CH617988A5 - Adjusting valve with pneumatic auxiliary drive, in particular for regulating a space-heating system and/or a cooling system - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stellventil mit pneumatischem s0 ffilfsantrieb, insbesondere zum Regulieren einer Raumheizung and/oder -kühlung, bei dem ein pneumatischer Druck gegen die Kraft einer Feder über ein Stellelement und eine Spindel auf den Verschlusskörper des Ventils einwirkt.

Pneumatische Antriebe der genannten Art sind bisher so ss aufgebaut, dass die Stellkraft des pneumatischen Drucks, in Längs- oder Achsrichtung der Ventilspindel wirkend, gegen die Gegenkraft einer Feder den Öffnungsquerschnitt des Ventils einstellt und verändert. Das hat zur Folge, dass das pneumatisch betätigte Element, beispielsweise eine Membran oder 60 sin Kolben und der Ventilteller den gleichen Hub haben. Bei kleinen Ventilen, z.B . Radiatorventilen von Raumheizungsanlagen, ergeben sich in der Dimensionierung des Antriebs und der zugehörigen Rückstellfeder dabei Schwierigkeiten, denn bei derartigen Ventilen soll die Membranfläche, auf der der pneu- 6S matische Druck lastet, möglichst gross sein, um den Einfluss des variablen Pumpendruckes auf das Ventil möglichst gering zu halten . In Verbindung mit dem zu verarbeitenden Steuerdruckbereich, der beispielsweise 1 bar beträgt, ergeben sich dadurch relativ grosse Kräfte, denen mit der Rückstellfeder entgegengewirkt werden muss. Bei kleinen Hüben für das öffnen und Schliessen des Ventils folgen daraus Feder-Charakteristiken, die konstruktiv nicht zu beherrschen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Kraft-Weg-Verhältnis derartiger Ventilantriebe so zu beeinflussen und zu verändern, dass materialseitig und konstruktiv, d. h. in bezug auf die Abmessungen, eine geeignete Auslegung der Rückstellfeder erreicht wird.

Mit der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Bewegungsrichtung des vom Druckmedium betätigten Stellelements und die Bewegungsrichtung der Spindel einen Winkel miteinander bilden, und dass das Stellelement ein vom Druckmedium gegen die Feder verschiebbarer Zwischenkörper ist, der eine in bezug auf seine Bewegungsrichtung schiefe Fläche aufweist, mittels welcher der Zwischenkörper die Verstellung der Spindel bewirkt. Der genannte Winkel beträgt dabei vorteilhafterweise 90°. Mit Vorteil kann darüber hinaus die Vorspannung der gegen das Druckmedium wirkenden Feder einstellbar sein.

Mit der neuen Konstruktion kann der direkte Zusammenhang zwischen dem Hub des Ventilkörpers und demjenigen des pneumatisch bewegten Elements aufgehoben werden. Der Pneumatik kann dadurch ein den Steuerdruckbereich überbrückender Weg zugeordnet werden, der ein Vielfaches des Ventilhubes beträgt. Durch den Steigungswinkel der schiefen Fläche kann weiterhin beispielsweise dieses Vielfache in relativ weiten Grenzen variiert werden; dabei wird gleichzeitig die Stellkraft, die auf das Element wirkt, um das gleiche Vielfache geringer, wodurch auch die pro Wegeinheit des pneumatischen Stellelementes benötigte Rückstellkraft der gegen dieses Element wirkenden Feder entsprechend geringer wird, so dass diese eine beherrschbare Charakteristik aufweist.

Ein weiterer Vorteil der schiefen Fläche besteht darin, dass der Tangens ihres Steigungswinkels im allgemeinen geringer ist als der Reibungskoeffizient zwischen den verwendeten Werkstoffen; damit kann erreicht werden, dass Schwankungen des Pumpendruckes nicht mehr als Hubänderungen in Erscheinung treten. Mit der neuen Konstruktion ist es darüber hinaus möglich, dass bei Auswahl von unterschiedlichen Rückstellfedern für das pneumatische Element und durch Verwendung von Zwischenkörpern, bei denen die Steigungen der schiefen Flächen in entgegengesetzten Richtungen verlaufen, die gleiche Antriebskonstruktion für verschieden grosse, wirksame Steuerdruckbereiche und auch für die beiden Steuerrichtungen («drucklos — zu» und «drucklos — auf») zu verwenden.

Bei den bisher verwendeten Antrieben der genannten Art besteht ein linear proportionaler Zusammenhang zwischen dem Steuerdruck und dem Hub des Ventils. Daraus können sich schlechte Regulierungen ergeben, weil unprofilierte Ventilkegel mit kleinen Hüben eine schlechte Durchfluss-Charak-teristik haben, d. h. bei einem relativ kleinen Hub bereits ein grosses Volumen durch die Ventilöffnung fliesst.

Dieser Nachteil kann mit der neuen Konstruktion ebenfalls behoben werden, wenn die schiefe Fläche ein von einer schiefen Ebene abweichendes Profil aufweist, da der Ventilhub zum Steuerdruck in diesem Fall nicht proportional verläuft, sondern ein nicht linearer Zusammenhang zwischen beiden besteht; z.B. kann die schiefe Fläche so gestaltet sein, dass Steuerdruck und Leistungsabgabe am Ventil um den gleichen Prozentsatz zu- oder abnehmen.

Die Umsetzung der Bewegung des Zwischenkörpers in die Bewegung der Ventilspindel kann mit Vorteil konstruktiv so gelöst werden, dass der Zwischenkörper in Richtung seiner Achse verschiebbar auf einer Führungshülse gelagert ist, wobei mit Vorteil zwischen dem Zwischenkörper und der Ventilspindel für die Kraftübertragung eine Kugel vorgesehen ist, was

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z.B. die Übertragung der Stellkraft der auf die und in Richtung der Ventilspindel in Öffnungsrichtung des Ventils wirkenden Feder verbessert.

Darüber hinaus kann eine konstruktiv einfache Lösung für einen neuen Antrieb erzielt werden, wenn die Druckleitung für das Druckmedium an ein vom Ventilgehäuse getrenntes Gehäuse angeschlossen ist, in dem der Zwischenkörper enthalten ist und dass dieses separate Gehäuse an einer Seite von der Führungshülse für den Zwischenkörper abgeschlossen ist; eine zweckmässige Lösung für die Befestigung des getrennten Gehäuses auf dem Ventilgehäuse kann darin bestehen, dass das Gehäuse einen Ansatz für die Befestigung auf dem Ventilgehäuse aufweist und dass der Ansatz an seinem freien Ende abgeschrägt ist und zwecks Verbindung mit dem Ventilgehäuse von einer Überwurfmutter gehalten ist. Schliesslich kann es vorteilhaft sein, wenn zwischen der Überwurfmutter und dem freien Ende des Einsatzes ein Sprengring eingelegt ist, der bei auf dem Ventilgehäuse montierten separaten Gehäuse durch die Überwurfmutter in eine Umfangsnut des Ventilgehäuses gepresst ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit einem Radiatorventil einer nicht weiter dargestellten Warmwasserheizungsanlage;

Fig. 2 und 3 sind Zwischenkörper, mit denen ein nicht linearer Zusammenhang zwischen Steuerdruck und Leistungsabgabe des Heizungskörpers'erreicht wird, wobei der Körper nach Fig. 2 - wie derjenige in Fig. 1 - für Ventile «drucklos -auf» dient, während die Form der schiefen Fläche des Heizungskörpers nach Fig. 3 in Richtung «drucklos - zu» arbeitet;

Fig. 4 schliesslich gibt ein Detail A aus Fig. 1 in grösserem Masstab wieder.

Das Gehäuse 1 (Fig. 1) des als Eckventil ausgebildeten Ventils hat je einen Leitungsanschluss 2 und 3 für den Anschluss einer Zu- und Wegführleitung für den durch das Ventil gesteuerten Wasserfluss. Zwischen beiden Anschlüssen 2 und 3 ist im Gehäuse 1 ein Ventilsitz 4 angeordnet, der mit dem, vorzugsweise aus einem elastischen Material, z.B. aus Hartgummi, bestehenden Ventilkegel 5 zusammenwirkt. In diesen ist eine Stützplatte 6 eingelegt und gemeinsam mit dem Kegel 5 von einem Ventilstössel 7 gehalten.

Der Stössel 7 ist axial verschiebbar in einen, das Ventilgehäuse 1 nach oben abschliessenden, becherförmigen Einsatzkörper 8 eingeschoben, der seinerseits mit einem Aussengewinde in ein entsprechendes Innengewinde des Gehäuses 1 eingeschraubt ist. Der Stössel 7 ist an seinem oberen Ende ebenfalls als Becher ausgebildet und wird von einer sich im Einsatz 8 abstützenden Feder 10 nach oben, gegen das untere, in den Becher des Stössels 7 eingreifende Ende einer Spindel 12 gedrückt.

Die Spindel 12, auf die von oben - wie noch beschrieben wird - die Stellkraft des Hilfsantriebes einwirkt, ist in einer O-Ring-Buchse 13 geführt, in der sich zur Abdichtung eines Wasser enthaltenden Raumes 9 des Ventils nach aussen ein O-Ring 14 befindet, der dichtend gegen die Spindel 12 anliegt. Zwischen dieser O-Ring-Buchse 13 und dem Stössel 7 ist auf die Spindel 12 ein Seegerring 11 aufgeschoben, der einem gewaltsamen Herausziehen oder Herausdrücken der Spindel 12 entgegenwirkt.

Der den O-Ring aufnehmende Raum 15 ist gegen den Raum 9 des Ventils durch eine ebenfalls mit Wasser gefüllte Ringkammer 17 abgeschlossen, wobei die in der Kammer 17 enthaltene Wassermenge vom Durchflusswasser getrennt ist. Die Kammer 17 ist mit ihrem Aussendurchmesser in den

Innenhohlraum der Buchse 13 eingepasst und in dieser durch Verstemmen gehalten. Der stationär bleibenden Wasserfüllung der Ringkammer 17 kann als Schmiermittel für das durch sie gleitende Schaftstück 12 in bekannter Weise ein Fett zugesetzt sein.

Der Stellhub des Ventils erfolgt mittels eines pneumatischen Hilfsantriebs 20, der in einem eigenen Gehäuse 21 untergebracht ist, das seinerseits auf das Ventilgehäuse 1 aufgesetzt ist.

Für die Montage auf dem Gehäuse 1 besitzt das Antriebsgehäuse 21 einen zu seiner Längsachse rechtwinkligen Ansatz 22, der sich auf der oberen Aussenkante 23 (Fig. 4) des den Einsatzkörper 8 aufnehmenden Teils des Gehäuses 1 abstützt. Das untere, über die Kante 23 hinausragende Ende des Ansatzes 22 endet in einer unter 45° abgeschrägten Fläche 24, die zusammen mit einer ebenfalls abgeschrägten Flanke 25 einer am äusseren Durchmesser des Gehäuses 1 verlaufenden Ringnut 26 einen Hohlraum 27 bildet (Fig. 4). In diesen ist ein Sprengring 28 eingelegt, der beim Anziehen einer auf den Ansatz 22 aufgeschraubten Überwurfmutter 29 gegen die Flanken 24 und 25 gepresst wird, wobei durch die Schräge der Fläche 24 eine nach innen gerichtete Kraft ausgeübt wird, die an der Fläche 25 eine Klemmwirkung hervorruft; durch diese wird das Gehäuse 21 fest auf dem Gehäuse 1 gehalten.

Der im wesentlichen zylindrische Mantel des Antriebsgehäuses 21, der mit seiner Längsachse horizontal und in einem Winkel von 90° zur Hubrichtung des Ventils angeordnet ist, ist an seiner rechten Stirnseite durch einen Anschlussdeckel 30 für den Anschluss einer Druckleitung 31 für das den Steuerdruck liefernde, nicht weiter dargestellte pneumatische System abgeschlossen. Der vom Steuerdruck erfüllte Raum 32 im Innern des Anschlusstücks 30 und des Gehäuses 21 ist durch eine Rollmembran 33 gegen den restlichen Innenraum 34 des Gehäuses 21 abgedichtet; die Rollmembran 33 liegt auf einem Absatz des Gehäusemantels auf und wird von dem Anschlussstück 30 gehalten.

Im Innenraum 34 ist in Richtung der Längsachse des Gehäuses 21 auf einer Hülse 36 verschiebbar ein Zwischenkörper oder Steuerkolben 35 vorhanden. Die Hülse 36 ist Teil eines stirnseitigen Deckels 37, der von links in den Gehäusemantel eingeschraubt wird. Im Innern der Hülse 36 befindet sich eine Rückstellfeder 38, die den Zwischenkörper 35 gegen die Rollmembran 33 drückt und dem Steuerdruck das Gleichgewicht hält. Eine in eine zentrale Bohrung des Deckels 37 einschraubbare Stellschraube 39 ërlaubt die Vorspannung der Feder 38 und damit den Steuerdruckbereich, in dem das Ventü arbeitet, in gewissen Grenzen einzustellen.

Die äussere Mantelfläche 40 des Zwischenkörpers 35 ist die gegen seine in Längsrichtung erfolgende Bewegung schiefe Fläche und besteht im einfachsten Falle aus einem zylindrischen Konus, d. h. im Querschnitt aus einer schiefen Ebene. Diese Fläche überträgt über eine Kugel 41, die in einer Bohrung 42 des Gehäusemantels 21 verschiebbar gelagert ist, den durch den Steuerdruck hervorgerufenen Weg des Zwischenkörpers 35 auf die rechtwinklig zu diesem bewegte Ventilspindel 12 und bewirkt damit den Hub des Ventilkörpers 5. Die Steigung der Fläche 40 bestimmt dabei, in welchem Masse der Ventilhub relativ zum Weg des Körpers 35 vergrössert wird, wobei der Ventilhub pro Weglänge des Zwischenkörpers um so grösser ist, je stärker die schiefe Ebene 40 gegen die Bewegungsrichtung des Körpers 35 geneigt ist.

Unter Umständen ergibt ein einfacher linearer Zusammenhang zwischen dem Ventilhub und dem Steuerdruck ungünstige Regulierungen für die vom Heizkörper abgegebene Leistung, weil mit unprofilierten Kegelflächen des Ventilkörpers 5 bei einem relativ Meinen Hub bereits eine grosse Ventilöffnung vorhanden ist. Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, ist es möglich, die Fläche 40 am Körper 35 abweichend von der

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Ebene zu profilieren. Derartige profilierte Zwischenkörper 35 zeigen Fig. 2 und 3, bei denen das Profil der Fläche 40 im Querschnitt so gewählt ist, dass die Sollwertabweichung des Steuerdrucks in Prozenten gleich der prozentualen Leistungsabgabe am Heizkörper ist, d. h. zum Beispiel, dass bei einer s Sollwertabweichung des Steuerdrucks von 50% der Heizkörper die Hälfte seiner maximalen Heizleistung abgibt. Wie bereits erwähnt, bewirkt ein Zwischenkörper 35 gemäss Fig. 2 dabei eine Ventilcharakteristik, bei der bei Ausfall des Steuerdrucks das Ventil geöffnet ist, während der Körper 35 nach xo Fig. 3 ein umgekehrtes Verhalten - also bei Ausfall des Steuerdrucks ein Schliessen des Ventils — auslösst.

Der abnehmbare Deckel 37 erlaubt darüber hinaus einen Austausch der Feder 38 und des Zwischenkörpers 35. Damit wird ermöglicht, mit Hilfe einer anderen Feder 38 den Steuerdruckbereich, in dem das Ventil arbeitet, zu erweitern oder zu verlegen, d. h. zum Beispiel für diesen Bereich einmal 0,2 bis 0,6 bar oder ein anderes Mal 0,2 bis 1,0 bzw. 0,6 bis 1,0 bar zu wählen. Durch einen Austausch des Körpers 35 ist es möglich, den vorstehend geschilderten Zusammenhang zwischen Steuerdruck und Leistungsabgabe des Heizkörpers zu verändern und/oder z.B. das System von «drucklos - zu» umzustellen auf «drucklos - auf».

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

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1. Stellventil mit pneumatischem Hilfsantrieb, insbesondere zum Regulieren einer Raumheizung und/oder -kühlung, bei dem ein pneumatischer Druck gegen die Kraft einer Feder

über ein Stellelement und eine Spindel auf den Verschlusskör- s per des Ventils einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung des vom Druckmedium betätigten Stellelementes (35) und die Bewegungsrichtung der Spindel (12)

einen Winkel miteinander bilden, und dass das Stellelement (36) ein vom Druckmedium gegen die Feder (38) verschieb- io barer Zwischenkörper ist, der eine in bezug auf seine Bewegungsrichtung schiefe Fläche (40) aufweist, mittels welcher der Zwischenkörper die Verstellung der Spindel (12) bewirkt.

2. Stellventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der genannte Winkel mindestens annähernd 90° beträgt, is

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PATENTANSPRÜCHE

3. Stellventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Vorspannung der gegen das Druckmedium wirkenden Feder (38) einstellbar ist.

4. Stellventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass zwischen dem Zwischenkörper (35) und der Ventilspindel 20 (12) für die Kraftübertragung eine Kugel (41) vorgesehen ist.

5. Stellventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der Zwischenkörper (35) in Richtung seiner Achse verschiebbar auf einer Führungshülse (36) gelagert ist.

6. Stellventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 2s dass die schiefe Fläche (40) ein von einer schiefen Ebene abweichendes Profil aufweist.

7. Stellventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

dass eine Druckleitung (31) für das Druckmedium an ein vom Ventilgehäuse (1) getrenntes Gehäuse (21) angeschlossen ist, 30 in dem der Zwischenkörper (35) enthalten ist, und dass dieses separate Gehäuse an einer Seite von der Führungshülse (36)

für den Zwischenkörper (35) abgeschlossen ist.

8. Stellventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

dass das Gehäuse (21) einen Ansatz (22) für seine Befestigung 35 auf dem Ventilgehäuse (1) aufweist, und dass der Ansatz (22) an seinem freien Ende (24) abgeschrägt ist und zwecks Verbindung mit dem Ventilgehäuse (1) von einer Überwurfmutter (29) gehalten ist.

9. Stellventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 40 dass zwischen der Überwurfmutter (29) und dem freien Ende (24) des Ansatzes (22) ein Sprengring (28) eingelegt ist, der bei auf dem Ventilgehäuse (1) montierten Gehäuse (21) durch die Überwurfmutter (29) in eine Nut (26) am äusseren Umfang des Ventilgehäuses (1) gepresst ist. «