Bimetallbatterie 9 einschliesst. An den Schenkelenden des Bügels 7a ist ein Permanentmagnet 10 befestigt, an dem sich das obere Endbimetall der Batterie 9 anlegt. Das untere Endbimetall der Batterie stützt sich auf einem im
Ventilkörper 1 fest angebrachten Anschlag 11 ab. Die Bimetalle sind vorgekrümmt und besitzen auf ihrer konvexen'Seite ihre aktive Komponente. Sie sind mit abwechselnder Krümmungsrichtung übereinander gestapelt und tragen je eine Heizwicklung 12.
Die Heizwicklungsenden sind zu Anschlussklemmen 12a aus dem Ventilgehäuse herausgeführt. Im Inneren des Ventilkörpers ist noch ein weiteres Bimetall 13 ein- seitig fest angebracht, das mit einer Heizwicklung 14 versehen ist, die an Anschlussklemmen 15 liegt.
Zur Steuerung der Heizwicklung ist ein in Fig. 1 nicht dargestellter Raum-Thermostat vorgesehen. Die Heizwicklungen werden aber auch in Abhängigkeit von der Bewegung der Ventilstange über eine nur an- gedeutet Kontaktanordnung 16 gesteuert. Die Kontaktanordnung wird von dem am Ende des U-förmigen Bügels 7a angebrachten Permanentmagneten 10. der auf einen Anker 17 einwirkt, betätigt. Der Anker 17 ist über einen Eisenweg 20 mit dem einen Pol des Permanentmagneten in magnetisch gut leitender Verbindung. Je nachdem, wie die Bimetallheizungen geschaltet sind, ist die Kontaktanordnung verschieden ausgebildet. Die Schaltungsmöglichkeiten der Bimetallbeheizungen werden an Hand der Fig. 2 - 4 näher erläutert.
An der Betätigungsstange 7 ist noch eine Nase 18 fest angebracht, die mit einer am freien Ende des Bimetallstreifens 13 befindlichen schwenkbaren Klinke19 zusammenwirkt. Die Klinke 19 ist im Weg der Nases angeordnet und sie blockiert die Aufwärtsbewegung der Betätigungsstange 7 nicht, jedoch hindert sie den Rückfall.
Bei der Schaltung nach Fig. 2 stehen die Bimetallheizungen 12 und 14 für die Bimetallbatterie 9 bzw. für das Verklinkungsbimetall 13 (s. auch Fig. 1) mit dem einen Netzanschluss 23 in Verbindung.
Über die Kontaktanordnung 16 und den Ein-Aus-Schalter eines Thermostaten 21 ist der Stromkreis für die Heizwicklungen zum andern Netzanschluss 22 zurückgeführt. Die Kontaktanordnung 16 ist hiebei so ausgebildet, dass jeweils immer nur eine der beiden Heizungen 12 oder 14 an Spannung liegen kann. Die Einschaltung der Heizwicklung 12 erfolgt über den temperaturabhängig gesteuerten Schalter des Raumthermo- staten. Die dargestellte Stellung des Kontaktes 16 ist die Normalstellung bei geschlossenem Ventil.
Die Einschaltung der Heizung 12 erfolgt, wenn der Raumthermostat seinen Kontakt in Einschaltstellung bringt. Die Heizung 12 erhält hiedurch Spannung und erwärmt die Bimetalle 9, die sich dadurch so weit verkrümmen, dass sie über den Bügel 7a und die Ventilstange 7 den Ventilteller 4 anheben. Das untere Endbimetall stützt sich dabei auf dem Anschlag 11 ab, während das obere Endbimetall gegen den Permanentmagneten 10 drückt. Bei der Aufwärtsbewegung gleitet die Nase 18 der Ventilstange über die Klinke 19 hinweg, die sich dabei anhebt und nach dem Vorbeigleiten der Nase 18 wieder zurückfällt. Bei der Aufwärtsbewegung des Ventiltellers nähert sich der Permanentmagnet 10 dem Anker 17 soweit, dass dieser schliesslich angezogen wird und eine Umschaltung der Kontaktanordnung 16 vornimmt.
Durch die Umschaltung der Kontaktanordnung wird die Heizung 12 ausgeschaltet und es wird die Einschaltung der Heizung 14 vorbereitet. Inzwischen tritt eine allmähliche Abkühlung der Bimetalle 9 ein, die bewirkt, dass sich der Ventilteller entweder unter Einwirkung der Schwerkraft oder einer nicht darge- stellten Rückführfeder wieder senkt. Ein Verschluss der Ventilöffnung kann jedoch noch nicht eintreten, da die Nase 18 an der Klinke 19 verrastet ist. Inzwischen ist durch den ungehinderten Durchfluss des Heizwassers eine Erwärmung des zu beheizenden Raumes eingetreten, so dass der Raumthermostat schliesslich seinen Schalter in die Aus-Stellung überführt, wodurch die Heizung 14 an Spannung gelegt wird.
Die Heizung 14 erwärmt den Bimetallstreifen 13, der sich infolge seiner verhältnismässig kleinen Dimensionierung mit seinem Klinkenende schnell von der Nase 18 fortkrümmt, so dass innerhalb kürzester Zeit die Verklinkung der Ventilstange 7 aufgehoben ist. Der Ventilteller kann dann sofort die Durchflussöffnung verschliessen, so dass ein weiterer Durchfluss des Heizwassers verhindert ist. Durch das Rückfallen des Ventiltellers wird die Kraftwirkung auf den Anker 17 so gering, dass auch die Kontaktanordnung 16 wieder in die gezeichnete Lage zurückspringt. Bei erneutem Einschaltbefehl durch den Thermostaten wiederholt sich das Spiel von neuem.
Durch die von der Heizung 14 gesteuerte Verklinkungsanordnung wird die uner-
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wünsche Nachlaufzeit verkürzt, d. h., es erfolgt unmittelbar kurz nach dem Ausschaltbefehl des Thermo- staten auch wirklich der Verschluss der Ventilöffnung.
Bei der Schaltung nach Fig. 3 werden die Heizungen 12 und 14, die parallelgeschaltet sind, bei ge- schlossenem Thermostatenschalter gleichzeitig beheizt. Das Bimetall 13 muss deshalb so im Ventilkörper angeordnet sein, dass es bei Beheizung zur Ventilstange hin auslenkt. Bei Beheizung der Bimetalle 9 er- folgt die Ventilöffnung wieder in der angegebenen Weise, wobei jetzt bei Betätigung des Kontaktes 16 nur die Heizung 12 abgeschaltet wird, während die Heizung 14 an Spannung bleibt. Die Bimetalle 9 kühlen sich soweit ab, dass sie ihre Ausgangslage wieder erreicht haben, wenn der Thermostat 21 den Aus- schaltbefehl gibt. Dann wird auch die Heizung 14 spannungslos, so dass sich der Bimetallstreifen 13 wie- der strecken und damit die Ventilstange 7 freigeben kann.
Die Abkühlung des Bimetalls 13 geht sehr schnell vor sich, so dass unmittelbar nach dem Ausschaltbefehl die Ventilschliessung erfolgt.
Bei Verwendung einer Schaltung nach Fig. 4 ist eine Kontaktanordnung 16 überflüssig. Hiebei erfolgt die Umschaltung der Heizwicklungen 12, 14 vom Thermostaten aus, der in Ausschaltstellung die Heizung
14 und in Einschaltstellung die Heizung 12 an Spannung legt. Das Ventil muss hiebei so ausgebildet sein, dass die Ventilstange nach Erreichen einer bestimmten Stellung vom Antrieb der Bimetalle 9 entklinkt wird, so dass sie auch bei Weiterbeheizung der Bimetalle mit ihrer Nase 18 auf die Klinke 19 zurückfällt.
Die Entklinkung wird dann beim Ausschaltbefehl des Raumthermostaten durch die Beheizung des Bimetallstreifens 13 gelöst.
Bei dem Ventil nach Fig. 5 sind nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Teile dargestellt.
Die der Anordnung nach Fig. l entsprechenden Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Ventil besteht genau wie das nach Fig. 1 aus einem Ventilkörper l, der mit einem Zuflussrohr 2 und einem Abflussrohr 3 für das Heizwasser in Verbindung steht. Die Verbindungsöffnung zwischen Ventilkörper und Abflussrohr ist durch einen konisch gehaltenen Ventilteller 4 verschliessbar, der im geschlossenen Zustand auf einem ebenfalls konisch ausgebildeten Rand der Öffnung aufsitzt. Oberhalb des Zuflussrohres 2 ist in dem Ventilkörper eine Membran 5 angebracht, die den oberen Ventilraum 6 gegen den vom Heizwasser eingenommenen Raum abschliesst.
Der Raum ti ist mit einer nichtleitenden Flüssigkeit, vorzugsweise 01, gefüllt, die infolge ihrer Inkompressibilität den vom Heizwasser auf die Membran ausgeübten Druck ausgleicht. Die Membran wird von einer mit dem Ventilteller 4 verbundenen Ventilstange 7 durchsetzt. An dem oberen Teil der Ventilstange sitzt ein U-förmiger Bügel 28, der zwischen seinen Schenkeln eine aus den Bimetallen 29 bestehende Bimetallbatterie einschliesst. Die Bimetalle der Batterie sind in Parallelanordnung übereinander gestapelt, wobei abwechselnd die aktive Seite einmal nach oben und zum andern Male nach unten gerichtet ist.
Die Bimetalle ragen mit ihren Enden in Führungen 31, 32 des Ventilkörpers und das untere Bimetall liegt auf einer sich zwischen den Schenkeln des Bügels 28 hindurchstreckenden, mit dem Ventilkörper fest verbundenen Brücke 30 auf. Die Bimetalle der Batterie sind abwechselnd einmal in der Mitte und zum andern Mal an den Enden mit Hilfe von Zwischenstücken 40 auf Abstand gehalten. Das obere Bimetall der Batterie wird von einem Bügel 33 umfasst, der über die Schenkel des Bügels 28 greift und an seinen Schenkeln geschlitzt ausgeführt ist. Die eine Kante der Schlitze der Schenkel ist jeweils mit einer Zahnung 34 versehen. In gleicher Ebene mit den Schenkeln des Bügels 33 sind auf den Schenkeln des Bügels 28 Zahnstangen 35 angebracht, die sich an federnden Trägern 36 befinden, die ihrerseits an den Stellen 37 an dem Bügel 28 befestigt sind.
Die Zahnstangen 35 stehen über ein Betätigungsglied 38 mit einem Bimetall 39 in Verbindung.
Die Bimetalle der Batterie sind in nicht dargestellter Weise mit Heizwicklungen versehen, die ebenso wie die Heizwicklung 41 des Bimetalls 39 durch einen nicht dargestellten Raumthermostaten gesteuert werden. Durch den Raumthermostaten werden die Heizungen an Spannung gelegt, wenn der mit der Warmwasserheizanlage ausgerüstete Raum stärker erwärmt, d. h. Heizwasser durch die Heizkörper geschickt werden soll. Durch Beheizung des Bimetalls 39 lenkt sich dieses in Richtung des Pfeiles 42 aus, so dass es über die Betätigungsstange 38 auf die Zahnstangen 35 drückt, die mit den gezahnten Kanten 34 des Bügels 33 in Eingriff gebracht werden. Das Bimetall 39 ist wesentlich schwächer als die Bimetalle 29 ausgelegt, so dass der Eingriff der Zahnstangen 35 in die Zahnung 34 bereits erfolgt ist, wenn die Bimetalle 29 sich auszulenken beginnen.
Durch die Kupplung über die Zahnung 34,35 ist der Bügel 28 mit dem Bü- gel 33 zu einer festen Einheit verbunden, so dass bei Auswölbung der Bimetalle 29 mit dem Bügel 33 auch der Bügel 28 und damit über die Ventilstange 7 der Ventilteller 4 angehoben wird. Bei ausreichendem Hub des Ventiltellers wird dieser von einer nicht dargestellten Verklinkung gehalten, während die Heizungen der Bimetalle 29 und 39 über einen Unterbrecher spannungslos werden. Kommt vom Raumthermostaten der Ausschaltbefehl, so wird die Verklinkung gelöst, wodurch der Unterteil des Bügels mit seinem Ventilteller den Durchfluss im Ventil unterbricht.
Der Oberteil des Bügels fällt auf die Bimetalle 29, die sich
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wegen ihrer grossen Wärmekapazität nur langsam abkühlen und unter Umständen bei erneutem öffnung- befehl noch nicht wieder die ursprüngliche Lage erreicht haben. Dies spielt aber keine Rolle, da auch dann die Verrastung der beiden Bügel 28 und 33 stattfindet und bei erneuter Beheizung der Bimetalle 29 der Hub des Ventiltellers einsetzt. Der Abstand zwischen den Zahnstangen 35 und der Zahnung der Schenkel des Bügels 33 ist so bemessen, dass der Eingriff nur stattfinden kann, wenn das Bimetall 39 durch seine
Heizwicklung erwärmt wird. Raumtemperatureinflüsse können die Zahnstangen nicht in Eingriff mit der
Zahnung 34 bringen.
Es kann daher auch die Raumtemperatur, deren Wirkung sich bei der Bimetallbatterie wegen der Übereinanderschichtung der Bimetalle addiert, an dem Ventilteller nicht wirksam werden, da bei Auslenkung der Bimetalle nur der Bügel 33 angehoben wird, während der Bügel 28 in seiner Lage ver- bleibt. Die Kopplung zwischen den beiden Bügeln erfolgt erst wieder, wenn die Heizung 41 des Bimetalls
39 eingeschaltet wird.
Selbstverständlich sind noch Variationsmöglichkeiten bezüglich des konstruktiven Aufbaues und der
Schaltung des Ventils möglich. So ist es beispielsweise zweckmässig, das Ventil so auszubilden, dass es auch von Hand betätigt werden kann. Weiterhin muss es eine Voreinstellmöglichkeit besitzen, durch die der Durchflussspalt am Ventilteller variiert werden kann. Auch bezüglich der Ausbildung der Bimetallbatterie können verschiedene Wege beschritten werden. Es können an Stelle der in der beschriebenen Weise vorgekrümmten Streifen auch anders gestaltet und anders kombinierte verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektroventil zur Steuerung des Durchflusses eines in Röhren strömenden Mediums, insbesondere für Warmwasserheizanlagen, mit einer elektrothermisch arbeitenden Steuereinrichtung, die in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten, durch eine Membran von dem das Medium enthaltenden Ventilraum getrennten Raum angeordnet ist und die eine die Membran durchsetzende, ein Verschlussorgan tragende Ventilstange steuert, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrothermische Steuereinrichtung eine elektrisch beheizte Bimetällbatterie dient, die unmittelbar auf die Ventilstange einwirkt und einen bei Ventilöffnung die Bimetallheizung abschaltenden Kontakt betätigt.