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Die
Erfindung betrifft einen Thermostataufsatz für ein Heizungs- oder Kälteventil
mit einem Gehäuse,
einem Thermostatelement, dessen wirksame Länge sich mit einer Temperatur ändert, und
einem in eine Betätigungsrichtung
bewegbaren Betätigungselement,
wobei das Thermostatelement in einem Betätigungsstrang zwischen dem
Gehäuse
und dem Betätigungselement
angeordnet ist.
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Ein
derartiger Thermostataufsatz ist beispielsweise aus
DE 101 62 608 A1 bekannt.
Das Thermostatelement stützt
sich hierbei mit einem Ende an der inneren Stirnseite des Gehäuses ab. Das
Thermostatelement weist eine Dehnzone in Gestalt eines inneren Balgens
auf. Dieser Balgen umgibt eine Öffnung,
in die ein Betätigungselement
eingesetzt ist. Dieses Betätigungselement
liegt im montierten Zustand an einem Stößel eines Ventils an. Mit zunehmender
Raumtemperatur, die auf das Thermostatele ment wirkt, wird das Betätigungselement
aus dem Thermostatelement herausgedrückt und drückt dadurch auf den Stößel des
Ventils, so daß das
Ventil weiter gedrosselt wird. Mit abnehmender Temperatur sinkt
das Volumen des Thermostatelements, so daß der Stößel des Ventils, der in Öffnungsrichtung
beaufschlagt ist, das Betätigungselement
weiter in das Thermostatelement hineindrücken kann.
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Aufgrund
von Energiesparvorschriften sind heutzutage die überwiegende Anzahl von Heizkörpern mit
thermostatisch gesteuerten Ventilen ausgerüstet, wobei zu den meisten
dieser Ventile ein entsprechender Thermostataufsatz gehört. Viele
derartiger Thermostataufsätze
haben auch eine Sollwerteinstellung. Beispielsweise kann die Lage
des Thermostatelements im Gehäuse
durch Verdrehen eines Drehgriffs geändert werden.
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Die
Raumtemperaturregelung mit einem derartigen Thermostataufsatz funktioniert
im allgemeinen zufriedenstellend, d.h. die vom Benutzer eingestellte
oder auf andere Weise vorgegebene Soll-Temperatur wird mit ausreichender
Genauigkeit tatsächlich
erzielt.
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Allerdings
kann man beobachten, daß bei unveränderter
Sollwert-Vorgabe die Raumtemperatur mit einer Periode von etwa einem
Jahr um etwa 1 bis 2°C
schwankt. Diese Schwankung wird vielfach nicht bemerkt, weil in
vielen Räumen
die Sollwert-Einstellung über
das Jahr verändert
wird. Gleichwohl ist eine derartige Schwankung ungünstig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, langfristige Temperaturschwankungen
zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Thermostataufsatz der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß im Betätigungsstrang
eine Korrektureinrichtung angeordnet ist, deren wirksame Länge mit
einer Änderungsgeschwindigkeit
veränderbar
ist, die kleiner als die Änderungsgeschwindigkeit
des Thermostatelements ist.
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Das
Thermostatelement reagiert mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit
auf eine Temperaturänderung
und ändert
dabei seine wirksame Länge.
Diese Längenänderung
wird dann über
den Betätigungsstrang
und das Betätigungselement
in eine entsprechende Beaufschlagung eines Stößels oder eines anderen Antriebselements
des Heizkörperventils
umgesetzt. Dieses bekannte Verhalten des Thermostataufsatzes wird
beibehalten, d.h. der Thermostataufsatz reagiert insgesamt praktisch
genauso schnell auf Temperaturänderungen,
wie ein herkömmlicher
Thermostataufsatz auch. Hinzu kommt aber die Reaktion der Korrektureinrichtung.
Diese Korrektureinrichtung ändert
ebenfalls ihre wirksame Länge,
beispielsweise in Abhängigkeit
vom Auftreten äußerer Kräfte oder
in Abhängigkeit
von einer Temperatur, insbesondere der eingestellten Temperatur. Allerdings
ist diese Längenänderung
relativ langsam. Sie äußert sich
also bei einer Temperaturänderung nicht
unmittelbar, sondern langfristig. Durch diese langfristige Längenänderung
ergibt sich aber die gewünschte
Vergleichmäßigung der
Temperatur über einen
längeren
Zeitraum.
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Vorzugsweise
weist die Korrektureinrichtung zwei durch eine Drossel miteinander
verbundene, längenveränderbare
Druckräume
auf, die mit einem Fluid gefüllt
sind, das durch die Drossel verlagerbar ist, wobei sich die beiden
Druckräume
in ihrem wirksamen Querschnitt unterscheiden. Mit dieser Ausgestaltung
wird eine besonders effektive Form der Korrektureinrichtung zur
Verfügung
gestellt. Wenn die Korrektureinrichtung beispielsweise durch eine
thermische bedingte Ausdehnung des Thermostatelements mit einer
Kraft beaufschlagt wird, dann wird der Druckraum mit der größeren wirksamen
Querschnittsfläche
(im folgenden "größerer Druckraum" genannt) sich verkleinern
und das in ihm befindliche Fluid in den Druckraum mit der kleineren
wirksamen Querschnittsfläche
(im folgenden "kleinerer
Druckraum" genannt)
verdrängen.
Diese Verdrängung
wird zu einer Verlängerung
der Korrektureinrichtung führen,
weil sich durch die unterschiedlichen wirksamen Querschnitte der
beiden Druckräume
eine Art Druckübersetzer
ergibt. Allerdings kann dieser Ausgleich nicht plötzlich erfolgen,
weil zwischen den beiden Druckräumen
die Drossel angeordnet ist, die lediglich eine bestimmte Fluidmenge
pro Zeit durchläßt. Für den Ausgleich
benötigt
man also eine entsprechend längere
Zeit. Dementsprechend behält
man die schnelle Reaktion des Thermostatelements bei, ermöglicht aber
gleichzeitig eine langsame Reaktion der Korrektureinrichtung.
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Vorzugsweise
wirkt eine Feder auf eine Begrenzung des größeren Druckraums mit einer
Kraft in Richtung auf eine Verkleinerung des größeren Druckraums. Dies ist
eine einfache Möglichkeit,
dafür zu sorgen,
daß die
Korrektureinrichtung wieder zurückgestellt
werden kann.
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Vorzugsweise
ist zumindest ein Druckraum durch ein Balgenelement begrenzt. Balgen
werden vielfach in Thermostatelementen verwendet. Sie ermöglichen
es, einen Raum mit einer flexiblen und damit längenveränderbaren Wand zu umgeben.
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Bevorzugterweise
verzögert
die Drossel einen Druckausgleich zwischen den beiden Druckräumen um
einen Zeitraum im Bereich von 2 bis 25 Stunden. Damit ist einerseits
sichergestellt, daß die
Längenänderung
keinen unmittelbaren, also sofortigen Einfluß auf die Regelung der Temperatur
mit Hilfe des Thermostatelements hat. Andererseits ist die Zeitverzögerung so
gewählt,
daß sich
der gewünschte
langfristige Temperaturausgleich ergibt.
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Bevorzugterweise
grenzen die beiden Druckräume
aneinander an. Dies hat bauliche Vorteile. Der Thermostataufsatz
kann in Betätigungsrichtung
kleingehalten werden. Auch die Abdichtung beim Übergang von einem Druckraum
zum anderen Druckraum wird konstruktiv einfach, weil keine Leitungen
nach außen
geführt
werden müssen.
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Auch
ist von Vorteil, wenn die beiden Druckräume ineinander geschachtelt
sind. Dies hält
den Bedarf an zusätzlicher
Baulänge
für die
Korrektureinrichtung klein.
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Vorzugsweise
ist einer der Druckräume
im Innern des Thermostatelements ausgebildet. Auch dies verringert
weiter den Bedarf an Baulänge.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, daß der größere Druckraum
durch das Thermostatelement gebildet ist. Man verwendet also den
ohnehin im Innern des Thermostatelementen vorhandenen Raum, der
mit einem wärmeausdehnbaren
Fluid gefüllt
ist, als größeren Druckraum.
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Vorzugsweise
weist das Thermostatelement einen inneren Balgen auf, in dem ein
Betätigungsstift hineinragt,
der sich am Gehäuse
abstützt,
wobei das Thermostatelement im Gehäuse in Betätigungsrichtung beweglich ist.
Das Thermostatelement wird also gegenüber herkömmlichen Thermostataufsätzen umgedreht,
d.h. der Betätigungsstift
ragt nicht mehr in Richtung auf das Ventil vor. Die Beaufschlagung des
Ventils erfolgt vielmehr nun über
das bewegliche Thermostatelement, wobei zwischen dem Thermostatelement
und dem Ventil die Korrektureinrichtung oder ein Teil davon vorgesehen
sein kann.
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Bevorzugterweise
stehen die beiden Druckräume über ein
Kapillarrohr miteinander in Verbindung. Um den Druckausgleich zwischen
den beiden Druckräumen über einen
größeren Zeitraum
zu verzögern,
muß die
Drossel zwischen den beiden Druckräumen einen relativ großen Strömungswiderstand aufweisen.
Den Strömungswiderstand
kann man beispielsweise über
eine größere Länge der
Drosselstrecke erhöhen.
Eine derartige Länge
läßt sich
in einem Kapillarrohr leicht bereitstellen.
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In
einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß zwischen
den beiden Druckräumen
eine Membran angeordnet ist, die für das Fluid diffusions-durchlässig ist.
Die Membran läßt zwar
das Fluid von dem einen Druckraum in den anderen durchtreten. Dieser
Durch tritt erfolgt jedoch langsam, nämlich in Form einer Diffusion,
also nicht in Form einer Strömung.
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Auch
ist es möglich,
daß zwischen
den Druckräumen
mindestens eine Trennplatte angeordnet ist, in der ein Verbindungskanal
ausgebildet ist, dessen Länge
ein Mehrfaches der Dicke der Trennplatte beträgt. Der Kanal kann beispielsweise
durch eine spiralförmige
durch eine Wand oder Platte abgedeckte Nut an der Oberfläche der
Trennplatte gebildet sein, die vom kleineren Druckraum abgewandt
ist und an einer Stelle mit dem größeren Druckraum in Verbindung
steht. Auch hierdurch wird eine relativ große Drosselwirkung erreicht.
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Vorzugsweise
ist der Druckraum mit der kleineren wirksamen Querschnittsfläche durch
eine fluiddichte Membran begrenzt. Da man beim kleineren Druckraum
keine größeren Längenänderungen
benötigt,
sondern eine zusätzliche
Ausdehnung im Bereich von etwas über
0 bis etwa 5 mm, insbesondere 0,5 bis 2,5 mm ausreicht, reicht der
Ausschlag aus, den eine Membran bei Druckbeaufschlagung leisten kann.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß die
fluiddichte Membran einen Zylinder stirnseitig begrenzt, in dem ein
Kolben angeordnet ist, wobei die fluiddichte Membran auf den Kolben
wirkt. Dadurch wird die Beanspruchung der Membran kleingehalten.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Thermostataufsatzes,
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2 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips
der Korrektureinrichtung,
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3 eine
zweite Ausführungsform
eines Thermostataufsatzes,
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4 eine
dritte Ausführungsform
eines Thermostataufsatzes,
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5 eine vierte Ausführungsform eines Thermostataufsatzes
mit einer Einzelheit in vergrößerter Darstellung,
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6 eine
fünfte
Ausführungsform
eines Thermostataufsatzes und
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7 eine sechste Ausführungsform eines Thermostataufsatzes
mit Einzelheiten in vergrößerter Darstellung.
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Ein
Thermostataufsatz 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem
ein Thermostatelement 3 angeordnet ist. Das Thermostatelement 3 stützt sich
an einer Stirnwand 4 des Gehäuses 2 ab. Die Stirnwand
ist an einem Einsatz 5 ausgebildet, der mit Hilfe eines Drehgriffs 6 in
Axialrichtung verlagert werden kann, um ein Temperatur-Sollwert
vorzugeben.
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Das
Thermostatelement 3 weist einen Innenraum 7 auf,
der mit einer wärmedehnbaren
Flüssigkeit
(oder einem Gas) gefüllt
ist, deren Volumen sich mit der Temperatur ändert. Dieser Innenraum 7 ist
an seiner Innenseite durch einen Faltenbalg 8 begrenzt. In
dem Faltenbalg 8 ist ein Betätigungsstift 9 angeordnet,
der mit einem Fortsatz 10 zusammenwirkt. Im Innern des
Betätigungsstiftes 9 ist
eine Überdruckfeder 11 angeordnet.
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Bis
dahin entspricht der Aufbau des Thermostataufsatzes 1 demjenigen
eines herkömmlichen Thermostatventilaufsatzes.
Wenn die Raumtemperatur ansteigt und das Thermostatelement 3 beeinflußt, dann
dehnt sich die Füllung
im Innenraum 7 aus und verdrängt den Betätigungsstift 9 nach
unten, bezogen auf die Darstellung der 1. Der Betätigungsstift 9 wirkt
dann mit dem Fortsatz 10 auf einen Stößel 13 eines nicht
näher dargestellten
Ventils, wodurch dieses gedrosselt wird. Dadurch wird die Zufuhr
von Wärmeträgerflüssigkeit
vermindert. Die Temperatur sinkt. Dadurch verringert die Füllung des
Innenraums 7 ihr Volumen. Der Betätigungsstift 9 kann
weiter in das Thermostatelement 3 eingedrückt werden,
weil der nicht näher
dargestellte Ventilstößel in der
Regel durch eine Öffnungsfeder
in Öffnungsrichtung
belastet ist. Die Zufuhr von Wärmeträgerflüssigkeit
wird vergrößert. Dieser
Vorgang wiederholt sich solange, bis ein stabiler Zustand erreicht
ist. Das Thermostatelement 3 bewirkt also sozusagen eine
P-Regelung (proportionale Regelung).
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Man
kann nun beobachten, daß sich
bei ansonsten unveränderter
Einstellung des Sollwerts des Thermostataufsatzes 1 die
Temperatur im Laufe eines Jahres um 1 bis 2°C verändert. In den wärmeren Sommermonaten
drosselt das durch den Thermostataufsatz 1 gesteuerte Ventil
zwar stärker.
Der gedrosselte Volumenstrom führt
aber dennoch zu einer beispielsweise um 1°C oder 2°C höheren Temperatur.
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Um
diese langfristigen Temperaturschwankungen zu verringern oder sogar
ganz zu vermeiden, wirkt der Fortsatz 10 nun nicht mehr
direkt auf den Stößel des
Ventils. Vielmehr ist zwischen dem Thermostataufsatz 3 und
seinem Fortsatz 10 und einem Betätigungselement 12,
das auf den schematisch dargestellten Stößel 13 des Ventils
wirkt, eine Korrektureinrichtung 14 angeordnet. Diese Korrektureinrichtung 14 kann
als Zubehörteil
ausgebildet sein, das zwischen den Thermostataufsatz 3 und
das Ventil eingesetzt wird und somit nachgerüstet werden kann. Anstelle
eines derartigen losen Teils kann natürlich die Korrektureinrichtung 14 als
fest eingebautes Teil ausgebildet werden.
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Die
Korrektureinrichtung 14 weist einen ersten Druckraum 15,
der von einem ersten Faltenbalg 16 in Umfangsrichtung begrenzt
ist und einen zweiten Druckraum 17, der von einem zweiten
Faltenbalg 18 in Umfangsrichtung begrenzt ist auf. Die
beiden Druckräume 15, 17 sind
durch eine Trennwand 19 voneinander getrennt. In der Trennwand 19 ist
eine Drossel 20 angeordnet.
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Eine
Druckfeder 21 wirkt über
eine Halterung 22 auf die Trennwand 19 und zwar
in eine Richtung, in der der erste Druckraum 15 verkleinert
würde.
Auf das Betätigungselement 12 wirkt
der Stößel 13 ebenfalls
mit einer Kraft, die so gerichtet ist, daß sie den zweiten Druckraum 17 verkleinert.
Der Stößel 13 wird üblicherweise
von einer nicht näher
dargestellten Ventilfeder in Öffnungsrichtung
beaufschlagt. Die Feder 21 ist dabei so dimensioniert,
daß ihre
Kraft größer ist
als die Kraft der Ventilfeder, beispielsweise ein Mehrfaches davon
beträgt.
Wenn also die Korrektureinrichtung 14 nach unten (bezogen
auf die 1) bewegt wird, muß die Feder 21 eine
größere Kraft leisten
als die Ventilfeder, so daß der
Druck in der Kammer 15 größer wird als der Druck in der
Kammer 17.
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Der
erste Druckraum 15 weist einen größeren wirksamen Querschnitt
als der zweite Druckraum 17 auf. Der erste Druckraum 15 wird
deswegen auch als "größerer Druckraum" bezeichnet, während der zweite
Druckraum 17 auch als "kleinerer
Druckraum" bezeichnet
wird. Tatsächlich
können
die Volumina beider Druckräume 15, 17 aber
gleich sein. Der Querschnittsunterschied bewirkt, daß sich bei
der Verlagerung eines Fluids von einem Druckraum 15 zum
anderen Druckraum 17 im Druckraum 17 eine Verlängerung
ergibt, die größer ist
als eine durch die Verlagerung bewirkte Verkürzung des ersten Druckraums 15.
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Dies
soll anhand von 2 näher erläutert werden. 2 zeigt schematisch die Korrektureinrichtung 14 in
verschiedenen Phasen einer Verstellung. Gleiche Teile wie in 1 sind
mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen. Im Unterschied zu 1 sind
die beiden Druckräume 15, 17 jedoch
nicht von Faltenbalgen 16, 18, sondern von Kolben 16a, 18a begrenzt.
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Der
größere Druckraum 15 hat
dabei einen Querschnitt A, der beispielsweise 2,5 mal so groß ist wie
der Querschnitt B des zweiten Druckraums 17.
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In
den beiden Druckräumen 15, 17 kann
irgendein inkompressibles Medium angeordnet sein, also eine Flüssigkeit,
wie Wasser, Öl
oder dergleichen.
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2a zeigt
den Ausgangspunkt. Um die Situation mit späteren Zuständen vergleichen zu können, ist
eine obere Linie 23 und eine untere Linie 24 eingezeichnet,
die einen Abstand C zueinander aufweisen. Die obere Linie 23 gibt
die Lage des oberen Endes des Kolbens 16a an, während die
untere Linie 24 die Lage des unteren Ende des Kolbens 18a angibt.
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Wenn
nun beispielsweise die Temperatur ansteigt, dann wird der Betätigungsstift 9 aus
dem Thermostatelement 3 (1) verdrängt und
drückt
den oberen Kolben 16a nach unten. Da aufgrund der Drossel 20 das
Fluid aus dem ersten Druckraum 15 nicht in den zweiten
Druckraum 17 entweichen kann, wird die gesamte Halterung 22 gegen
die Kraft der Feder 21 nach unten gedrückt. Dementsprechend verlagert
sich auch der untere Kolben 18a, so daß der Stößel 13 (1)
des Ventils eingedrückt
wird, um das Ventil weiter zu drosseln. Wenn die Temperatur absinkt,
dann wird die gesamte Halterung 22 durch die Kraft der
Feder 21 wieder angehoben, so daß sich der Zustand der 2a wieder
einstellt. Die gesamte in 2a und 2b dargestellte
Korrektureinrichtung 14 verhält sich also im Kurzzeitbereich wie
ein massiver Block, dessen Länge
in Betätigungsrichtung
(Wirkrichtung des Betätigungsstiftes 9)
unverändert
ist.
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Wenn
jedoch die erhöhte
Temperatur länger anhält und dementsprechend
der Betätigungsstift 9 länger auf
den Kolben 16a wirkt, dann wird Fluid aus dem ersten Druckraum 15 in
den zweiten Druckraum 17 verdrängt. Der Übertritt des Fluids erfolgt
langsam, da er durch die Blende 20 gedrosselt wird. Dabei
dehnt sich der zweite Druckraum 17 in Betätigungsrichtung
um das Verhältnis
der Querschnitte der beiden Druckräume 15, 17 stärker aus,
als die axiale Erstreckung des ersten Druckraums 15 sinkt. Wenn
also die erhöhte
Temperatur über
einen längeren
Zeitraum anhält,
dann bekommt die Korrektureinrichtung 14 eine größere Länge D. Dabei
kann die gesamte Korrektureinrichtung 14 wieder etwas nach oben
verschoben werden und zwar solange, bis ein Kräftegleichgewicht besteht zwischen
den Kräften, die
vom Thermostatelement auf den oberen Kolben 16a ausgeübt werden,
den Kräften,
die vom Druck im ersten Druckraum 15 auf den Kolben 16a ausgeübt werden,
den Kräften,
die vom Druck im zweiten Druckraum 17 auf den zweiten Kolben 18a ausgeübt werden
und der Kraft der Feder 21.
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Bei
einer dauerhaft erhöhten
mittleren Temperatur bekommt die Korrektureinrichtung 14 also eine
größere Länge in Betätigungsrichtung.
Die Kennlinie des Thermostataufsatzes 1 wird verschoben,
so daß das
Ventil schon bei einer niedrigeren Temperatur stärker gedrosselt wird. Dies
läßt sich
bei einem Vergleich der 2a und 2c erkennen.
In beiden Figuren ist die Betäti gung
durch das Thermostatelement 3 gleich, es herrscht also
die gleiche Temperatur. Das Ventil ist jedoch in 2c stärker gedrosselt.
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Der
mit einer Korrektureinrichtung 14 versehene Thermostataufsatz 1 bildet
also nicht nur einen P-Regler, sondern einen PI-Regler, wobei der
P-Anteil im wesentlichen vom Thermostatelement 3 verursacht
wird, während
der I-Anteil im wesentlichen von der Korrektureinrichtung 14 beeinflußt wird.
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Der
I-Anteil des Reglers wird dabei ohne externe Hilfsenergien, beispielsweise
eine zugeführte elektrische
Energie oder eine Verstellung eines Stößels von außen mit Hilfe eines Motors,
bewirkt. Vielmehr ergibt sich der I-Anteil intern durch die beiden Druckräume 15, 17 und
ihre Verbindung durch die Drossel 20.
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Es
ist auch möglich,
daß der
Faltenbalg 18 mit seiner Stirnseite direkt auf den Stößel 13 wirkt.
In diesem Fall ist das Betätigungselement 12 sozusagen
in den Faltenbalg 18 integriert und als separates Bauteil
entbehrlich.
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Die
Verwendung der in 1 und 2 dargestellten
Korrektureinrichtung 14 hat allerdings den Nachteil, daß die Baugröße des Thermostataufsatzes 1 in
erheblichem Maße
vergrößert wird.
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3 zeigt
daher eine abgewandelte zweite Ausführungsform, bei der gleiche
Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen
sind.
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Im
Unterschied zu 1 ist die Korrektureinrichtung 14 nun
durch zwei Balgenelemente gebildet, die ineinander geschachtelt
sind. Der Balgen 16 umgibt also den ersten Druckraum 15.
In dem ersten Druckraum 15 ist die Trennwand 19 mit
der Drossel 20 angeordnet. Die Trennwand 19 ist
in diesem Fall becherförmig
ausgebildet, wobei ihre Öffnung
nach unten weist. Innerhalb der Trennwand 19 ist der zweite
Faltenbalg 18 angeordnet, wobei sich der zweite Druckraum 17 zwischen
der Trennwand 19 und dem Faltenbalg 18 befindet.
Der Boden des zweiten Faltenbalgs 18 wirkt dann auf das
Betätigungselement 12.
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Auch
hier ist eine Sollwertverstellung durch Verdrehen eines Drehgriffs 6 möglich.
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4 zeigt
eine weiter abgewandelte Ausführungsform,
bei der gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 und 3 versehen sind.
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Der
erste Druckraum 15 ist in dieser Ausführungsform durch den Innenraum 7 des
Thermostatelements 3 gebildet. Das Medium in den beiden
Druckräumen 15, 17 ist
hier als ein wärmeempfindliches Medium,
dessen Volumen sich mit der Temperatur ändert, ausgebildet. Das Thermostatelement 3 ist hier über Kopf
in das Gehäuse 2 eingesetzt,
d.h. die vom Faltenbalg 8 umgebene Ausnehmung öffnet sich nach
oben, also zur Stirnwand 4 des Gehäuses 2 hin. In den
Faltenbalg 8 ist eine Stange 25 eingesetzt, die sich
an der Stirnwand 4 abstützt.
Das Thermostatelement 3 ist axial, d.h. in Betätigungsrichtung,
beweglich im Gehäuse 2 gelagert,
wobei es durch eine Feder 21 entgegen der Betätigungsrichtung
unterstützt wird.
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An
der geschlossenen Stirnseite des Thermostatelements 3,
also an der dem Faltenbalg 8 abgewandten Seite, ist der
zweite Druckraum 17 angeordnet, der vom Balgen 18 umgeben
ist. Der erste Druckraum 15 und der zweite Druckraum 17 stehen über die
Drossel 20 miteinander in Verbindung.
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Der
zweite Faltenbalg 18 wirkt über einen Käfig 26 auf das Betätigungselement 12.
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Die
Funktion dieser Ausführungsform
ist ähnlich
wie in den 1 bis 3. Allerdings
erfolgt hier eine Verlängerung
der Korrektureinrichtung 14 mit der Erhöhung der Temperatur auf direktem
Weg.
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Wenn
sich die Temperatur erhöht,
dann wird im Kurzzeitbereich die Stange 25 aus dem Thermostatelement 3 herausgedrückt. Das
Thermostatelement 3 wird nach unten gedrückt (alle
Richtungsangaben beziehen sich auf die Darstellung der 4) und
das Betätigungselement 12 wird
entsprechend nach unten gedrückt,
um den Stößel 13 (in 4 nicht
dargestellt) zu betätigen
und das Ventil stärker zu
drosseln. Auch hier kann der kleine Faltenbalg 18 die Ventilspindel
(nicht dargestellt) direkt beaufschlagen. Der kleine Faltenbalg 18 kann
auch dadurch gebildet sein, daß die
Wellung in der Stirnseite angeordnet ist. Dies macht die Konstruktion
noch kompakter.
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Mit
der Erhöhung
der Temperatur ist auch eine Erhöhung
des Drucks im ersten Druckraum 15, d.h. im Innenraum 7 des
Thermostatelements 3 verbunden. Diese Druckerhöhung bewirkt,
daß sich
die Flüssigkeit
oder das Gas aus dem Innenraum 7 durch die Drossel 20 in
den zweiten Druckraum 17 verlagert. Da der zweite Druckraum 17 eine
wesentlich kleinere wirksame Querschnittsfläche als der erste Druckraum 15 hat,
wird der zweite Faltenbalg 18 stärker verlängert als der Faltenbalg 8 des
Thermostatelements 3 verkürzt wird. Insgesamt ergibt
sich also mit steigender Temperatur eine stärkere Verlängerung der aus Thermostatelement 3 und
Faltenbalg 18 zusammengesetzten Korrektureinrichtung 14.
Die Verlängerung
ist größer als
eine entsprechende Verlängerung
des Faltenbalgs 3 alleine.
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Bei
der Ausgestaltung nach 4 kann man praktisch einen herkömmlichen
Thermostatventilaufsatz mit Standardelementen verwenden. Hinzu kommt
lediglich der zusätzliche
Faltenbalg. Die Faltenbälge
können
aus Metall oder Kunststoff oder einer Kombination daraus gebildet
sein. Im letzteren Fall stellt der Kunststoff (Gummi wird in diesem
Fall ebenfalls als Kunststoff angesehen) die elastische Funktion
und das Metall die Dichtigkeit sicher.
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Als
Thermostatelement 3 kann man theoretisch auch ein Wachselement
verwenden.
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Damit
sich das Kurzzeit-Verhalten des Thermostataufsatzes ausreichend
vom Langzeit-Verhalten unterscheidet, muß die Drossel 20 so
dimensioniert werden, daß zu
einem Druckausgleich zwischen den beiden Druckräumen 15, 17 tatsächlich ein
längerer
Zeitraum notwendig ist. Dieser Zeitraum sollte mindestens eine Stunden
betragen. Er kann jedoch auch deutlich länger sein, beispielsweise 8
Stunden oder sogar 25 Stunden oder eine Woche oder mehr betragen.
Insbesondere bei einer Verzögerungszeit, die
etwa einem Kalendertag entspricht, kann man die langfristigen Einflüsse der
Umgebungstemperatur besser berücksichtigen,
also den Übergang
von Winter über
Frühling
zu Sommer und von Sommer über Herbst
zu Winter.
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Damit
die Drossel 20 die entsprechende Zeitverzögerung bewirken
kann, muß sie
relativ genau dimensioniert werden. Dies erfordert einen teilweise erheblichen
Aufwand in der Fertigung. Um diesen Aufwand zu vermindern, ist in 5 eine abgewandelte Ausführungsform
vorgesehen. Diese Ausführungsform
entspricht im wesentlichen der Ausführungsform von 4.
Gleiche Elemente sind dementsprechend mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Der
zweite Druckraum 17 ist bei dieser Ausführungsform nicht von einem
Faltenbalg begrenzt, sondern von einer elastischen Membran 27,
die mit einem Zylindergehäuse 28 verbunden
ist, das an die Kapsel des Thermostatelements 3 angeschweißt ist. Eine
Schweißverbindung 29 ist
schematisch dargestellt. Man kann das Zylindergehäuse 28 auch
an die Kapsel 30 des Thermostatelements 3 ankleben.
Auf jeden Fall muß die
Verbindung gegenüber
dem Fluid im Innenraum 7 des Thermostatelements 3 dicht sein.
Die Membran 27 muß natürlich ebenfalls
gegenüber
diesem Fluid dicht sein. Deswegen wird sie auch als "fluiddichte Membran" 27 bezeichnet.
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Der
Käfig 26 weist
einen Kolbenvorsprung 31 auf, der in eine Zylinderbohrung 32 des
Zylindergehäuses 28 hineinragt.
Die fluiddichte Membran 27 wirkt auf den Kolbenvorsprung 31.
Wenn also der Druck im zweiten Druckraum 17 erhöht wird,
dann wird der Kolbenvorsprung 31 aus dem Zylindergehäuse 28 verdrängt und
damit der Käfig 26 mit
dem Betätigungselement 12 nach
unten verlagert.
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Die
Kapsel 30 weist in ihrer Stirnseite eine Öffnung 33 auf,
durch die Fluid aus dem ersten Druckraum in einen Zwischenraum 34 gelangen kann.
Der Zwischenraum 34 ist vom zweiten Druckraum 17 durch
eine steife Membran 35 getrennt. Die Membran 35 ist
so steif, daß sie
sich unter dem Druck des Fluids nicht nennenswert durchbiegt. Sie
ist aber für
das Fluid durchlässig.
Allerdings ist diese Durchlässigkeit
sehr begrenzt. Sie beruht beispielsweise auf Diffusion. Alternativ
dazu kann die steife Membran mit Mikroöffnungen versehen sein, die
beispielsweise durch Ätzen
hergestellt werden können.
Erst im Laufe der Zeit stellt sich durch die Membran 35 ein Druckausgleich
zwischen dem Zwischenraum 34 und dem zweiten Druckraum 17 her,
wobei der dann erzeugte höhere
oder niedrigere Druck im zweiten Druckraum 17 dazu führt, daß der Kolbenvorsprung 31 mehr
oder weniger weit aus dem Zylindergehäuse 28 verdrängt wird.
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Die
Zeitkonstante des I-Gliedes des Reglers wird also durch die Durchlässigkeit
der Membran 35 bestimmt.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform, bei
der gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Man
kann die beiden Druckräume 15, 17 auch
durch eine flexible Wand voneinander trennen, so daß man sie
mit unterschiedlichen Medien füllen kann.
Eine derartige Wand kann beispielsweise als Kuppel ausgebildet sein,
die die Öffnung 33 überspannt.
Wenn die Kuppel (nicht dargestellt) durch die Druckerhöhung im
ersten Druckraum zusammengedrückt
wird, wird ein entsprechendes Medium auf der anderen Seite der Wand
verdrängt.
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Die
beiden Druckräume 15, 17 sind
hier über ein
Kapillarrohr 36 miteinander verbunden. Das Kapillarrohr 36 kann
eine Vielzahl von Windungen 37 aufweisen, so daß man das
Kapillarrohr 36 mit einer entsprechenden Länge ausbilden
kann. Diese Länge bewirkt
dann die gewünschte
Drosselung des Fluids beim Übergang
zwischen den beiden Druckräumen 15, 17.
Zusätzlich
kann das Kapillarrohr 36 eine nicht näher dargestellte Engstelle
aufweisen. Das Kapillarrohr 36 weist auf jeden Fall mindestens
eine Windung 37 auf, um Längenänderungen aufnehmen zu können, die
sich durch die Bewegung des Druckraums 17 bzw. des ihn
umgebenden Gehäuses
ergeben.
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Der
Druckraum 17 ist wiederum von einer Membrane 27 abgeschlossen,
die auf einen Kolbenvorsprung 31 wirkt. Diesbezüglich ist
die Ausgestaltung ähnlich
wie in 5. Die Membrane kann aus sehr
unterschiedlichen Materialien bestehen, z.B. Metall, Gummi, Kunststoff,
usw. Die Membrane 27 kann auch mit einer Beschichtung,
beispielsweise aus Metall, versehen sein, um eine Diffusion durch die
Membran 27 zu verhindern. Auch eine Schicht an der Membran
aus einem reinbungsvermindernden Material wäre möglich.
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7 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Thermostataufsatzes,
der im wesentlichen der von 5 entspricht.
Gleiche Elemente sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Zwischen
der Membrane 27 und der Kapsel 30 ist eine Trennplatte 38 angeordnet,
die an ihrer der Kapsel 30 zugewandten Seite eine spiralförmig ausgebildete
Nut 39 aufweist, die in einer Öffnung 40 endet, die
die Trennplatte 38 durchsetzt. Durch die Öffnung 40 kann
daher Fluid aus dem ersten Druckraum 15, d.h. aus dem Inneren
des Thermostatelements 3, in den Druckraum 17 gelangen
(in 7b nicht dargestellt). Bevor das Fluid durch die Öffnung 40 treten kann,
muß es
allerdings den Kanal durchströmen, der
durch die Nut 39 und die Kapsel 30 gebildet ist. Auch
dadurch läßt sich
eine ausreichende Zeitverzögerung
beim Druckausgleich zwischen den beiden Druckräumen 15, 17 erzeugen.
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Die
Trennplatte 38 ist zweckmäßigerweise mit der Kapsel 30 verklebt,
so daß sie
von der Kapsel 30 nicht abheben kann. Dies verhindert einen
Kurzschluß zwischen
benachbarten Abschnitten der Spiralnut 39.
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Wenn
man einen stärker
drosselnden Kanal wünscht,
kann man ihn auch länger
ausbilden und dafür
mehrere Trennplatten verwenden. Man kann auch mehrere Spiralnuten 39 verwenden,
um den Kanal anders zu drosseln.
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Grundsätzlich ist
auch vorstellbar, den Widerstand beim Übertritt von einem Druckraum
zum anderen von außen
verstellbar zu machen. Dies ist beispielsweise bei einer Drossel 20 ohne
weiteres möglich.
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Die
Erfindung wurde am Beispiel eines Heizkörper-Ventilaufsatzes beschrieben.
Sie ist aber in ähnlicher
Weise bei einem Kälteventil
für Kältedecken
oder ähnliche
Wärmetauscher
anwendbar. In diesem Fall ist üblicherweise
zwischen dem Thermostataufsatz 3 und dem Betätigungselement 12 noch eine
Wirk-Umkehreinrichtung (nicht dargestellt).