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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für Warmwasserbereiter mit einem
Kessel, der ein Luftkissen zum Ausgleich von Druckänderungen
aufweist.
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Warmwasserbereiter
dienen zum Erwärmen von
Trinkwasser. Das in einem Kessel enthaltene Wasser wird, z. B. mittels
einer Heizspirale erwärmt. Dabei
dehnt sich das Wasser aus. Dies führt zu einer Druckerhöhung im
Kessel.
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Stand der Technik
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Es
gibt Warmwasserbereiter, deren Kessel ein Luftkissen zum Ausgleich
von Druckänderungen aufweist.
Ein derartiger Warmwasserbereiter ist bis zu einem vorgegebenen
Niveau mit Wasser gefüllt.
In dem Wasser befindet sich eine Heizspirale. Oberhalb des Wassers
ist ein Luft-Volumen vorgesehen. Wenn sich das Wasser bei Erwärmung ausdehnt, übt es einen
Druck auf das Luft-Volumen aus. Aufgrund der Volumenabnahme des
Luft-Volumens steigt der Gesamtdruck in dem Kessel nur geringfügig. Der
Vorteil dieser Anordnung ist es, dass Ausdehnungswasser nicht abgelassen
und verworfen werden muss.
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Aus
der
DE 198 47 870
C1 ist ein elektrischer Durchlauferhitzer mit Druckbegrenzungsschutzeinrichtung
bekannt. Die Anordnung schützt
gegen Überdruck
in einem hydraulischen System oder daran sich anschließenden hydraulischen
Leitungen. Die Einrichtung ist an einer Kammer angeordnet, deren
Aufnahmevolumen vom Wasserdruck abhängig ist. Diese Kammer ist über eine
Verbindungsleitung mit dem hydraulischen System des Durchlauferhitzers
verbunden. Dabei weist die Verbindungsleitung einen deutlich geringeren
Querschnitt auf, als die Leitung des hydraulischen Systems des Durchlauferhitzers.
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Zur
Vermeidung von Verwirbelungen, die dazu führen, dass Luft im Abgang mitgerissen
wird, ist in dem Kessel ein Schwimmer auf dem Wasser vorgesehen.
Dennoch nimmt die Luftmenge nach und nach ab.
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Bekannte
Kessel dieser Art müssen
daher in regelmäßigen Abständen von
Hand abgesperrt und belüftet
werden, so dass das Luft-Volumen wieder ausreichend ist. Dies ist
zeitaufwändig
und mühsam.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Armatur zu schaffen, mit welcher
das Luft-Volumen auf einfache Weise wieder aufgefüllt werden
kann. Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einer Ventilanordnung der eingangs genannten Art gelöst, enthaltend:
- (a) ein Gehäuse
mit einem Einlass, einem Auslass und einem zwischen Einlass und
Auslass angeordneten Ablauf;
- (b) einen zwischen Einlass und Auslass angeordneten, von einer
Federkraft beaufschlagten Kolben, der zwischen zwei an einem Kolbenschaft des
Kolbens vorgesehenen, beabstandeten Teller unterschiedlicher Wirkfläche innerhalb
einer Gehäusebohrung
eine Steuerkammer bildet;
- (c) einen an dem Kolben vorgesehenen Ventilteller für ein an
dem Ablauf angeordnetes Ablaufventil;
- (d) einen weiteren, an dem Kolbenschaft vorgesehenen Ventilteller,
der mit dem Gehäuse
ein Durchlassventil zum Absperren des Durchgangs zwischen Einlass
und Auslass bei geöffnetem
Ablaufventil bildet; und
- (e) ein Hilfsventil, das einen Durchgang zwischen der Steuerkammer
und dem Einlass kontrolliert und das von einem mit dem Wasserreservoir
in Verbindung stehenden Drucksensor steuerbar ist, so dass
- (f) bei Öffnen
des Hilfsventils in der Steuerkammer Einlassdruck herrscht und der
Kolben entgegen der Federkraft in Öffnungsrichtung des Ablaufventils
bewegt wird und bei Schließen
des Hilfsventils die Steuerkammer belüftet wird, so dass das Ablaufventil
schließt.
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Die
erfindungsgemäße Ventilanordnung
erlaubt es, bestehende Kessel nachzurüsten, ohne dass aufwändige Ausdehnungsgefäße oder
dergleichen eingesetzt werden müssen.
Die Steuerkammer wird von zwei Teller mit unterschiedlicher Wirkfläche gebildet.
Das heißt,
eine Druckänderung
führt dazu, dass
der Kolben sich bewegt, bis ein Kräftegleichgewicht hergestellt
ist. Wenn der Druck in der Steuerkammer erhöht wird, wird der Kolben in
Richtung des Tellers mit größerer Wirkfläche bewegt.
Wenn der Druck in der Steuerkammer verringert wird, wird der Kolben
in die entgegengesetzte Richtung des Tellers mit kleinerer Wirkfläche bewegt.
Der gegenüber
dem Atmosphärendruck
erhöhte
Einlassdruck in der Steuerkammer führt also dazu, das der Kolben
sich entgegen der Federkraft in Öffnungsrichtung
des Ablaufs bewegt. Dann wird das Ablaufventil geöffnet. Umgekehrt
wird das Ablaufventil geschlossen, wenn die Steuerkammer wieder
belüftet
wird.
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Der
Eingangsdruck wird in der Steuerkammer angelegt, indem ein Hilfsventil,
insbesondere ein Magnetventil, einen Durchgang zwischen Einlass und
Steuerkammer öffnet.
Bei der dadurch verursachten Kolbenbewegung wird der Durchgang zwischen
dem Einlass und dem Auslass mittels eines weiteren Ventiltellers
geschlossen, bevor das Ablaufventil bei fortgesetzter Kolbenbewegung
geöffnet wird.
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Das
Magnetventil wird vorzugsweise immer dann geöffnet, wenn die einer Erwärmung über ein vorgegebenes
Temperaturintervall folgenden Druckänderung, die von einem Drucksensor
ermittelt wird, einen Schwellwert übersteigt. Die erhöhte Druckänderung
ist eine Folge eines kleiner werdenden Luft-Volumens. Dabei kann
die Steuerung auch derart erfolgen, dass ein Zeitpunkt für die Belüftung gewählt wird,
bei dem kein Wasser gezapft wird. Dies ist typischerweise in der
Nacht der Fall. Der Zeitpunkt wird so bestimmt, dass über einen
gewissen Zeitraum keine Temperatur- und/oder Druckänderung
erfolgt. Auf diese Weise wird die Funktion des Warmwasserbereiters
nicht beeinträchtigt.
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Vorzugsweise
ist das Magnetventil in einer Ventilkammer mit einer Belüftungsöffnung angeordnet
und das Magnetventil gibt die Belüftungsöffnung zum Belüften der
Steuerkammer frei, wenn der Durchgang zwischen der Steuerkammer
und dem Einlass von dem Magnetventil gesperrt ist.
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Weiterhin
kann zwischen Durchgangsventil und Auslass ein Sicherheitsventil
angeordnet werden. Ferner kann ein Rückflussverhinderer im Einlass
vorgesehen sein. Das Ablaufventil kann als Schrägsitzventil ausgebildet sein.
Dabei bildet die Bewegungsrichtung des Kolbens mit der Durchgangsachse
zwischen Einlass und Auslass einen Winkel von beispielsweise 45
Grad.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Querschnitt durch eine Ventilanordnung zur Belüftung eines
Kessels eines Warmwasserbereiters in Betriebsstellung.
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2 ist
ein Querschnitt durch die Ventilanordnung aus 1 in
Belüftungsstellung.
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3 ist
ein Ausschnitt aus 1.
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4 ist
ein Ausschnitt aus 2.
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5 ist
ein Querschnitt durch eine Ventilanordnung zur Belüftung eines
Kessels eines Warmwasserbereiters in Übergangsstellung.
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6 ist
eine schematische Darstellung der Ventilanordnung mit Warmwasserbereiter
und Belüfter.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
eine allgemein mit 10 bezeichnete Armatur zur Teilentleerung
(Belüftung)
eines Kessels mit Luftkissen. Die Armatur 10 umfasst ein
Gehäuse 12 mit
einem Einlassstutzen 14 und einem damit fluchtenden Auslassstutzen 16.
Der Einlasstutzen 14 wird an eine Trinkwasserversorgung
(nicht dargestellt) angeschlossen. Entsprechend herrscht im Einlass 18 ein
Einlassdruck. Der Auslassstutzen 16 wird an den Kessel
eines Warmwasserbereiters (nicht dargestellt) angeschlossen. Entsprechend
herrscht im Auslass 20 der gleiche Druck, wie im Kessel
des Warmwasserbereiters.
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Am
Auslass 20 ist ein weiterer Stutzen 22 vorgesehen.
An den Stutzen 22 wird ein Sicherheitsventil 24 angeschlossen.
Derartige Sicherheitsventile 24 sind allgemein bekannt
und brauchen daher hier nicht näher
beschrieben werden. Ein Rückflussverhinderer 26 in
Form einer Rückflussverhinderer-Patrone
ist in dem Gehäuse 12 hinter
dem Einlass angeordnet. Der Rückflussverhinderer 26 öffnet in
Richtung des Warmwasserbereiters.
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Unter
einem Winkel von 45° schräg zur Längsachse
zwischen Einlass 18 und Auslass 20 ist ein kombiniertes
Durchgangsventil 30 und Ablaufventil 32 vorgesehen.
Das Ablaufventil 32 ist an einem gekrümmten Ablaufstutzen 34 vorgesehen,
mit dem ein Ablauftrichter 36 mittels einer Mutter 38 verschraubt
ist. Quer zum Ablaufstutzen ist ein Drucksensor 40 an dem
Gehäuse 12 angeordnet.
Das Durchgangsventil 30 ist in einer von dem Gehäuse 12 gebildeten
Durchgangsbohrung 42 angeordnet, die mit dem Einlass 18 und
dem Auslass 20 fluchtet.
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1 zeigt
das Ablaufventil 32 in geschlossener Stellung, bei der
das Durchgangsventil 30 geöffnet ist. Dies ist die Betriebsstellung.
Wasser kann in den Warmwasserbereiter nachfließen, wenn es gezapft wird. 2 zeigt
das Ablaufventil 32 in geöffneter Stellung, bei der das
Durchgangsventil geschlossen ist. Dann kann Wasser aus dem Kessel
abfließen,
so dass sich das Luftkissen in dem Kessel vergrößert.
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3 und 4 zeigen
vergrößerte Ausschnitte
der Ventilanordnung mit geöffnetem
bzw. geschlossenem Ablaufventil, anhand derer die Funktionsweise
nachfolgend erläutert
werden sollen.
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Das
Gehäuse 12 bildet,
wie in den Figuren dargestellt, eine unter einem Winkel von 45° zur Längsachse
der Durchgangsbohrung 42 verlaufende Gehäusebohrung 44.
In der Gehäusebohrung 44 ist ein
Mehrfachkolben 46 verschiebbar geführt. Die Gehäusebohrung 44 mündet auf
der in 3 unten liegenden Seite in dem Ablaufstutzen 34.
Der Mehrfachkolben 46 weist am unteren Ende eines Kolbenschaftes 54 einen
Ventilteller 48 mit einer Dichtung 52 auf. Der
Ventilteller 48 bildet zusammen mit einer Ringschulter 50 am
Ablaufstutzen 34 das Ablaufventil 32.
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Oberhalb
des Ventiltellers 48 und beabstandet dazu ist ein weiterer
Teller 56 mit einer Ringdichtung 58 an dem Kolbenschaft 54 vorgesehen.
Der Teller 56 wirkt mit einem nach innen ragenden Gehäusevorsprung 60, 62 zusammen.
Der Gehäusevorsprung 60, 62 liegt
innerhalb der Durchgangsbohrung 42. Der Gehäusevorsprung 60, 62 ist
ringförmig und
fluchtet mit der Gehäusebohrung 44.
In der Offenstellung des Ablaufventils 32 liegt der Teller 56 abdichtend
innerhalb des Gehäusevorsprungs 60, 62. Auf
diese Weise bildet der Teller 56 mit dem Gehäusevorsprung 60, 62 das
Durchgangsventil 30, mit dem die Gehäusebohrung 42 verschließbar ist.
Dies ist in 4 dargestellt. Da die Teller 48 und 56 den gleichen
Durchmesser aufweisen, ist die Wirkfläche identisch, so dass die
Funktionsweise der Anordnung druckunabhängig ist.
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Der
Zwischenraum 64 zwischen dem Ventilteller 48 und
dem Teller 56 stellt unabhängig von der Kolbenstellung
eine Verbindung zwischen dem Auslass 20 und dem Drucksensor 40 her.
Der Drucksensor 40 kann also zu jedem Zeitpunkt den Auslassdruck,
und damit den Druck in dem Kessel messen. Aus dem Verlauf der Druckwerte
wird die Druckdifferenz bei Temperaturerhöhungen ermittelt.
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An
dem Kolbenschaft 46 ist ferner ein dritter Teller 66 gleichen
Durchmessers mit einer Dichtung 68 vorgesehen. Der dritte
Teller 66 ist im oberen Ende der Gehäusebohrung 44 geführt. Der
Kolbenschaft 46 und die Teller 48, 56 und 66 sind
einstückig ausgebildet.
Am Ende des Kolbenschafts 46 ist ein tellerförmiges Steuerglied 70 abdichtend
aufgesteckt und mit einem Schraubglied 80 fixiert. Hierzu
sind Dichtungen 72 und 74 vorgesehen. Das tellerförmige Steuerglied 70 dient
auf der Oberseite in der Darstellung als Widerlager für eine Schraubenfeder 76.
Das andere Ende der Feder 72 ist an einer Kappe 78 abgestützt, welche
das Gehäuse
verschließt.
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Die
Gehäusebohrung 44 ist
an ihrem oberen Ende verbreitert. Dadurch wird eine Schulter 82 auf der
Gehäuseinnenseite
gebildet. Die Schulter 82 dient als Anschlag für das tellerförmige Steuerglied 70.
Das tellerförmige
Steuerglied 70 ist in dem verbreiterten Teil der Gehäusebohrung 44 beweglich zwischen
der Schulter 82 und einer von der Kappe 78 gebildeten
Schulter 84, die als entgegengesetzter Anschlag dient,
geführt.
Die Bewegung erfolgt gegen die Federkraft der Feder 76.
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Die
Unterseite des tellerförmigen
Steuerglieds 70, die Innenwandung der Gehäusebohrung 44 und
der dritte Teller 66 bilden eine ringraumförmige Steuerkammer 88.
Die Steuerkammer 88 ist um den etwas verbreiterten, oberen
Teil des Kolbenschaftes 46 herum angeordnet. Die in der Steuerkammer 88 wirkenden
Kräfte
werden durch die Wirkfläche
an der Unterseite des tellerförmigen
Steuerglieds 70 einerseits und durch die Wirkfläche an der Oberseite
des Tellers 66 andererseits bestimmt. Da die Wirkfläche an dem
Steuerglied 70 größer ist,
als an dem Teller 66, wird das Steuerglied mit dem Kolben
nach oben bewegt, wenn der Druck sich erhöht (s. 4). Umgekehrt
bewegt sich das Steuerglied mit dem Kolben nach unten, wenn der
Druck abfällt, bis
wieder ein Gleichgewicht der wirkenden Kräfte erreicht ist (s. 3).
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Die
mit dem Einlass 18 verbundene Durchgangsbohrung 42 kann über einen
Kanal 90, eine Ventilkammer 94 und einen Kanal 92 mit
der Steuerkammer 88 verbunden werden. In der Ventilkammer 94 ist
ein Ventilstößel 96 vorgesehen.
Der Ventilstößel 96 ist
Teil eines Magnetventils, das die Verbindung zwischen dem Kanal 90 und
der Ventilkammer 94 kontrolliert. Die entgegengesetzte,
in der Darstellung oben liegende Seite des Ventilstößels 96 kontrolliert
eine Belüftungsöffnung 98 zur
Atmosphäre. Wenn
das Magnetventil die Verbindung zwischen dem Kanal 90 und
der Durchgangsbohrung 92 verschließt, wird die Ventilkammer 94 und
damit die Steuerkammer 88 belüftet. Der Druck ist niedrig
und der Kolben bewegt sich nach unten in die in 3 gezeigte
Stellung. Wenn das Magnetventil die Verbindung zwischen dem Kanal 90 und
der Ventilkammer 94 öffnet,
schließt
der Ventilstößel die Öffnung 98.
Dann strömt
Wasser in die Steuerkammer 88. Aufgrund des steigenden
Drucks wird der Kolben nach oben bewegt. Dann öffnet das Ablaufventil 32 und
das Durchgangsventil 30 schließt. Diese Situation ist in 4 dargestellt.
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Die
Abmessungen der Gehäusebohrung 44 und
des Gehäusevorsprungs 60, 62 sind
so gewählt, dass
das Ablaufventil 32 erst öffnet, wenn das Durchgangsventil 30 vollständig geschlossen
ist. Dies ist in 5 dargestellt.
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Zum
Belüften
des Kessels und zur Erhöhung des
Luft-Volumens wird mm das Magnetventil mit dem Stößel 96 so
gesteuert, dass es den Durchgang 90, 92, 94 freigibt,
so dass der Kolben auf die oben erläuterte Weise nach oben bewegt
wird. Dann kann Wasser aus dem Kessel durch den Ablauf abgelassen
werden. Da das Durchgangsventil 30 verschlossen ist, fließt in dieser
Phase kein Wasser zurück oder
nach.
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Vorzugsweise
wird der Belüftungsvorgang erst
ausgelöst,
wenn der Kessel nicht benötigt
wird. Dies ist insbesondere Nachts der Fall. Über den Drucksensor wird ein
geeigneter Zeitraum ermittelt. Wenn die Druckdifferenz bei der Wassererwärmung zu
groß wird,
wird das Wasser innerhalb dieses Zeitraums abgelassen.
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Mit
der Anordnung können
bestehende Kessel nachgerüstet
werden, ohne dass diese ersetzt oder mit aufwändigen, voluminösen Ausdehnungsgefäßen versehen
werden müssen.
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6 zeigt,
wie die oben beschriebene Armatur 10 an einen Kessel 100 angeschlossen
wird. Das Luft-Volumen 102 oberhalb des Wassers 104 vergrößert sich
durch Einlassen von Luft durch ein Belüftungsventil 106,
wenn Wasser über
die Armatur abgelassen wird.