CN101939716A - 恒温阀致动器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于热水供暖设备(1)的恒温阀致动器(11)，此恒温阀致动器包括依赖于温度变化的控制元件(15、16)、操纵元件(13)和影响装置(23)，影响装置(23)对控制元件(15、16)的控制特性产生影响。影响装置(23)借助弹性的耦合装置(26)来影响控制元件(15、16)的控制特性。此影响装置(23)可具有弹簧装置、电动机、测力传感器、电子控制器和数字显示装置。

Description

恒温阀致动器

技术领域

本发明涉及一种用于设备的恒温阀致动器，尤其是用于热水供暖设备的恒温阀致动器，特别是用于家庭用加热装置的恒温阀致动器，此恒温阀致动器包括：控制元件，它依赖于温度进行变化；操纵元件，它利用控制元件的变化来控制设备；以及至少一个影响装置，它对控制元件的控制特性产生影响。

背景技术

恒温阀致动器(例如恒温阀执行器)的作用是，在一个空间中借助加热体或加热面达到预定的额定温度。在这种恒温阀执行器中，借控制元件来获知房间中的温度，加热体位于此房间中。此控制元件依赖于温度进行变化。控制元件的依赖于温度的变化转换成操纵元件的机械运动，此操纵元件再次操纵加热体阀的推杆。通常，加热体阀阻塞得越紧，则加热体阀的推杆逆着阀门弹簧的弹力插得越远。恒温阀执行器现有最常用的构造形式是，应用控制元件，此控制元件用填充物填满，它的体积随温度的变化而变化。此体积变化转换成操纵元件的机械运动。

这种恒温阀执行器已使用了很长时间且运行情况令人满意。随着能源价格的上涨、环境意识的增强以及舒适度要求的增加，近年来要求改变恒温器元件和操纵元件之间的有效关联，例如在夜晚降低的框架中把预定的温度额定值降至更低的数值。在许多情况下，室温的额定值在夜晚降低例如4℃就足够了，因为绝缘良好的房子在夜晚丧失2至3℃的温度。

这种恒温阀执行器例如由EP 1033638A1已知。在该处描述了一种具有控制器的恒温阀执行器，此控制器改变了恒温器元件和操纵元件之间的有效关联。电动机在此通过齿轮传动装置作用在心轴上。此心轴改变了操纵元件的长度，此操纵元件设置在温度可变化的控制元件和加热体的推杆之间。

在DE 3153654C2中描述了另一种恒温阀执行器。在此，在恒温器的推杆和加热体的推杆之间插入长度可改变的中间部件，此中间部件由椭圆的薄片构成。此椭圆薄片在一个方向上的直径比在扭转90°的方向上的直径更大。此薄片漂浮地支承在十字接头上，此十字接头自身通过传动机构由电动机进行驱动。在此还可直接改变起效的操纵元件的长度，此操纵元件调整控制元件和加热体的操纵销之间的力。

在DE 3821813C1中描述了另一种恒温阀执行器。在此恒温阀执行器中控制元件构成为空腔，此空腔用液体填充，它的容积依赖于环境温度进行变化。由于容积的变化，借助波纹元件与中空体相耦合的操纵元件会移动。为了影响控制元件的控制特性，设置了活塞-汽缸结构，它与填有液体的空腔处于流体连接。由于活塞在汽缸中的移动，可扩大或缩小中空体的有效容积。

但是，恒温阀致动器现在不仅以恒温阀执行器的形式用于空间加热体，而是也可用在供暖设备的不同位置上。例如，恒温阀致动器也结合热交换器来用，其中热量从供暖循环转换到耗用水循环中。此供暖循环能以家用供暖设备的形式存在，或指远程供热接口。此供暖循环通过热交换器使耗用水加热，例如住宅中的热水导管或用于地热的热水输入导管。

专门用来加热热水导管的恒温阀致动器具有非常挑剔的、待满足的要求。例如，这种恒温阀致动器应该能控制阀门，且尽可能与所需的阀门力无关。此外还要求，在温度发生变化后恒温阀致动器要尽量迅速地再操纵由它控制的阀门。当然，这种恒温阀致动器还应尽量价格便宜。

目前在现有技术中已知的恒温阀致动器也一如既往地具有缺陷。

发明内容

因此，本发明的目的是，建议一种可尽量广泛应用的、可施加影响的恒温阀致动器。

为了实现此目的，建议对前述的恒温阀致动器进行如下改进，即它的影响装置借助弹性的耦合装置影响控制元件的控制特性。

通过这个弹性的耦合，恒温阀致动器可设置某个与各自情形相匹配的“预应力”。操纵元件(此操纵元件通常作用在阀门的阀销上)可通过此“预应力”这样进行调整，即控制元件施加的力与“预应力”一起通过弹性的耦合装置可克服基本任意的阀门冲击压力。建议的恒温阀致动器以此方式可结合不同的阀门来使用。此外，通过此弹性耦合，可借助控制元件可实现非常快速的起始的转换过程，既使它必要时不具备完全期望的转换高度。可接在起始的转换过程之后的是，例如借助电动机通过弹性的耦合装置对控制元件进行追踪。以这种方式，可执行快速的起初转换过程，并执行即便更缓慢的接在后面的完整的转换过程。

影响装置可在控制元件上或者在操纵元件上起作用，或既作用在控制元件上也作用在操纵元件上。这种力耦合装置通常是指最直接的力耦合装置，因此可实现最简单的构造方案。也可减少滞后效果，此滞后效果在机械的力传递的框架中例如起源于磨擦作用。

还可能的是，耦合装置至少局部地构造成弹簧装置，尤其是金属弹簧、螺旋弹簧、盘簧和/或板簧。通过这种弹簧，能以这种方式实现期望的弹性耦合。此外，这种弹簧装置现在已经应用在恒温阀致动器中，既便是用于其它的功能。因此，可追溯到已存在的库存或供货商，并追溯到已使用的制造技术。这可更简单地、快速且成本划算地实现建议的恒温阀致动器。

此外还可规定，影响装置具有至少一个电动机、尤其是步进电动机。这种电动机在过去已经证实可用来影响控制元件的控制性能。因此在此上下文中也可追溯到已证实的元件上。此外，电子控制器的输出信号能以特别简单的方式转换成相应的控制运动。此外，因为在影响的强度发生变化时，通常只需给电动机提供电源，所以这种构造已被证明是非常节省能源的。

如果影响装置具有至少一个传动装置，则相对较小的力还可转换成相对较大的力，此相对较小的力在开始时由影响装置(例如电动机)产生的。这种传动装置也可通过机械的减速实现特别灵敏的影响。

此外还有利的是，可预先给定可变化的额定值。使用者可例如手动地调整(并因此预先规定)此额定值。它在此例如指室温或从水龙头排出的水的温度。在此例如可考虑，它在可旋转的恒温器附件上预先规定室温或热水温度。此预定值在此能以任意的方式实现，例如以温度说明的形式亦或以标记的形式(例如洗手标记、淋浴标记、池浴标记或热水供应)。此额定预定值要么机械地实现(通过改变恒温阀中的长度间距，或通过扩大/缩小波纹元件的体积)，要么也间接地通过电子控制器实现，此电子控制器整理输入的额定值并发到相应的致动器中。

此外还可能的是，控制元件具有至少一个体积膨胀体。在此体积膨胀体中可容纳例如流体，它的体积随着温度的变化而变化。流体尤其应理解为气态的介质。但也可以考虑是液体，尤其是在热量方面体积膨胀系数很高的液体。还可考虑蜡状的物质。最后也可使用处在超临界状态中的物质，液态和气态在此超临界状态中不可能再有区别。当然也可使用这样的流体，即只有一部分是液态或气态的，或尤其把湿蒸气当作填充物。当然也可设置多个空腔，它们必要时通过流体导管彼此相连，因此可在与恒温阀致动器相隔一段距离的位置上实施温度测量。

此外，控制元件具有至少一个波纹元件。如果应提供液体密封或气密的空腔，此空腔体积的变化程度应不大，则这种波纹元件已证明是有效的。

还可能的是，设置有至少一个测力传感器。此测力传感器可设置得例如与影响装置相关联，亦或设置得与全部力有关，此力由恒温阀致动器施加在外壳体上。

可能的是，设置控制器、尤其是电子控制器，它使用至少一个由测力传感器测得的数值作为输入值。此测力传感器的输出值则可例如作为反馈值由控制器处理。紧接着基于反馈值，可例如对影响装置进行调校。但测力传感器的输出值也可被其它的装置使用。

此外还可能的是，此控制器这样进行调整，即它对影响装置这样施加影响，即测力传感器的输出值保持基本不变。如果由测力传感器测得的数值保持基本不变，则可消除由阀门产生的力。例如以这种方式可使排出的流体(热水)的温度保持基本不变。如果电子控制器这样进行调整，即它使作用在力测量仪上的力尽量保持不变。(并且为此适当地操控恒温阀致动器的致动器)，则体积膨胀体中的压力保持基本不变。

但由此例如还在加热耗用水时使流出的水实现基本不变的温度。

还可能的是，设置有显示装置、尤其是数字显示装置，它尤其由测力传感器影响。因此，由测力传感器获知的力值可转换成温度值，它作为温度值显示在显示器上。

当然还可能的是，建议的恒温阀致动器的上面提到的以及下面的有利改进方案都能以任意的方式相互组合。尤其还可能的是，恒温阀致动器具有多个影响装置，它们全部或部分地追溯到不同的影响机制上。

附图说明

下面借助附图并借助这个优选的实施例详细地阐述了本发明。

其中：

图1在示意图中示出了用来加热耗用水的热水恒温阀的结构；

图2在示意性的横向剖面图中示出了恒温阀致动器；

图3示出了用来加热耗用水的试验过程的效果；

具体实施方式

图1示出了热交换器结构1，它的作用是借助远程热量3对耗用水2进行加热。各项设施2、3都只示意性地标出。家庭耗用水2的加热是借助远程热量3进行的，其中应用了热交换器4。热交换器4也只是示意性地示出。热交换器4具有总共四个流体接口Q_1.1、Q_1.2、Q_2.1、Q_2.2。

两个接口Q_2.1、Q_2.1位于耗用水侧2上。在此设置了耗用水入口5，用来输入仍是冷的、待加热的耗用水。此外还具有耗用水出口6，用于在热交换器4中加热的耗用水。耗用水的流动方向通过箭头来表示。

在远程热量侧3上同样设置有两个接口Q_1.1、Q_1.2.，即远程热量入口7和远程热量回流口8。远程热量传递介质的流动方向在此也通过箭头表示。此远程热量传递介质例如在示意示出的成组热电站9中加热。远程热量传递介质例如可指水、过热水、热蒸气、湿蒸气和/或其它流体。

这些接口用Q_i.j表示，其中i表示流体循环(i＝1表示远程热量侧3，i＝2表示耗用水侧2)，并且j表示流动方向(j＝1表示入口侧，j＝2表示出口侧)。

此外在图1的热交换器结构1中标出了阀门10，此阀门10由阀门致动器11控制。阀门致动器11的主要输入参数通过温度传感器12获得，此温度传感器12测量离开热交换器4的耗用水6的温度_T2.2(在Q_2.2处)。在此实施例中，温度传感器12是指装有流体的温度传感器，它借助包括在它里面的流体的湿蒸气变化来提供控制信号。所述流体优选指由液体和汽体组成的混合物。在温度传感器中尤其应具有湿蒸气。因此重要的是，在整个希望给出温度的区域内都填充湿蒸气。

在图1的实施例中，恒温阀10设置在远程热量循环3的出口侧(Q_1.2)中。当然，同样还可考虑把恒温阀10设置在远程热量循环3的入口侧(Q_1.1)上。

图2在示意性的横向剖面图中详细示出了图1的阀门致动器11。

阀门致动器11具有操纵销13，它在端侧的接触区域14(在图1的左边示出)上与恒温阀的阀销(分别未示出)相接触。操纵销13的位移运动(在图2中用双箭头标出)相应地转换到阀门10的阀销上，并且阀门10的流体通路相应地也或多或少地打开。在此，加热阀把反力F_v(v表示阀门)施加到操纵销13上。此反力通常由阀门弹簧产生。

操纵销13的另一端接触装有流体的容器16的可移动的底部部件15，此容器16具有可变化的内部容积。内部容积的可变化性通过波纹元件17达到，此波纹元件17设置在可移动的底部部件15和容器外壳18之间。此容器16的内腔用流体填充，此流体具有相应的压力，并且相应的力F_R(R代表调整)因此施加在可移动的底部部件15上，并因此通过操纵销13施加在阀门的阀销上。F_R在此是温度的函数。此力F_R(T)是由空腔20中的蒸气压力和底部部件15的表面面积构成的乘积。在此，蒸气压力(流体的蒸气部分)P_Dampf适用成立其中α和β是材料常数。

容器16的内腔通过连接导管19与温度传感器12的内腔处于流体相连的状态。容器16的内腔、连接导管19的内腔以及温度传感器12的内腔构成一个共同的空腔20。此空腔20用流体填充。由于流过的耗用水6的温度变化(例如由于打开了热水龙头)，位于温度传感器12中的流体的温度也相似地变化。由于流体的温度变化，它的体积也会发生变化。流体的体积变化通过空腔20的体积变化来平衡。因为除了波纹元件17外，形成空腔20的部件基本构造成刚性的，此体积变化通过底部部件15的运动来实现，其中此运动通过螺旋弹簧26和操纵销13传递到阀门10的阀销上。

此外，在阀门致动器11中还设有心轴23，此心轴23设置有外螺纹25。此心轴23在一侧上与螺旋弹簧26相连。此螺旋弹簧26再次以它的另一端部与容器16的底部部件15相接触。如果弹簧26处于负载之下，则它相应地把力F_S(S代表弹簧)施加在容器16的底部部件15上。弹簧的力F_S在此由以下两者组合而成，即弹簧预应力F_SO的数值，以及通过弹簧从零位开始的压缩或伸长而产生的力。在此适用于F_S＝F_SO+S*ΔX，其中S是指弹簧常数，ΔX是弹簧从预应力位置S_O的长度变化。与已知的阀门致动器相比，本阀门致动器11通过电动机21来调整预应力F_SO(见下面的描述)。

心轴23的外螺纹25与齿轮22的内螺纹24啮合在一起。通过齿轮22的旋转，心轴23可朝左和朝右推移。通过此推移，可改变弹簧26的预应力以及力F_SO或F_S，此力F_SO或F在容器16的底部部件15上起作用。在这种情况下，齿轮22的旋转通过电动机21来实现。当然还可考虑的是，电动机21的运动借助复杂的传动装置结构进一步减速。也可使用其它的调整元件。此电动机21相应地由电子控制器30来操控。

在阀门致动器11的正常运行状态中，三个力F_R、F_S和F_V处于平衡。如果容器16的底部部件15现在运动，则情况当然不是这样。由于此平衡可轻易地看到，通过弹簧26的相应的弹簧预应力F_S，阀门10上的力F_V可相应地变化。例如以这种方式通过相应地选择盘簧26的弹簧预应力F_S，阀门致动器11可与不同构造形式的阀门10的不同阀门力F_V相匹配。在此，通过操控电动机21来实现盘簧26的不同的弹簧预应力。因此，可几乎与各自阀门10的阀力无关地使用阀门致动器11。在普通的阀门致动器中不是这样。

此外，可借助电动机21来调整所谓的Z点。没有电动机21，可能会在温度和流量之间产生通常呈线性的相关性。如果温度下降，这一点由温度传感器获知，则阀门打开且流量增加。电动机21通过控制器30与压力传感器28相连，并确保这些力在阀门中平衡。相应地标出了，线条平行地朝上或朝下推移，它们描述温度和流量之间的相关性。换言之，温度保持不变。这改变了Z点(零点)，用于阀门中的力的平衡，并产生了新的零点。

容器16漂浮地固定在支架27中。此支架27再次通过测力传感器28与阀门致动器11的外壳体29相连。因此，此测力传感器28可测量力F_R或力F_S+F_V。此力与当前的耗用水温度(它由温度传感器12测得)相关联。它是电子控制器30的主要输入值。测力传感器28的输出值可例如通过此电子控制器30发到此处未示出的数字显示器上，它通过相应的刻度来显示当前的耗用水温度。此外，可使用电子控制器30的输出值，以影响电动机21的操纵。

因此，可实现成本划算的数字显示器，或可改善恒温阀致动器的控制特性。

依赖于选出的细节实施方式，建议的构造尤其具有以下优点：首先，在系统变化时可尤其快速地实现操纵回应。此外，建议的阀门致动器11在很大程度上与由阀门10施加的反力无关。此外，恒温阀致动器11的控制特性可设计得尤其稳固。这尤其也适用于小体积的流体，它通常是大问题。

图3示出了，在使用具有按图2的构造的恒温阀致动器时的试验结果。此试验结构在此相当于图1描画出的结构。

在此图中时间用秒来表示，其中时间的绝对值基本上是无意义的。在纵坐标上，以每个小时的公升数描述了穿过远程热量循环3(Q₁)的流体通过量以及穿过远程热量循环2(Q₂)的流体通过量。此外，标出了耗用水在点Q_2、2上测得的温度T_2、2。

此系统首先处于静止状态。既在远程热量循环3中，也在耗用水循环2中存在着穿过各个循环的细小流量。当然还可考虑的是，没有流量穿过相应的循环。耗用水排水装置中的温度T_2、2约为46℃。

水龙头在耗用水循环2中在时间点t1(大概在2处，110秒)打开。相应地，曲线Q₂在此时间点上强烈地上升。因此，水温T_2、2在耗用水排水装置6中相应地下降。如同在曲线Q₁上可看到的一样，恒温阀10借助阀门致动器11在非常短的时间内打开，因此在远程热量循环3中的流量Q₁也会迅速地上升。因此，耗用水可加热得更强烈。时间点t₁和t₂之间起初的强烈上升的基础是，在波纹元件17同时变形的情况下，位于空腔20中的流体会改变体积并且容器20的底部部件15会相应推移。耗用水的温度T_2.2相应地再次上升。

在时间点t₂，位于空腔20中的流体的体积不再变化。但由于容器16中的压力更小(F_V和F_S更小)，测力传感器28测到更小的力F_R或F_S+F_V。电子控制器相应地这样操控电动机21，心轴23在容器16的方向上运动(在图2中朝右)。因此，提高盘簧26的预应力，从而也相应地扩大F_S。由于力的平衡，通过操纵销13施加在阀门10上的力也相应地减小，因此阀门继续开启。此开启运动进行得比较慢，这可从曲线Q₁或曲线T_2.2在此区域内的更缓上升得知。电动机21在时间点t₃停止，因为耗用水的温度T_2.2(近似)相当于期望的温度。相应地，此系统从时间点t₃开始是平衡。在此上下文中应强调，耗用水的温度基本是不变的(如果保持了期望的温度预定值)。这也是本发明的大优点。

在时间点t₄，耗用水循环2中的水龙头再次关闭。流量Q₂和热量需求相应地消失。通过容纳在空腔20中的流体的体积变化，会重新出现非常快的控制反应，其中恒温阀10关闭。在时间点t₅，容纳在空腔20中的流体的体积收缩结束了。随后通过测力传感器28的力测量，重新操控电动机21。但现在电动机21的旋转方向掉头了，因此心轴23在这样一个方向上运动，在此方向上心轴23和容器16之间的间隔更大并且弹簧26的弹簧预应力F_S相应地更小。此系统从时间点t₇开始重新处于平衡。时间点t₅和t₆之间的流量曲线Q₁的平台归因于机械的滞后效应。这由于此结构的无磨擦构造可缩小，必要时还可完全减小到最小的程度。曲线Q₁在t₇和t₈之间的时间间隔中的“过冲“可通过控制器的匹配来减少或阻止。但如图3可知，对曲线T_2、2的品质的影响很小。

图3可得出相对于迄今系统的巨大优点：

一方面，可在t₁至t₂以及t₄至t₅的时间间隔中提供非常快速初始的控制反应。此控制反应尤其快于系统，此系统只具有借助电动机可控制的阀门致动器。这种只具有电动机的阀门致动器在整个受控对象中可能具有这样的反应速度，此反应速度相当于在t₂至t₃或t₆至t₇的时间间隔中的反应速度。

相对于只具有以流体为基础的控制的系统，可实现更好的、更完整的控制反应。因此，虽然从t₂至t₃的时间间隔中的控制速度比从t₁至t₂之间的时间间隔中的控制速度慢，但到底还是会产生控制反应。从t₅至t₇的时间间隔也相应地适用。

Claims (13)

1.一种用于设备的恒温阀致动器(11)，尤其是用于热水供暖设备(10)的恒温阀致动器(11)，特别是用于耗用水加热装置的恒温阀致动器，此恒温阀致动器包括：控制元件(15、16)，它依赖于温度进行变化；操纵元件(13)，它利用控制元件(12、16)的变化来控制设备(10)；以及至少一个影响装置(23)，它对控制元件(15、16)的控制特性产生影响，其特征在于，所述影响装置(23)借助弹性的耦合装置(26)来影响控制元件(15、16)的控制特性。

2.按权利要求1所述的恒温阀致动器，其特征在于，所述影响装置(23)作用在控制元件(15、16)和/或操纵元件(13)上。

3.按权利要求1或2所述的恒温阀致动器，其特征在于，所述耦合装置(26)至少局部地构造成弹簧装置，尤其是金属弹簧、螺旋弹簧、盘簧和/或板簧。

4.按权利要求1至3中任一项所述的恒温阀致动器，其特征在于，所述影响装置(23)具有至少一个电动机(21)、尤其是步进电动机。

5.按权利要求1至4中任一项所述的恒温阀致动器，其特征在于，所述影响装置(23)具有至少一个传动装置。

6.按权利要求1至5中任一项所述的恒温阀致动器，其特征在于，可预先给定可变化的额定值。

7.按权利要求1至6中任一项所述的恒温阀致动器，其特征在于，所述控制元件(15、16)具有至少一个体积膨胀体(12、16、20)。

8.按权利要求7所述的恒温阀致动器，其特征在于，所述体积膨胀体(20)具有湿蒸气。

9.按权利要求1至8中任一项所述的恒温阀致动器，其特征在于，所述控制元件具有至少一个波纹元件(17)。

10.按权利要求1至9中任一项所述的恒温阀致动器，其特征在于，设有至少一个测力传感器(28)。

11.按权利要求10所述的恒温阀致动器，其特征在于，设有控制器、尤其是电子控制器，它使用至少一个由测力传感器(28)测得的数值作为输入值。

12.按权利要求11所述的恒温阀致动器，其特征在于，所述控制器这样进行设置，即它对影响装置(23)这样施加影响，从而使测力传感器(28)的输出值保持基本不变。

13.按权利要求1至12中任一项所述的恒温阀致动器，尤其按权利要求10至12中任一项所述的恒温阀致动器，其特征在于，设有显示装置、尤其是数字显示装置，它尤其被测力传感器(28)所影响。

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