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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur fluidtechnischen
Steuerung und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen, insbesondere
für das
Medium Wasser, insbesondere für die
Gebäudetechnik.
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Bei
derartigen Steuerungen und Regelungen für Wasser in Gebäuden – vor allem
in Privathäusern und/oder
Wohnungen – wird
aller größter Wert
auf Funktion und Design gelegt. Darüber hinaus muß die Einrichtung
Besonderheiten hinsichtlich des Komforts aufweisen. Die Bedienfunktionen
müssen
trotz Vielfältigkeit
in der Funktion eine klare Überschaubarkeit
und Übersichtlichkeit
aufweisen.
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Die
wassertechnische Steuerung und Regelung muß stufenlos erfolgen; sie muß im normalen Leitungsnetz
eines Gebäudes
mit Normaldrücken < 10 bar und kurzzeitigen
Druckschlägen < 35 bar mit handelsüblichen
Mitteln und Werkzeugen installierbar sein. Als Installationsart
kommt die Unterputz (UP)-, die Aufputz (AP)- und die Inputz (IP)-Installation
in Frage mit/ohne Vorwandinstallation. Die Einrichtung muß neben
wasser- und gebäudetechnischen
Normen (VDE-, EMV-, CE-Zeichen, etc.) die Trinkwassernorm erfüllen. Die
Einrichtung besteht üblicherweise
aus einer Ventileinheit, die einen Ventilblock und einen elektronischen
Steuer- und Regelblock, netz- oder
netzgerätversorgt,
integriert oder abgesetzt, beinhaltet. Darüber hinaus steht eine abgesetzte
Bedieneinheit mit dem Steuer- und Regelblock innerhalb der Ventileinheit
elektrisch in Verbindung.
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Der
Warmwasserbereich erstreckt sich üblicherweise von Kaltwasser
bis temperiertem Wasser bis ca. 60°C mit einer Genauigkeit in der
Temperaturregelung von T = 1°C.
Neben einer stufenlosen Durchflußregelung bis ca. 20 l/min
wird häufig
eine Dosierfunktion in Stufen von 10 ml ... 20 ml gefordert. Es
werden zeitliche Anforderungen an die Verfügbarkeit bestimmter Wassertemperaturen
und -mengen gestellt. Von dem Ventilblock dürfen keine Rückschläge ins Versorgungsnetz
erzeugt werden und die Ventile sind so zu gestalten, daß keine
Wasserfließgeräusche auftreten.
Manuelle Funktionalität
und Sicherheit durch Abschalten des Wasserbezugs bei Stromausfall
sind zu gewährleisten.
Verbrühschutz durch
zusätzliche
Sensorabfrage mit Aktorik ist obligatorisch. Rückschlagventile und/oder Rückflußverhinderer
sind vorgesehen. Druckschwankungen im Versorgungs- oder Hausnetz
sind möglichst
auszugleichen.
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Die
Beschreibung wird fortgesetzt durch Würdigung des Stands der Technik
von Einrichtungen und Verfahren zur fluidtechnischen Steuerung und
Regelung von Druck, Temperatur und Volumen, insbesondere für das Medium
Wasser in der Gebäudetechnik.
Gemäß dem Stand
der Technik sind, je nach Anwendungsbezug, eine Vielzahl von Typen von
Einrichtungen und Verfahren zur fluidtechnischen Steuerung und Regelung
von Druck, Temperatur und Volumen, insbesondere von Wasser, in der Gebäudetechnik
bekannt.
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In
dem europäischen
Patentexposé
EP 1 128 105 /deutsche Patentschrift
DE 601 08 279 wird ein
Mischventil mit zwei Wassereinlässen
sowie einer Mischkammer für
das Mischen der Ströme
aus den beiden Einlässen
vorgestellt. Über
den beiden Einlässen
befindet sich ein aus mit Aussparungen versehenen Scheiben bestehendes
Regelelement, wobei die Aussparungen Geometrien sich verjüngender Öffnungen
aufweisen.
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Wird
die Scheibe gedreht, bewegen sich die verjüngenden Öffnungen über die Wassereinlässe derart,
daß die
jedem Wassereinlaß dargebotene
offene Fläche
der Scheibe entsprechend der Bewegung der Verjüngung zu- oder abnimmt. Wird
Sorge getragen, daß die
größtmögliche Öffnung über einem Einlaß die kleinstmögliche Öffnung über dem
anderen Einlaß bedingt
und durch Drehung der Scheibe bis zum entgegengesetzten Anschlag
das Gegenteil bewirkt wird, folgt daraus ein Proportionalventil,
bei dem – bei
Vorliegen konstanten Drucks auf beiden Leitungen – stets
eine konstante Menge gewünschten
temperierten Wassers entnommen werden kann. Eine über der
Scheibe angeordnete Wassermischkammer mit Verwirbler sowie ein die
Scheibe positionierender Getriebemotor und ein Temperaturfühler an
dem Wasserauslaßstutzen
komplettieren das Wassermischventil. Als Regelelemente sind auch
zylinder-, kegel- oder kugelförmige
sich gegen- oder ineinanderdrehende Teile mit entsprechenden Öffnungen
vorstellbar.
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Die
Veröffentlichung
beschreibt ein proportional arbeitendes Wassermischventil; eine
Regulierung der gesamten Wassermengen ist nicht vorgesehen.
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Weitere
Anmeldungen zum Wasser-Mischventil des Anmelders sind die europäischen Schriften
EP 1 482 221 ,
EP 1 589 268 ,
EP 1 596 110 sowie die englischen
Schriften
GB 2 359 610 und
GB 2 417 058 , die aber allesamt
das Proportionalventil zum Gegenstand haben.
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Die
europäische
Anmeldung
EP 1 229 418 stellt
die zur obigen Anmeldung gehörige
Steuer-/Regelungseinheit vor. Diese Steuer-/Regelung weist drei
Steuereingänge – die gewünschte Wassertemperatur,
die Scheibenposition des Proportionalventils und die Temperatur
des Mischwassers – sowie
einen Steuerausgang aus – die
Motorsteuerung. Der Regler weist Proportional-Differential (PD)-Verhalten
auf; die Steuer-/Regelung fährt
den Scheibenantrieb zum Abgleich stets in eine Positionier- und
Kalibrierposition.
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Die
Steuer-/Regelung weist nur eine Stellgröße – die Stellung des Proportionalventils – auf.
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Weitere
Anmeldungen zu der Steuer-/Regelungseinheit des Anmelders – wie oben – sind die englischen
Anmeldungen
GB 2 371 634 und
GB 2 405 224 .
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Durch
die Anmeldungen
GB 2 390 136 und
GB 2 390 139 offenbart der
Anmelder eine zweiventilige schnelle Flußregulierung für Wasserheizer. Während Ventil
1 die
durch den Heizer strömende Wassermenge
manuell voreinstellt, regelt Ventil
2 den Zufluß von Kalt-Mischwasser
zum Warmwasser, wenn ein Sensor auf Basis Wachskapsel oder Bimetallstreifen
dies erfordert.
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Die
Schnelligkeit der Regelung wird durch den Sensor – Wachs
oder Bimetall – bestimmt.
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Die
englischen Patentschriften
GB
2 390 135 und
GB 2 390
141 stellen ein Ventil für die Mengenregelung eines
Hosenrohrs für
einen Wasserheizer vor. Das fließende Medium in einem Leitungsrohr wird über ein
zahnstangen- und ritzelgesteuertes Ventil in zwei Leitungsrohre
dosiert, wobei die eine Leitung den Warmwasserzulauf für den Heizer
und die zweite Leitung den Kalt-Mischwasser-Zulauf darstellt. Die
Lösung
mittels Getriebe- oder Schrittmotor, Zahnstange und Ritzel erscheint
aufwendig und ggf. störanfällig.
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Gemäß der deutschen
Patentschrift
DE 100 42 165 /europäische Anmeldung
EP 1 309 760 wird ein Kommunikationssystem
aus Leit-, Automations- und Feldebene zur Steuerung und Überwachung
von Sanitärarmaturen
vorgestellt, wo zumindest ein Teil der batteriegespeisten Sanitärarmaturen
funkgesteuert sind. Die funkgesteuerten Sanitärarmaturen arbeiten nicht energieautark,
sondern batterie- oder netzgerätgespeist.
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Die
Patentschrift
DE 43 09 409 stellt
ein Mischventil für
kaltes und warmes Wasser vor, welches mit Motor und Getriebe thermostatisch
geregelt zwei Ventilkörper
mittels durchgehender Achse mit Steuerorganen bewegt, die durch
Zuström-
und Entlastungsbohrung Gegendruckkammern füllen bzw. entleeren, wodurch
das Mischungsverhältnis
von kaltem und warmen Wasser genau bestimmbar und keine Bauteilkompensation
erforderlich ist.
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Das
servogesteuerte Mischventil ist ein Proportionalventil, wobei stets
beim zufahrenden Ventil die Entlastungsbohrung geschlossen und beim öffnenden
Ventil geöffnet
wird, so daß die
Gegendruckkammer gefüllt
wird und ein zeitlicher Versatz um die Verfahrzeit des Steuerorgans
in der Gegendruckkammer entsteht.
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Bei
der deutschen Patentschrift
DE
36 43 519 erfolgt die Ansteuerung des Proportionalventils über ein
Dehnstoffelement als Feineinstellung und über einen elektronisch gesteuerten
Gleichstrommotor mit Spindelantrieb für die Grobeinstellung.
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Die
deutsche Offenlegung
DE
44 01 637 offenbart eine sanitäre Mischarmatur mit mechanisch arbeitendem
Thermostatventil bestehend aus Elektromotor ggf. mit Getriebe und
Gehäuse,
angeflanscht an das Armaturengehäuse,
wobei die Motorantriebswelle in das Armaturengehäuse führt und über eine Schraubspindel ein
Ausdehnelement mit Steuerkolben treibt, der – wie ein Proportionalventil arbeitend – auf den
Kalt- und/oder Warmwassereinlaß wirkt.
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Während der
Elektromotor mit Getriebe die gewünschte Sollwerteinstellung
besorgt, erfolgt die eigentliche Regelung der dann einzuhaltenden
Temperatur durch das Ausdehnelement. Das den Motor steuernde Bedienfeld
kann extern angeordnet werden.
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Mit
den deutschen Anmeldungen – Auslegeschrift
AS 1 934 658 , Offenlegungsschrift
OS 26 14 509 und
Patentschrift
DE 28
36 698 – wird
ein System von magnetisch geschalteten Ventilen für den Kalt-
und Warmwasseranschluß einer
elektrisch gesteuerten Mischarmatur offenbart. Während die älteste Anmeldung nur eine Mengenregelung
vorsieht, beschäftigt
sich die mittlere Anmeldung mit der 'Steuerung der Mischwassertemperatur
bei Mischarmaturen mit zwei Magnetventilen'. Die jüngste Anmeldung hat die Mengen-
und Temperatursteuerung von Mischarmaturen zum Inhalt. Erfaßt wird
nur die Wasser-Auslauftemperatur; die Auslauftemperatur wird durch
die Kalt- und Warm-Ventilöffnungszeiten
innerhalb der Periode einer Taktzeit vorgegeben.
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Durch
Hinzunahme einer Divisionsstufe nach dem Summen-Impulsformer, kann
die Summe der Impulsdauern für
die Kalt- und Warmwasser-Magnetventile kleiner als die Periode des
Taktgebers werden, wobei sich die Menge des temperierten auslaufenden
Mischwassers verringert – unter
Ausschluß einer
Temperaturänderung.
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Ein
weiteres proportional arbeitendes Mischventil zum Einbau in eine
elektronisch gesteuerte Sanitärarmatur
ist durch die Patentschrift
DE
103 16 372 /
EP 1 471 295 bekannt
geworden. Hierbei handelt es sich um einen Drehkolben, der an den
Stellen der Wasser-einläufe
sich asymmetrisch gegenüberstehende
evolventenartige Ausnehmungen besitzt, die in Verbindung mit dem
Hohlzylinder der Armatur durch Drehung die Zuläufe mit zunehmendem Volumen öffnet oder
abnehmendem Volumen schließt.
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Die
evolventenartigen Ausnehmungen verhindern Ventilgeräusche auch
bei geringem Strömungsquerschnitt.
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Die
deutsche Anmeldung
DE 39 23 566 stellt eine
elektronisch gesteuerte Mischvorrichtung vor, die auf Grund einer
Soll-Temperaturvorgabe und eines Ist-Wertabgleichs durch einen Temperatursensor hinter
der Mischarmatur über
eine Elektronikeinheit ein spannunggesteuertes Dehnelement beeinflußt.
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Die
elektronisch gesteuerte Mischarmatur zeichnet sich dadurch aus,
daß die
Stromversorgung mittels eines Akkumulators sichergestellt ist, der über einen
wasserleitungversorgten Generator – Strömung und Temperatur – nachgeladen
wird.
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Patentschrift
DE 38 12 736 stellt eine
elektronisch gesteuerte Temperatur- und Durchflußmischvorrichtung für flüssige Medien
vor mit einer Bedieneinheit – einem
quadratisch ausgeprägten
Tastenfeld – wobei
eine Koordinate des Tastenfelds der Temperatur und die andere dem
Durchfluß zugeordnet
ist.
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Ebenfalls
eine Vorrichtung zur digitalen elektronischen Regelung und Bedienung
einer Mischwasserbereitungsanlage wird in der deutschen Offenlegung
DE 40 26 110 vorgestellt.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE
40 14 849 offenbart eine elektronisch zweimotorig gesteuerte
Einhand-Mischarmatur mit Keramik-Steuerkulissen für eine Spüle, wobei
die händische
Neige- und die Drehbewegung des Einhand-Hebelmischers und deren
Wirkung auf die Keramikscheiben durch Motorik ersetzt wird.
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Ausgangsseitig
gemessen und geregelt wird nur die Temperatur, die Durchflußmenge wird
voreingestellt und gesteuert.
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Die
deutsche Offenlegung
DE
37 36 406 sieht eine dreistufig elektronisch gesteuerte
Mischvorrichtung vor, bei der eine Steuerung der proportionalen
Mischbatterie dient, die zweite Steuerung besorgt die Steuerung
der Lotion- und Shampoo-Pumpen und die dritte die zuflußsperrenden
Magnetventile im Zulauf von Kalt- und Warmwasser. Die Anordnung
ist batteriegespeist und über
einen DC-Motor getrieben. Es sind zwei Bedienfelder vorgesehen,
in der Dusche und am Duschkopf. In die Motor-Stellung der Mischbatterie
kann auch manuell eingegriffen werden.
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Die
amerikanische Patentschrift
US
4 756 030 stellt einen Bad-Kontroller für Dusche und Badewanne vor,
der aus zwei unabhängigen
motorgesteuerten Stellventilen mit Temperatur und Druckmessung für die Kalt-
und Warmwasserzuleitung besteht. Ein Signal-Prozessor mit Eingabetastatur
besorgt die Steuerung und Regelung der Antriebe. Handbetrieb ist
durch den Umschalter Dusche/Wanne, der auch als Mischer dient, gegeben.
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Das
Gebrauchsmuster G 87 07 661.6, die deutsche Patentschrift
DE 37 18 039 /euro
päische Anmeldung
EP 292 860 , die deutsche
Patentschrift
DE 36 24 799 /europäische Patentschrift
EP 253 921 beschreiben umfassend
eine elektronisch temperaturgeregelte Mischarmatur, die ein proportionales Regelverhalten
aufweist.
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Weiterhin
wird in der Anmeldung
DE 197
10 800 /europäische
Anmeldung
EP 968 383 eine
elektrisch batteriebetriebene Dusch-Aufputzarmatur vorgestellt,
die ein motorisch betriebenes Proportionalventil sowie eine Bedienkonsole
mit Anzeigen beinhaltet, die auch für das Nachrüstgeschäft geeignet ist.
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Die
europäischen
Veröffentlichungen
EP 1 672 257 ,
EP 1 590 715 /
WO 2004 68 252 und
EP 1 376 291 offenbaren thermostatische
Mischventile, wobei die thermostatische Steuerung über eine
aus rostfreiem Edelstahl hergestellte Wellenfeder erledigt wird.
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Zusammenfassend
gibt der Stand der Technik wieder, daß es sich bei den vorgestellten
mechanisch und/oder elektronisch geregelten Mischventilen um Proportionalventile
oder um ein oder zwei mechanisch unabhängige Stellventile – Magnetventile
oder motorische Stellventile – handelt,
die über
eine Steuerelektronik verschaltet werden. Additiv können für die Feinjustierung/-einstellung
mechanische und/oder elektrische Dehnelemente vorgesehen sein.
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Bei
Proportionalventilen ist stets der gleiche Durchfluß gegeben – im gleichen
Maß wie
die eine Ventilseite schließt, öffnet sich
die andere Seite proportional – und
die stete Abhängigkeit
der beiden Ventilseiten voneinander wirkt sich negativ aus. Weiterhin
sind bei Einsatz eines Proportionalventils stets Absperrventile
vorzusehen, je nach Anwendung vor oder hinter dem Proportionalventil.
Leichte einseitige Druckschwankungen in einer der Leitungen des
Zulaufs können
nicht ausgeglichen werden.
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Magnetventile
ziehen als induktive Bauelemente einen hohen Strom und öffnen/schließen schnell,
was immer mit Geräuschbildung
einhergeht; bei Einsatz von Magnetventilen sind ggf. schallisolierende
Maßnahmen
vorzusehen. Das schlagartige Schließen hat bei unter Druck stehenden
Leitungen stets einen Rückstoß, das Öffnen einen
sofortigen Druckabfall zur Folge, so daß der Einsatz derartiger Ventile
immer den Einsatz von Druckausdehnungsgefäßen voraussetzt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine
Einrichtung zur fluidtechnischen Steuerung und Regelung von Druck, Temperatur
und Volumen, insbesondere für
das Medium Wasser mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmalen zu schaffen unter Vermeidung obengenannter Nachteile.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Auf
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung nehmen die Unteransprüchen Bezug.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren und eine Einrichtung zur fluidtechnischen Steuerung
und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen, insbesondere für das Medium
Wasser, insbesondere für
die Gebäudetechnik,
vorgeschlagen, bei dem/der der Einsatz eines Proportionalventils durch
Hinzunahme einer weiteren Steuerungskomponente verbessert wird.
Bei der vorliegenden Erfindung werden zwei Ventilantriebskonzepte – Proportionalventil-
und Einzelventil-Steuerung – in
einem Gerät
zusammengeführt
und wahlweise betrieben.
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Aus
dem reinen Proportionalventil können applikationsspezifisch
zwei unabhängige
Einzelventil-Steuerungen abgeleitet werden; es werden einerseits
die Vorteile eines Proportionalventils genutzt und andererseits
die Schwächen
desselben durch Hinzunahme einer weiteren Antriebs- oder Schalteinrichtung
beseitigt. Die Ventilanordnung kann auch als erweitertes Proportionalventil
oder als Einzelventil-Steuerung mit möglichem Proportionalverhalten bezeichnet
werden. Druckschwankungen einer Versorgungsleitung können durch
diese Anordnung ausgesteuert oder -geregelt werden.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in der Universalität des Einsatzes
eines solchen Mischventils für
verschiedenste Applikationen flüssiger
Medien.
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Der
Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der als Anlage
beigefügten
Zeichnungen von Ausführungsbeispielen
weiter verdeutlicht. Es zeigen
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1 Elektronisch
gesteuertes Proportionalventil mit Auf-/Zu-Verstellung
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2 Elektronisch
gesteuertes Proportionalventil mit kontinuierlicher Mengenverstellung
je
als Funktionsschaltbild.
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Gleiche
und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele sind in den
Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die
Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung
wird fortgesetzt anhand der Erläuterungen
der Figuren.
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Wie
aus 1 ersichtlich, besteht die fluidtechnische Steuerung
und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen aus einem Ventilblock 10, einem
Antriebsteil 30 und einer Steuer-/Regelung mit Sensorik
und Aktorik 50.
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Über die
Zulauf-Leitungen 11 und 12 steht Warm- und Kaltwasser
an den Ventilköpfen
der Kegelventile 15 und 16 zur Verfügung. Die
gesteuerten Warm- und Kaltwasserleitungen laufen in der Mischkammer 13 zusammen;
Mischwasser der gewünschten
Temperatur und der gewünschten
Menge gelangt in den Auslauf 14.
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Die
Mischwasserbereitung erfolgt über
ein elektronisch gesteuertes Proportionalventil mit Auf-/Zu-Verstellung.
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Das
Proportionalventil wird gebildet – ausgehend von der Warmseite – aus dem
Kegelventil 15, dem Loslager 17, der Ventilstange 19,
dem Gleitlager mit Dichtung 21, der Magnetkupplung 35,
dem Kupplungsbecher 36 und der Kupplungsdruckfeder 37. Kaltseitig
schließt
sich die Ventilstange 20, die Gewindespindel 34,
das Gleitlager mit Dichtung 22, das Loslager 18 sowie
das Kegelventil 16 an.
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Die
Funktionsweise des Proportionalventils erfolgt derart, daß der Antrieb 31 – ausgeführt als Schrittmotor
oder geregelter Gleichstrommotor – über das Treibrad 32 – ausgeführt als
geradverzahntes Stirnrad – die
außengeradverzahnte
Mutter 33 antreibt, über
deren Innengewinde die Gewindespindel 34 je nach Drehrichtung
axial bewegt wird. Auf der Kaltwasserseite 12 bewegt sich
das Kegelventil 16 in den oder aus dem Ventilsitz, je nach
Dreh- und Bewegungsrichtung von Motor 31 und Ventilstange 20.
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Auf
der Warmwasserseite 11 bewegt sich bei bestromter Magnetkupplung 35 – Kupplung 35 und Kupplungsbecher 36 bilden
einen Kraftschluß entgegen
der Kraft der Druckfeder 37 über das aufgebaute magnetische
Feld – das
Kegelventil 15 in den oder aus dem Ventilsitz, je nach
Dreh- und Bewegungsrichtung von Motor 31 und Ventilstange 20 bzw.
Ventilstange 19.
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Bei
nicht bestromter Magnetkupplung 35 drückt die Kupplungsdruckfeder 37 das
Kegelventil 15 über
die Ventilstange 19 formschlüssig und dichtend in den warmwasserseitigen
Ventilsitz. Eine kaltwasserseitige Dreh- und Bewegungsrichtung von Motor 31 und
Ventilstange 20 wird über
die Kupplungsdruckfeder 37 in Verbindung mit dem Kupplungsbecher 36 wegmäßig zu Null
kompensiert.
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Die
fluidtechnische Steuerung und Regelung 50 von Druck, Temperatur
und Volumen des Mischventils erfolgt über die Steuer-/Regeleinheit
mit Bedienfeld 51, an die die Druck- und Temperatursensoren warmwasserseitig 52,
kaltwasserseitig 53 und mischwasserseitig 54 angeschlossen
sind. Die Positionierung der warm- und kalt wasserseitigen Kegelventile 15 bzw. 16 bezogen
auf den Ventilsitz wird von der Steuer-/Regeleinheit 51 über die
Sensoren 55 bzw. 56 erfaßt; die Positionserfassung
dient auch dem Abgleich/Verschleiß und der Kalibrierung von
Ventilkopf bzw. -sitz.
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Die
Position des Proportionalventils kann – je nach Antriebsart, z.B.
beim Gleichstrom-Synchronmotor – kaltseitig über den
hochauflösenden
Drehgeber 58 von der Steuer-/Regeleinheit 51 erfaßt werden.
Kommt dagegen ein über
den Anschluß 60 zu taktender
Schrittmotor zum Einsatz, entfällt
die Drehwinkelerfassung 58 oder dient nur Kontrollzwecken.
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Die
Steuer-/Regeleinheit 51 beinhaltet auch die Steuerung der
Aktoren, wie die Magnetkupplung 35 über den Anschluß 59 und
den Antrieb des Proportionalventils 31 über den Anschluß 60.
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Die
Arbeitsweise der fluidtechnischen Steuerung und Regelung von Druck,
Temperatur und Volumen nach 1 kann wie
folgt beschrieben werden. Je nach Verwendungszweck kann die Einrichtung elektrisch
netzversorgt oder akkumulator- oder niederspannungsversorgt oder
energieautark ausgeführt
werden. Der Anwender stellt über
die Bedieneinheit der Steuer-/Regeleinheit Temperatur und ggf. Wasserdruck
bzw. -menge ein. Über
die Sensoren der Warm- und Kaltwasserzuführung ist sowohl die Historie
als auch der Ist-Zustand von Temperatur und Druck bekannt. Der Abgleich
mit den Soll-Daten verstellt ggf. das Proportionalventil, verschließt z.B. den
Kaltwasserzulauf oder öffnet
ihn, je nach Temperaturstand des Warmwassers. Darüberhinaus
besteht die Möglichkeit – je nach
Anforderung – eine Auf-/Zu-Verstellung
des Warmwasserzulaufs vorzunehmen; wobei die Auf-/Zu-Verstellung
auf jeden Fall als Verbrühsicherung
arbeitet.
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Eine
weitere Ausprägungsform
der erfinderischen Neuheit ist dadurch gegeben, daß die Steuer-/Regeleinheit über einen
gespeicherten softwaremäßigen Algorithmus
verfügt – die Ventil-
und Regelkennlinien des Regelverhaltens sind speichermäßig ebenfalls
hinterlegt – der
in Abhängigkeit
des Ist-Zustands der Einrichtung aktiviert wird. Je nach Zustand des
gemischten Wassers in der Mischkammer wird sensorisch ein Abgleich
des Proportionalventils vorgenommen. Das Erreichen der gewünschten
Mischwassertemperatur kann dem Anwender/Benutzer optisch und/oder
akustisch signalisiert bzw. angezeigt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung arbeitet die Einrichtung u.a.
in Abhängigkeit ihrer
Vorgeschichte und ihres Umfelds. Damit werden die Warm- und Kaltwasserzuläufe angesprochen,
deren Wasserdruck und deren mögliche
Aufheiztemperaturen. Der Warmwasserzulauf ist ggf. um ein lokales
Wasseraufheizgerät
zu ergänzen
oder der Wasserdruck muß mittels
einer lokalen Pumpe eine Druckerhöhung erfahren. Ein weiterer
Verfahrenspunkt ist die zeitliche und mengenmäßige Bereitstellung von gewünschtem
temperierten Mischwasser. Hier besteht die Möglichkeit, die Mischwasserkammer
zu vergrößern und
ggf. mit zusätzlicher
Pumpe und By-pass-Leitung zu versehen, auch über den Umweg einer erneuten
Aufheizung.
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Auch
die Kaltwasserversorgung muß – je nach
Installationsort – eine
Aufwertung erfahren. Wie bei der Warmwasserversorgung zusätzlich Aufheizgeräte zum Einsatz
kommen können,
ist bei der Kaltwasserbereitstellung ggf. ein Kühlgerät mit in den Versorgungskreislauf
einzubinden.
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Eine
weitere Ausprägung
der Erfindung sieht vor, daß in
Abhängigkeit
dieser zusätzlichen
Maßnahmen
entsprechende Arbeitskennlinien in der Steuer-/Regeleinheit hinterlegt
werden und der Regelalgorithmus auf das Gesamtsystem einmalig abgestimmt
wird. Je nach Steuer-/Regeleinheit-Ausstattung ist der Regelalgorithmus
selbstlernend und paßt
sich den Benutzergepflogenheiten an.
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Wie
aus 2 ersichtlich, besteht die fluidtechnische Steuerung
und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen aus einem Ventilblock 10, einem
Antriebsteil 30 und einer Steuer-/Regelung mit Sensorik
und Aktorik 50.
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Über die
Zulauf-Leitungen 11 und 12 steht Warm- und Kaltwasser
an den Ventilköpfen
der Kegelventile 15 und 16 zur Verfügung. Die
gesteuerten Warm- und Kaltwasserleitungen laufen in der Mischkammer 13 zusammen;
Mischwasser der gewünschten
Temperatur und der gewünschten
Menge gelangt in den Auslauf 14.
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Die
Mischwasserbereitung erfolgt über
ein elektronisch gesteuertes Proportionalventil mit zusätzlicher
kontinuierlicher Warmwasser-Mengenverstellung.
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Das
Proportionalventil wird gebildet – ausgehend von der Warmseite – aus dem
Kegelventil 15, dem Loslager 17, der Ventilstange 19,
dem Gleitlager mit Dichtung 21, der Gewindespindel 39,
der außengeradverzahnten
Hutmutter 38 und dem Axiallager 40. Kaltseitig
schließt
sich die Ventilstange 20, die Gewindespindel 34,
das Gleitlager mit Dichtung 22, das Loslager 18 sowie
das Kegelventil 16 an.
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Die
Funktionsweise des Proportionalventils erfolgt derart, daß der Antrieb 31 – ausgeführt als Schrittmotor
oder geregelter Gleichstrommotor – über das Treibrad 32 – ausgeführt als
geradverzahntes Stirnrad – die
außengeradverzahnte
Mutter 33 antreibt, über
deren Innengewinde die Gewindespindel 34 je nach Drehrichtung
axial bewegt wird. Auf der Kaltwasserseite 12 bewegt sich
das Kegelventil 16 in den oder aus dem Ventilsitz, je nach
Dreh- und Bewegungsrichtung von Motor 31 und Ventilstange 20.
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Auf
der Warmwasserseite 11 erfolgt die kontinuierliche Mengenverstellung
derart, daß der
Antrieb 41 – ausgeführt als
Schrittmotor oder geregelter Gleichstrommotor – über das Treibrad 32 – ausgeführt als
geradverzahntes Stirnrad – die
außengeradverzahnte
Hutmutter 38 antreibt, über
deren Innengewinde die Gewindespindel 39 je nach Drehrichtung axial
bewegt wird. Auf der Warmwasserseite 11 bewegt sich das
Kegelventil 15 in den oder aus dem Ventilsitz, je nach
Dreh- und Bewegungsrichtung von Motor 41 und Ventilstange 19.
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Von
diesem Dreh- und Bewegungsablauf ist die Kaltwasserseite 12 des
Proportionalventils 16 über
das Axiallager 40 entkoppelt. Für bestimmte Anwendungen kann
es zum Vorteil gereichen, das Axiallager 40 auch als schaltbare
Kupplung auszuführen.
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Die
fluidtechnische Steuerung und Regelung 50 von Druck, Temperatur
und Volumen des Mischventils erfolgt über die Steuer-/Regeleinheit
mit Bedienfeld 51, an die die Druck- und Temperatursensoren warmwasserseitig 52,
kaltwasserseitig 53 und mischwasserseitig 54 angeschlossen
sind. Die Positionierung der warm- und kaltwasserseitigen Kegelventile 15 bzw. 16 bezogen
auf den Ventilsitz wird von der Steuer-/Regeleinheit 51 über die
Sensoren 55 bzw. 56 erfaßt; die Positionserfassung
dient auch dem Abgleich/Verschleiß und der Kalibrierung von
Ventilkopf bzw. -sitz. Die Position der Gewindespindel 39 in
der Sackbohrung mit Gewinde der Hutmutter 38 kann mit Hilfe
des Sensors 62 gemessen werden; die Messung dient vorrangig
der Sicherheit/Blockierschutz von Gewindespindel und Hutmutter.
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Die
Position des Proportionalventils kann – je nach Antriebsart, z.B.
beim Gleichstrom-Synchronmotor – kaltseitig über den
hochauflösenden
Drehgeber 58 von der Steuer-/Regeleinheit 51 gemessen werden.
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Die
Position des Ventils der kontinuierlichen Warmwasser-Mengenverstellung
kann – je
nach Antriebsart, z.B. beim Gleichstrom-Synchronmotor – kaltseitig über den
hochauflösenden
Drehgeber 57 von der Steuer-/Regeleinheit 51 gemessen
werden.
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Kommt
als Antriebsmotor dagegen ein über den
Anschluß 60 bzw. 61 zu
taktender Schrittmotor zum Einsatz, entfällt die Drehwinkelerfassung 57 bzw. 58 oder
dient nur Kontrollzwecken.
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Die
Steuer-/Regeleinheit 51 beinhaltet auch die Steuerung der
Aktoren, wie den Anschluß 61 des Antriebs
des Ventils der Warmwasser-Mengenverstellung 41 sowie den
Antrieb des Proportionalventils 31 über den Anschluß 60.
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Zusätzlich zu
der oben beschriebenen Arbeitsweise, ist in 2 statt
der Auf-/Zu-Verstellung des
Warmwasserventils ein motorisch angetriebenes kontinuierlich zu
verstellendes Ventil vorgesehen, was auch softwaremäßig in der
Steuer-/Regeleinheit hinterlegt ist. Ein dem Proportionalventil übergeordnetes
kontinuierlich zu verstellendes Ventil erlaubt jegliche Druckschwankungen
in den wasserführenden
Leitungen – verursacht
durch eine dem Zufallsprinzip unterliegende Nutzerstruktur – auszugleichen.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung stellt sich das motorisch gesteuerte
und geregelte Proportionalventil entsprechend dem Bedarfsprofil
des Anwenders ein und verfährt
ggf. die beiden Ventilköpfe.
Je nach Anforderung – sensorisch ermittelt – wird die
Warmwasser-Mengenverstellung aktiviert, die jetzt entkoppelt von
dem Proportionalventil ihrerseits eine Ventileinstellung vornimmt.
-
Mit
dieser erfindungsgemäßen Ausbildung werden
von den beiden Antrieben stets rotatorische Drehbewegungen in translatorische
Bewegungen umgesetzt, während
jedoch der Antrieb des Proportionalventils beide Ventile gleichzeitig
steuert, beeinflußt
der Antrieb der kontinuierlichen Warmwasser-Mengenverstellung nur
das entsprechende Ventil des Warmwasserzulaufs. Die einwandfreie
Funktionsweise der Einrichtung wird durch Stellungssensoren und
ggf. Drehgebersensoren gewährleistet.
-
Die
zahlreichen Möglichkeiten
und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der Anzahl
der Schutzrechtsansprüche
wider.
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- 10
- Ventil
- 11
- Zulauf
Warmwasser
- 12
- Zulauf
Kaltwasser
- 13
- Mischkammer
- 14
- Auslauf
Mischwasser
- 15
- Kegelventil,
warmseitig
- 16
- Kegelventil,
kaltseitig
- 17
- Loslager,
warmseitig
- 18
- Loslager,
kaltseitig
- 19
- Ventilstange,
warmseitig
- 20
- Ventilstange,
kaltseitig
- 21
- Gleitlager
mit Dichtung, warmseitig
- 22
- Gleitlager
mit Dichtung, kaltseitig
- 30
- Antrieb
- 31
- Antrieb
Proportionalventil
- 32
- Treibrad,
geradverzahnt
- 33
- Mutter,
außengeradverzahnt
- 34
- Gewindespindel
- 35
- Magnetkupplung,
schaltbar
- 36
- Kupplungsbecher
- 37
- Kupplungsdruckfeder
- 38
- Hutmutter,
außengeradverzahnt
- 39
- Gewindespindel
- 40
- Axiallager
- 41
- Antrieb
Ventil, warmseitig
- 50
- Steuer-/Regelung,
Sensorik, Aktorik
- 51
- Steuer-/Regeleinheit
mit Bedienfeld
- 52
- Druck-,
Temperatursensor, warmseitig
- 53
- Druck-,
Temperatursensor, kaltseitig
- 54
- Druck-,
Temperatursensor, mischwasserseitig
- 55
- Stellung
Kegelventil, warmseitig
- 56
- Stellung
Kegelventil, kaltseitig
- 57
- Drehgeber
Antrieb Proportionalventil, warmseitig
- 58
- Drehgeber
Antrieb Proportionalventil, kaltseitig
- 59
- Steuerung
Magnetkupplung
- 60
- Steuerung
Antrieb Proportionalventil
- 61
- Steuerung
Antrieb Ventil, warmseitig
- 62
- Stellung
Gewindespindel, warmseitig