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Die Erfindung betrifft ein thermostatisches Mischventil mit einem Gehäuse, das einen ersten Fluideinlass, einen zweiten Fluideinlass und einen Mischfluidauslass aufweist, sowie einen im Gehäuse verstellbar angeordneten hohlen Regelkolben für das erste und zweite Fluid, der sich alternativ mit einer Überströmkante an einem Ventilsitz oder einem Dichtelement im Einlauf des ersten oder zweiten Fluids dichtend abstützt.
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Thermostatische Mischventile für die Regelung von Fluidtemperaturen, insbesondere Brauchwassertemperaturen, bestehen aus einem ersten Fluideinlass, insbesondere Kaltwassereinlass, einem zweiten Fluideinlass, insbesondere Heißwassereinlass, und einem Mischfluidauslass, insbesondere Mischwasserauslass des Brauchwassers. Dem jeweiligen Einlass ist ein Dichtsitz zugeordnet. Ein Regelkolben mit zwei Dichtsitzen wird mit Hilfe eines Thermoelementes, welches in dem Mischfluidstrom angeordnet ist, zwischen den beiden Dichtsitzen in Abhängigkeit von der aktuellen Mischfluidtemperatur verschoben. Durch Öffnen/Schließen des jeweiligen Dichtsitzes werden die Anteile des ersten Fluids und des zweiten Fluids variiert und somit die Temperatur des Mischfluides auf einen einstellbaren Sollwert geregelt. Für thermostatische Mischventile werden in der DIN EN 15092 unter anderem Vorgaben für erforderliche Mindest-Durchflüsse in Abhängigkeit von der Nennweite gemacht. Außerdem bestehen Vorgaben für den Zeitraum, in dem das Ventil den Heißwasseranteil schließt, um Verbrühungen des Nutzers zu verhindern. Zur Erhöhung des Durchflusses für größere Nennweiten ist es notwendig, den Strömungsquerschnitt zu vergrößern. Dazu gibt es herkömmlich zwei Möglichkeiten. Zum einen kann man bei gleichem Hub die Überströmkante vergrößern, zum Beispiel durch eine Vergrößerung des Regelkolbendurchmessers. Zum anderen kann man bei gleichem Regelkolbendurchmesser den Hub vergrößern.
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Bei einer Vergrößerung des Regelkolbendurchmessers vergrößert sich die Reibfläche der Kolbenabdichtung zwischen dem Heißwasser- und dem Kaltwasserkanal (dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid) und damit auch die Kraft, die ein Thermoelement zur Verstellung des Regelkolbens aufbringen muss. Dies hat einerseits eine Verlängerung der Reaktionszeit bei normaler Regelung des Mischwassers zur Folge und wirkt sich damit insbesondere beim Ausfall der Kaltwasserversorgung ungünstig auf die rechtzeitige Absperrung des Heißwasserbereiches aus, mit dem ein Verbrühen verhindert werden soll.
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Andererseits kann eine hohe Reibung des Regelkolbens bei zunehmender Verkalkung beziehungsweise Verschmutzung des Brauchwassermischers dazu führen, dass das Thermoelement nicht mehr den Regelkolben betätigt, sondern sich nur noch in der Feder der Überhubsicherung bewegt. Dies würde zu einem Totalausfall des Mischers führen.
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Auch eine Vergrößerung des Regelkolbenhubes hat negative Auswirkungen auf die Reaktionszeit bei einer Notabschaltung durch Kaltwasserausfall zum Schutz vor Verbrühungen, da sich der Weg zur Schließung des Ventils verlängert. Ebenso verschlechtert sich mit zunehmendem Hub die Temperatur-Regelgenauigkeit des Mischers.
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Aus der
IT MI 2001 16 45 A ist eine Ausgestaltung bekannt, bei der eine Verlängerung der Überströmkante dadurch erreicht wird, dass die Strömungsquerschnitte sowohl für die Kaltwasserseite als auch für die Heißwasserseite auf jeweils zwei Ventilsitze aufgeteilt wird. Dadurch lässt sich bei gleichem Hub ein geringer Ventilsitzdurchmesser realisieren und somit ein ausreichender Volumenstrom bei ausreichender Reaktionszeit erzielen. Die Herstellung von zwei präzise aufeinander abgestimmten, parallelen Ventilsitzen erfordert aber einen hohen Fertigungs- und Montageaufwand des Regelkolbens. Der Einsatz mehrerer Ventilsitze hat auch eine nachteilige Vergrößerung des Ventilgehäuses in Längsachse des Ventilhubes zur Folge.
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Zum Stand der Technik wird noch auf die
US 64 71 132 B1 verwiesen, die ein vergleichbares thermostatisches Mischventil beschreibt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mischventil gattungsgemäßer Art zu schaffen, welches bei gleichem Hub und gleichem Gehäusedurchmesser einen größeren Durchfluss ermöglicht und dabei eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit für die Temperaturregelung und bei Kaltwasserausfall auch für die Notschließung als Verbrühschutz erreicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass der in der Draufsicht auf die Stirnseite des Regelkolbens sichtbare Verlauf der Überströmkanten eine von einer Kreisform oder Ovalform des Regelkolbens abweichende Kontur aufweisen, bei denen die Umfangslänge oder Verlaufslänge der Überströmkonten größer ist als eine von einem Kreis oder einem Oval gebildete Überströmkante des Regelkolbens.
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Durch diese Ausbildung wird die Überströmkante des Regelkolbens gegenüber dem herkömmlichen Stand der Technik verlängert.
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Insbesondere wird hierzu vorgeschlagen, dass die Überströmkante an dem Regelkolben durch sich nicht periodisch wiederholende Konturen gebildet ist.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Überströmkante an dem Regelkolben durch sich periodisch wiederholende Konturen gebildet ist.
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Auch ist bevorzugt vorgesehen, dass die sich wiederholenden Konturen wellen-, zahn- oder dreiecksförmig ausgebildet sind.
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Zudem ist vorgesehen, dass die sich wiederholenden Konturen teils innerhalb und teils außerhalb einer gedachten Kreislinie oder Ovallinie der Überströmkante liegen.
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In an sich bekannter Weise ist vorgesehen, dass der Regelkolben ein beidends offener Hohlkörper ist.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass der Regelkolben aus zwei identischen Regelstücken mit an einer Stirnseite jeweils vorgesehenen durchgehenden Überströmkanten zusammengesetzt ist und dass die Regelstücke verdrehfest ineinandergreifen.
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Auch kann vorgesehen sein, dass der Regelkolben am Umfang zwischen den Überströmkanten eine Einschnürung aufweist, in welche ein Dichtsitz zur Aufnahme eines Dichtelementes integriert ist.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass der aus zwei Regelstücken zusammengesetzte Regelkolben an seinen Überströmkanten Dichtlippen aufweist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der aus zwei Regelstücken zusammengesetzte Regelkolben, Regelstücke aus Kunststoff mit elastomeren Dichtlippen auf den Überströmkanten und/oder integriertem Dichtelement umfangsseitig zur Abdichtung zwischen den beiden Fluidströmen aufweist.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Verlängerung der Überströmkante nicht einfach durch eine Vergrößerung des Durchmessers der Überströmkante des Regelkolbens, sondern durch Schaffung einer geometrischen Kontur, wie zum Beispiel einer Wellenkontur oder einer Zick-Zack-Kontur, welche sich um eine quasi neutrale kreisförmige oder ovale geschlossene Linie windet. Diese neutrale Linie kann also kreisrund oder auch oval sein. Durch die Schaffung einer wellenförmigen Kontur ist es somit möglich, eine längere Überströmkante zur Verfügung zu stellen, als bei einem Ventilsitz mit einfach kreisrunder oder ovaler Kontur, unter Beibehalt des Außendurchmessers.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung hierzu wird darin gesehen, dass die Überströmkante an dem Regelkolben durch wechselweise nach radial innen gerichtete Einbuchtungen und nach radial außen gerichtete Ausbuchtungen des Mantels des Regelkolbens gebildet sind, die jeweils über eine Stufenfläche in den nicht ein- oder ausgebuchteten Mantel des Regelkolbens übergehen, wobei die im vom Fluid beaufschlagten Bereich befindlichen Stufenflächen derart dimensioniert und ausgebildet sind, dass die Summe der Stufenflächen der Stufenelemente die innerhalb der Kreis- oder Ovallinie liegen gleich der Summe der außerhalb dieser liegenden Stufenflächen ist.
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Wenn die geschlossene, neutrale Linie den Durchmesser des Regelkolbens darstellt und die sich um diese neutrale Linie windende Kontur der Überströmkante so ausgelegt wird, dass die Summe der innerhalb und außerhalb der neutral liegenden Flächen der Ausbuchtungen und Einbuchtungen gleich ist, so erhält man einen druckneutralen Regelkolben, weil der Druck jeweils auf den Stufenflächen ansteht. Dies bedeutet, dass beim Öffnen einer vollständig geschlossenen Ventilseite des Regelkolbens das Thermoelement nicht gegen den Druck des Mediums auf dieser Ventilseite arbeiten muss. Ist der Durchmesser der Zylinderabdichtung für den Regelkolben mit dem Durchmesser der neutralen Linie identisch, kann bei Anordnung der entsprechenden Einbuchtungen und Ausbuchtungen und der entsprechenden Stufenflächen sogar von einem vollständig druckneutralen Regelkolben gesprochen werden, da diese Art der Regelkolbengeometrie sowohl auf der Seite des ersten Fluides (Heißwasser) als auch auf der Seite des zweiten Fluides (Kaltwasser) unabhängig vom Druck des Mediums ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung werden wesentliche Vorteile erreicht. Insbesondere wird ein größerer Durchfluss durch das Ventil bei gleicher Gehäusegröße und gleichem Thermoelement im Vergleich zu einem Mischventil mit kreisrunden Überströmkanten erreicht. Es wird zudem eine Reibungsverringerung gegenüber kreisrunder Ausführung durch Einschnürung am Regelkolben für die Abdichtung zwischen Heiß- und Kaltwasserseite erreicht. Dabei ist weiterhin nur ein Dichtsitz pro Fluidseite (heiß oder kalt) erforderlich und damit eine einfachere Fertigung und Montage gegenüber einer Ausführungsform mit mehreren parallelen Dichtsitzen pro Wasserseite (heiß oder kalt), wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Durch entsprechend ausgebildete geometrisch identische Regelstücke sowohl auf der Heiß- als auch auf der Kaltwasserseite lässt sich aus zwei Regelstücken ein druckneutraler Regelkolben zusammensetzen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
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1 ein erfindungsgemäßes thermostatisches Mischventil im Mittellängsschnitt gesehen;
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2 desgleichen im Schnitt A-A der 1 gesehen;
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3 eine Draufsicht auf die Kontur der Überströmkante des Regelkolbens mit Darstellung der neutralen Linie der erzeugten Wellenkontur;
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4 eine Explosionszeichnung zweier symmetrischer Regelstücke, welche zusammen den Regelkolben bilden;
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5 den zusammengesetzten Regelkolben mit zwei symmetrischen Regelstücken im Mittellängsschnitt gesehen;
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6 den Schnitt durch eine Variante des Regelkolbens.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Mischventil gezeigt, welches ein Gehäuse 2 mit einem ersten Fluideinlass 3 für Heißwasser und einem zweiten Fluideinlass 4 für Kaltwasser aufweist, deren Achsen zueinander in Flucht ausgerichtet sind, sowie mit einem Mischfluidauslauf 5, der senkrecht zu den beiden Einlässen 3, 4 ausgerichtet ist. Mit dem Mischfluidauslauf 5 fluchtend ist in das Gehäuse 2 ein Ventileinsatz 6 zur Regelung der Mischfluidtemperatur eingesetzt. Die Figur zeigt einen Schnitt durch das Mischventil 1, welcher parallel zu den Achsen der Fluideinläufe 3, 4 und des Mischfluidauslaufes 5 verläuft. Heißes Wasser aus dem ersten Fluideinlass 3 und kaltes Wasser aus dem zweiten Fluideinlass 4 wird über den entsprechenden ersten Ventilsitz 7 für das erste Fluid beziehungsweise den zweiten Ventilsitz 8 für das zweite Fluid in die Mischkammer 9 des Mischventils 1 geleitet. Die Mischwassertemperatur lässt sich über ein Handrad 10 an einer durch Drehbewegung in einem Kopfstück 11 axial verstellbaren Spindel 12 einstellen. An der dem Mischfluidauslauf 5 zugewandten Stirnseite der Spindel 12 stützt sich ein Thermoelement 13 ab, welches in der Mischkammer 9 des Mischventils 1 angeordnet ist. Der von dem jeweiligen in der Mischkammer 9 herrschenden Temperatur abhängige Ausdehnungsweg des Thermoelementes 13 wird über eine Feder 14, welche als Überhubsicherung dient, auf ein korbähnliches Element 15 übertragen. Dieses korbähnliche Element 15 stützt sich wiederum über eine Feder 16 an einem dritten Element 17 des Gehäuses des Ventileinsatzes 6 ab. Das korbähnliche Element 15 wird an der Spindel 12 geführt und trägt jeweils ein Regelstück 18 für den zweiten Ventilsitz und ein Regelstück 19 für den ersten Ventilsitz. An der Verbindungsstelle der beiden Regelstücke 18, 19 ist eine Dichtung 30 vorgesehen, welche die Fluide, insbesondere die Kaltwasserseite und die Heißwasserseite, voneinander trennt. In Abhängigkeit von der in der Mischkammer 9 vorhandenen Temperatur stellt sich an dem Thermoelement 13 ein entsprechender Hub ein. Diese Hubänderung wird über das korbähnliche Element 15 auf die Regelstücke 18, 19 übertragen, welche somit eine von der Temperatur in der Mischkammer 9 abhängige Position zwischen dem ersten Ventilsitz 7 und dem zweiten Ventilsitz 8 einnehmen und damit die Größe des jeweiligen Volumenstroms, insbesondere Kaltwasser- und Heißwasservolumenstroms, in die Mischkammer 9 beeinflussen.
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Die 2 zeigt einen Schnitt durch das Mischventil 1 senkrecht zur Achse der Spindel 12 in der Schnittebene A-A der 1 gesehen. Hier ist das Regelstück 18 aus der Richtung des entsprechenden Ventilsitzes dargestellt. In dieser Ansicht lässt sich deutlich die wellenförmige Kontur 20 der Überströmkante an dem Regelstück 18 erkennen.
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In 3 ist schematisch ein Beispiel einer wellenförmigen Kontur 20 gezeigt, welche sich an einer geschlossenen Leitlinie 21 orientiert. Diese Leitlinie 21 stellt die Kontur des Regelkolbens, bestehend aus den Regelstücken 18, 19, zwischen dem beiden Ventilsitzen 7, 8 dar, das heißt, die Kontur der Abdichtung zwischen der Heiß- und der Kaltwasserseite. Vorzugsweise ist diese Kontur 21 kreisrund. Wie später noch näher erläutert wird, sind die Summen der Flächen 22 innerhalb der Leitlinie 21 gleich der Summe der Flächen 23 außerhalb der Leitlinie 21.
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In der 4 ist zu sehen, dass die Flächen 22 innerhalb der Leitlinie 21 dabei Einbuchtungen 24 mit Stufenflächen 22 am Regelstück und die Flächen 23 Ausbuchtungen 25 mit Stufenflächen 23 außerhalb der Leitlinie 21 darstellen. Bei einem geschlossenen Ventilsitz wirkt die Druckkraft des Fluides sowohl auf die Flächen 22 innerhalb der Leitlinie 21 als auch auf die Flächen 23 außerhalb der Leitlinie 21. Es ergibt sich somit ein Kräftegleichgewicht. Damit hat der Druck des Mediums keinen Einfluss auf die Kräfte zum Schließen oder Öffnen des Ventilsitzes und des Regelkolbens, bestehend aus zwei Regelstücken 18, 19. Vielmehr arbeitet diese Einrichtung druckunabhängig und druckneutral.
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Die 4 zeigt zudem anschaulich einen entsprechenden Regelkolben, der vorzugsweise aus zwei symmetrischen Regelstücken 18, 19 zusammengesetzt ist. Die Regelstücke 18, 19 zeigen die in 3 beschriebene wellenförmige Kontur 20, welche die Überströmkanten der Regelstücke 18, 19 darstellt. Die in 3 gezeigten Flächen 22, 23 innerhalb der Leitlinie 21 und außerhalb der Leitlinie 21 sind hier als Einbuchtungen 24 und Ausbuchtungen 25 dargestellt, die jeweils über eine Stufenfläche 22, 23 in den nicht ein- oder ausgebuchteten Mantel des Regelkolbens 26 übergehen. Die im vom Fluid beaufschlagtem Bereich befindlichen Stufenflächen 22, 23 sind so dimensioniert und ausgebildet, dass die Summe der Stufenflächen 22 der Stufenelemente, die innerhalb der Kreis- oder Ovallinie liegen, gleich der Summe der außerhalb dieser liegenden Stufenflächen 23 sind.
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Der zylindrische Grundkörper des Regelkolbens 26 der durch die Regelstücke 18, 19 gebildet ist, entspricht der geschlossenen Leitlinie aus beispielsweise der 3. An der außen umlaufenden Kante der aneinander liegenden Flächen 31 der beiden Regelstücke 18, 19 ist eine umlaufende Ausnehmung ausgebildet, welche, wie in 5 angegeben, beim Zusammensetzen der Regelstücke 18, 19 eine Nut 29 zur Aufnahme einer Dichtung 30 zwischen der einen Fluidseite und der anderen Fluidseite, insbesondere der Heiß- und der Kaltwasserseite, bilden.
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Bei der Variante gemäß 6 ist die Nut 29 zur Aufnahme der Dichtung 30 in jedem der beiden Regelstücke (33, 34) vollständig ausgebildet, wobei im thermostatischen Mischventil 1 eingebaut, dann nur eine der beiden Nuten mit nur einem Dichtring zur Reduzierung der Reibkräfte belegt ist.
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Um eine ungehinderte Durchströmung der aneinandergefügten Regelstücke (18, 19), (33, 34) sicher zu stellen, ist in den 5 und 6 das Ineinandergreifen von Nuten 27 und Nasen 28 gezeigt, mit welchem die beiden Regelstücke gegeneinander zentriert und gegen Verdrehen gesichert sind, so dass die Strömungskanäle 32 der Regelstücke zueinander fluchten und eine ungehinderte Anströmung zu dem unterhalb des Regelkolbens 26 angeordneten Thermoelement 13 ermöglicht ist.
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Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der Patentansprüche vielfach variabel.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mischventil
- 2
- Gehäuse
- 3
- erster Fluideinlass
- 4
- zweiter Fluideinlass
- 5
- Mischfluidauslass
- 6
- Ventileinsatz
- 7
- ersten Ventilsitz für ersten Fluiddurchfluss
- 8
- zweiten Ventilsitz für zweiten Fluiddurchfluss
- 9
- Mischkammer v. 1
- 10
- Handrad
- 11
- Kopfstück
- 12
- Spindel
- 13
- Thermoelement
- 14
- Feder
- 15
- korbähnliches Element
- 16
- Feder
- 17
- drittes Element v. 6
- 18
- Regelstück für zweiten Ventilsitz
- 19
- Regelstück für ersten Ventilsitz
- 20
- wellenförmige Kontur der Überströmkante v. 18
- 21
- geschlossene Leitlinie
- 22
- Summe der Flächen innerhalb v. 21
- 23
- Summe der Flächen außerhalb v. 21
- 24
- Einbuchtungen
- 25
- Ausbuchtungen
- 26
- Regelkolben
- 27
- Nuten
- 28
- Nasen
- 29
- Nut
- 30
- Dichtung zwischen 18 + 19
- 31
- aneinander liegende Flächen v. 18, 19
- 32
- Strömungskanäle v. 18, 19
- 33
- unteres Regelstück
- 34
- oberes Regelstück
