DE102013110821A1

DE102013110821A1 - Ventilsteller

Info

Publication number: DE102013110821A1
Application number: DE201310110821
Authority: DE
Inventors: Daniel Baur; Bernhard Blocher; Stefan Schwamberger; Martin Wischke
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-16

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Heizkörperthermostat, mit einem Übertragungselement (5), mit einem Elektromotor (12) zum Antrieb des Übertragungselements (5), mit einer Steuerung für den Elektromotor (12) und mit einer Stromversorgung (35; 29). Das Heizkörperthermostat (1) ist zum Aufsetzen auf ein Heizkörperventil ausgebildet, das einen Ventilteller und einen Ventilsitz zum Regeln der Durchflussmenge und einen Ventilstift zum Betätigen des Ventiltellers aufweist wozu der Ventilstift mit dem Übertragungselement (5) in Wirkverbindung steht. Der Heizkörperthermostat (1) weist nun ein Betätigungselement (14) auf, mit einer Drehachse (15), die senkrecht zur Betätigungsrichtung (Pf1) des Übertragungselements (5) steht. Weiterhin ist der Außenumfang (20) des Betätigungselements (14) zumindest teilweise spiralförmig zur Drehachse (15) zulaufend ausgebildet. Zum Betätigen des Ventilstifts steht das Übertragungselement (5) tangential mit dem spiralförmigen Außenumfang (20) des Betätigungselements (14) in Wirkverbindung.

Description

Die Erfindung beschreibt einen Ventilsteller, mit einem Übertragungselement, mit einem Elektromotor zum Antrieb des Übertragungselements, mit einer Steuerung für den Elektromotor und mit einer Stromversorgung, wobei der Ventilsteller zum Aufsetzen auf ein Ventil ausgebildet ist.
Der erfindungsgemäße Ventilstelle kann insbesondere zum Einbau in ein Heizkörperventil verwendet werden. Im Folgenden wird die Erfindung an Beispiel eines solchen Heizkörperventils beschrieben, ohne dass die Erfindung darauf eingeschränkt sein soll. Alternativ kann der erfindungsgemäße Ventilsteller beispielsweise für Anlagen der chemischen Industrie oder allgemein für Ventile zur Regelung oder Steuerung von Flüssigkeits- oder Gasströmungen verwendet werden.
Heizkörperventile stellen die Menge an Heizflüssigkeit ein, die durch einen Heizkörper fließt. Damit wird die vom Heizkörper abgegebene Wärme eingestellt, so dass die Temperatur in dem Raum, in dem der Heizkörper angeordnet ist, geregelt werden kann. Dazu kann der Ventilsteller einen Ventilteller und einen Ventilsitz zum Regeln der Durchflussmenge und einen Ventilstift zum Betätigen des Ventiltellers aufweisen, wobei der Ventilstift mit dem Übertragungselement in Wirkverbindung steht.
Das Heizkörperventil ist beispielsweise fest am Heizkörper oder in einer Zuleitung angeordnet. In der Regel ist es in einem, beziehungsweise als ein Eckverbinder angeordnet, der zwischen Heizkörperleitung und Heizkörper platziert ist. Das Ventil weist einen Ventilsitz und einen Ventilteller auf, der so in den Ventilsitz passt, dass der Durchfluss verschließbar ist. Die Durchflussmenge wird durch eine lineare Bewegung des Ventiltellers eingestellt. Der Ventilteller ist dazu mit einer linear beweglichen Führungseinheit verbunden, in der eine Feder diese Führungseinheit, und damit den Ventilteller, weg vom Ventilsitz drückt. Das Ventil ist daher in Ruhestellung geöffnet. Üblicherweise ist die Führungseinheit durch einen Ventilstift gegeben.
Eine Heizkörperventilsteuerung oder eine Heizkörperventilregelung ist auf dieses Heizkörperventil aufgesetzt, wobei eine Schraub- oder Rastverbindung vorgesehen sein kann. Die Heizkörperventilsteuerung, beziehungsweise Heizkörperventilregelung, weist einen Aktor auf, der über das Übertragungselement mit dem Ventilstift und damit dem Ventilteller in Wirkverbindung steht und diesen bewegen kann. Da das Heizungsventil durch die interne Feder geöffnet gehalten wird, muss die Heizkörperventilsteuerung/-regelung zum Schließen des Ventils eine Druckkraft auf das Übertragungselement ausüben können, die der Federkraft entgegen wirkt.
Eine bekannte Heizkörperventilsteuerung/-regelung ist der sogenannte Heizkörperthermostat, der einen Temperatursensor, eine Temperaturvorwahl, eine Steuerung oder Regelung und einen Aktor aufweist, wobei die Steuerung/Regelung den Aktor so steuert oder regelt, dass die am Temperatursensor gemessene Temperatur im Wesentlichen der vorgewählten Temperatur entspricht.
Ein solcher Heizkörperthermostat kann rein mechanisch aufgebaut sein. Dazu weist der Thermostat beispielsweise ein Dehnstoffelement und einen Übertragungsstift auf. Über einen Drehknopf kann das Dehnstoffelement relativ zum Ventil bewegt werden, wodurch eine Temperaturvorwahl erzielt wird. Das Dehnstoffelement ändert seine Länge in Abhängigkeit der Temperatur und übt somit über das Übertragungselement eine Druckkraft auf den Ventilstift aus. Das Übertragungselement kann beispielsweise als Übertragungsstift ausgebildet sein oder einen solchen umfassen.
Der Heizkörperthermostat kann jedoch beispielsweise auch elektrisch betrieben sein. Dazu weist er einen Temperatursensor auf, der mit einer Steuer- oder Regelelektronik verbunden ist. Weiterhin ist ein Elektromotor, der durch die Steuer- oder Regelelektronik angesteuert wird, als Antrieb für einen Übertragungsstift vorhanden. Der Übertragungsstift ist zur Druckkraftausübung auf die Führungseinheit des Ventiltellers ausgebildet. Zur Temperaturvorwahl kann beispielsweise ein Drehregler oder eine digitale Steuerung mit einer Anzeigeeinheit vorgesehen sein. Ein solcher elektrischer Thermostat wird in der Regel durch eine Batterie, einen Akku oder über ein mit einer Netzspannung verbundenes Kabel mit Energie versorgt. Um das Heizkörperventil zu schließen, muss der Übertragungsstift gegen die Federkraft des Heizkörperventils bewegt werden. Aufgrund der dazu notwendigen großen Stellkraft benötigt der Elektromotor sehr viel Energie. Um die hohen Stellkräfte aufzubringen werden Getriebe eingesetzt, die jedoch wiederum hohe Reibungsverluste aufweisen, was den Energieverbrauch zusätzlich erhöht. Die Elektronik verbraucht zusätzlich Energie, was jedoch im Vergleich zum Motor marginal ist. Insgesamt reichen daher in aktuell am Markt befindlichen elektrischen Heizkörperthermostaten Batterien nur wenige Monate. Danach ist ein Batteriewechsel erforderlich, was zeit- und kostenaufwändig ist, insbesondere bei vielen Heizkörpern.
Zur Reduzierung der Stromaufnahme des Elektromotors ist es bereits bekannt, das Übertragungselement über einen Exzenter anzutreiben, der durch eine Druckfeder gegenüber der Druckkraft des Heizkörperventils vorgespannt ist. Ein Nachteil dabei ist, dass die Feder am Gehäuse gegengelagert sein muss, weshalb die Aufhängung der Feder sehr stabil sein muss. Das bedingt, dass das Gehäuse entsprechend robust gebaut sein muss. Diese Lösung ist daher relativ aufwändig und teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Heizkörperthermostat mit elektrischer Steuerung zu schaffen, das weniger Energie und wenig Bauraum benötigt und dennoch kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Heizkörperthermostat mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Das erfindungsgemäße Heizkörperthermostat weist ein Betätigungselement auf, mit einer Drehachse, die senkrecht zur Betätigungsrichtung des Übertragungselements steht. Der Außenumfang des Betätigungselements ist im Wesentlichen spiralförmig zu seiner Drehachse zulaufend ausgebildet und zum Betätigen des Ventilstifts steht das Übertragungselement tangential mit dem spiralförmigen Außenumfang des Betätigungselements in Wirkverbindung.
Durch diese Anordnung wird eine Drehbewegung des Betätigungselements in eine lineare Bewegung des Übertragungselements übertragen. Das bedeutet, dass der Elektromotor das Betätigungselement drehend antreibt und diese Drehung in die notwendige lineare Bewegung übersetzt wird.
Die Spirale als Betätigungselement bietet sehr hohe Haltekräfte und eine große Übersetzung, so dass der Antrieb auch ohne Federvorspannung mit geringer Stromaufnahmen möglich ist. Dadurch sind die Herstellungskosten geringer. Darüber hinaus kann das Gehäuse des Heizkörperthermostats einfacher ausgebildet und kleiner und kompakter sein.
Insgesamt ist das erfindungsgemäße Heizkörperthermostat damit stromsparend betreibbar und kostengünstig herstellbar.
Zum Antreiben des Betätigungselements durch den Elektromotor kann das Betätigungsrad beispielsweise direkt auf der Welle des Elektromotors angeordnet sein. Aufgrund der hohen benötigten Stellkraft ist jedoch die Verwendung eins Getriebes vorteilhaft. Dazu weist das Betätigungselement vorzugsweise koaxial zur Drehachse ein Zahnrad auf, das mit dem Abtriebszahnrad auf der Welle des Elektromotors oder eines Getriebes kämmt.
Insbesondere vorteilhaft ist es dabei, wenn das Betätigungselement einteilig mit dem Zahnrad als Formrad ausgebildet ist. Die einteilige Ausbildung ermöglicht beispielsweise die kostengünstige Herstellung als Spritzgussteil aus Kunststoff oder als Druckguss- oder Sinterteil aus Metall.
Zwischen der spiralförmigen Umfangsfläche und dem Übertragungselement entsteht je nach der Größe der Kontaktfläche mehr oder weniger Gleitreibung, die einen erhöhten Verschleiß und eine reibungsbedingte, höhere Stromaufnahme bewirken kann.
Zur Verringerung der Reibung ist es daher vorteilhaft, wenn wenigstens eine der beiden Kontaktflächen reibungsarm beschichtet ist.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zur Verringerung der Reibung zwischen dem Betätigungselement und dem Übertragungselement ein Kugellager oder ein Wälzlager angeordnet, wobei die Drehachse des Kugellagers auf der Verbindungslinie zwischen dem Übertragungselement und der Drehachse des Betätigungselements angeordnet und parallel zur Drehachse des Betätigungselements ausgerichtet ist. Insbesondere kann das Kugellager am Übertragungselement befestigt sein. Das Übertragungselement wirkt also mit dem Übertragungselement zusammen, wobei das Kugellager auf dem spiralförmigen Umfang des Betätigungselements aufliegt. Das Kugellager dient somit als Übertrager zwischen Betätigungselement und Übertragungselement, wobei statt der Gleitreibung nur noch wesentlich geringere Rollreibung auftritt. Dadurch kann der Verschleiß und die Stromaufnahme wesentlich reduziert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der spiralförmige Außenumfang des Betätigungselements im
Wesentlichen als archimedische Spirale ausgebildet. Die Geometrie der archimedischen Spirale führt dazu, dass die Drehung des Betätigungselements linear in die gleichförmig geradlinige Bewegung des Übertragungselements übersetzt wird. Das bedeutet, dass, unabhängig von der Position des Betätigungselements, eine Drehung des Betätigungselements um eine Winkeleinheit immer eine Bewegung des Übertragungselements um eine gleiche Streckeneinheit bewirkt. Dadurch ist eine sehr genaue und auch einfache Steuerung des Heizkörperventils möglich.
Zur Begrenzung der Drehbewegung des Betätigungselements ist es zweckmäßig, wenn es einen Endanschlag aufweist, der verhindert, dass das Betätigungselement eine volle Umdrehung ausführt und das Übertragungselement am Ende der Spirale einen Sprung ausführt.
Dazu weist das Betätigungselement zweckmäßigerweise einen in axialer Richtung vorstehenden Vorsprung auf, der als Endanschlag zur Begrenzung der Drehbewegung dient.
Die Stromversorgung des erfindungsgemäßen Heizkörperthermostats kann konventionell über eine leitungsgebundene Elektroinstallation oder kabellos über Batterien oder Akkus erfolgen. Aufgrund des geringen Stromverbrauchs kann eine wesentlich längere Betriebsdauer erreicht werden, ehe Batterien ausgetauscht werden müssen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Stromversorgung des Heizkörperthermostats einen thermoelektrischen Energiewandler aufweist, der einerseits mit dem Heizkörperventil als Wärmequelle und andererseits mit einer Wärmesenke thermisch verbunden ist. Durch den Energiewandler wird kontinuierlich Wärmeenergie aus der Heizflüssigkeit in elektrische Energie umgewandelt, die für die Regelung oder Steuerung und den Antrieb des Elektromotors verwendet wird.
Da es durchaus vorkommen kann, dass im Heizkreislauf keine Wärme vorhanden ist, die umgewandelt werden kann, ist es zweckmäßig, wenn der Heizkörperthermostat einen Energiespeicher zum Speichern der durch den Energiewandler umgewandelten, überschüssigen Energie aufweist. Somit kann sichergestellt werden, dass auch in den Momenten, in denen aktuell keine ausreichende thermische Energie vorhanden ist, ein Betrieb des Heizkörperventils möglich ist.
Alternativ oder zusätzlich zum Energiespeicher kann die Stromversorgung auch eine Batterie aufweisen, aus der in den Momenten Strom entnommen wird, in denen der Energiewandler keine ausreichende Versorgung zur Verfügung stellen kann.
In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung ist der Energiespeicher als elektrischer Energiespeicher ausgebildet. Der elektrische Energiespeicher kann beispielsweise mindestens einen Akku zur Aufnahme der überschüssigen gewandelten Energie aufweisen. Aufgrund des geringen Strombedarfs und aufgrund der nahezu unbegrenzten Lebensdauer ist es jedoch vorteilhaft, wenn der Energiespeicher wenigstens einen Kondensator aufweist. Kondensatoren haben den großen Vorteil, dass sie sehr schnell geladen werden können und nur eine geringe Selbstentladung besitzen. Somit kann bereits ein kurzer Moment, in dem Wärmeenergie zum Umwandeln zur Verfügung steht, die elektrische Energie für einige Stellvorgänge gewonnen und gespeichert werden. Der Kondensator kann beispielsweise durch einen Doppelschichtkondensator, insbesondere durch einen Lithium-Ionen-Kondensator, gegeben sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Betätigungselement mit einer Triebfeder verbunden, die so in Drehrichtung des Betätigungselements wirkt, dass die Federkraft im Wesentlichen einer Druckkraft des Ventilstifts des Heizkörperventils entgegenwirkt. Die Triebfeder übt dazu ein Drehmoment auf das Betätigungselement aus.
Zweckmäßigerweise ist das Drehmoment der Triebfeder so groß, dass es die Druckkraft des Ventilstiftes des Heizkörperventils fast kompensiert. Das bedeutet, dass die Kraft zum Bewegen des Ventilstifts überwiegend von der Triebfeder aufgebracht wird und nicht vollständig vom Elektromotor geleistet werden muss. Der Elektromotor wird daher bei dieser Ausführung nur geringfügig belastet, so dass der Elektromotor entsprechend klein dimensioniert werden kann und daher auch nur wenig Energie benötigt. Da die Federkraft des Ventils vom Typ und Alter des Ventils abhängt und außerdem unter den Ventilen der verschieden Hersteller variiert, ist eine genaue Kompensation in der Praxis nicht möglich.
Die Triebfeder ist zweckmäßigerweise spiralförmig gewunden ausgebildet, wobei ihre Wickelachse parallel zur Drehachse des Betätigungselements ausgerichtet ist.
Vorzugsweise weist der Heizkörperthermostat ein Getriebe mit mindestens zwei Getriebezahnrädern auf, das zwischen dem Elektromotor und dem Betätigungselement angeordnet ist. In diesem Fall kann die Triebfeder beispielsweise am Betätigungselement angreifen. Vorzugsweise ist sie jedoch an einem der Getriebezahnräder angeordnet. Das bedeutet, dass die von der Triebfeder bereitgestellte Kraft durch die Getriebezahnräder übersetzt werden kann, wodurch das am Übertragungselement bereitgestellte Drehmoment erhöht werden kann.
Zur Steuerung des Heizkörperventils ist es notwendig, dass die Ventilstellung zu jeder Zeit bekannt ist. Aus diesem Grund kann es zweckmäßig sein, wenn ein Sensor zur Bestimmung der Ventilstellung vorhanden ist.
In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung weist zur Bestimmung der aktuellen Position eines der Getriebezahnräder eine Elektrode auf, die mit einer Gegenelektrode einen Kondensator bildet. Die beiden Elektroden sind dabei so ausgebildet, dass sich durch Drehung des Getriebezahnrads kontinuierlich die Kapazität des Kondensators ändert. Auf diese Weise kann durch eine Kapazitätsmessung die Stellung des Getriebezahnrads und daraus die Ventilstellung bestimmt werden. Die Gegenelektrode kann beispielsweise auf einer dem Getriebezahnrad gegenüberliegenden Leiterplatte aufgebracht sein. Dadurch kann die Anzahl der Umdrehungen des Elektromotors bestimmt werden, so dass letztendlich auf die Stellung des Ventils geschlossen werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann die Positionsbestimmung aber auch mittels Hallsensoren oder Photodioden erfolgen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Explosionszeichnung einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäßen Heizkörperthermostats,
2 ein Querschnitt durch den Heizkörperthermostaten der 1,
3 eine Schrägansicht des Betätigungselements des Heizkörperthermostats der 1 mit einer archimedischen Spirale und einem Zahnrad,
4 eine Draufsicht des Betätigungselements der 3,
5 eine Explosionszeichnung einer zweiten Ausführung eines erfindungsgemäßen Heizkörperthermostat mit einem thermoelektrischen Energiewandler,
6 eine teilgeschnittene Draufsicht des leeren Gehäuses des Heizkörperthermostats der 1,
7 ein Querschnitt des Gehäuses entlang der Linie VII-VII,
8 ein Querschnitt des Gehäuses der 9 durch den Endanschlag entlang der Linie VIII-VIII,
9 eine Draufsicht des Heizkörperthermostats der 5,
10 ein Querschnitt des Heizkörperthermostats der 5 entlang der Linie X-X und
11 ein Querschnitt des Heizkörperthermostats der 5 entlang der Linie XI-XI.
Die 1 zeigt einen im Ganzen mit 1 bezeichneten, erfindungsgemäßen Heizkörperthermostaten zur Montage an einem Heizkörper (nicht dargestellt). Dazu weist der Heizkörperthermostat 1 einen Flansch 2 (2) auf, der auf einen passenden Gegenflansch (nicht gezeigt) des Heizkörperventils aufsetzbar ist. Zur Fixierung des Heizkörperthermostats 1 weist der Flansch 2 einen drehbaren Ring 3 mit einem Innengewinde 4 auf, der auf ein Außengewinde des Gegenflanschs geschraubt wird. Die Art der Befestigung des Heizkörperthermostats spielt jedoch für die Erfindung keine Rolle, weshalb die hier gezeigte Ausführung nur exemplarisch und in keiner Weise einschränkend ist. Koaxial innerhalb des Flansches 2 ist ein Übertragungselement 5 angeordnet, das linear in axialer Richtung beweglich ist. Das offene Ende 6 des Übertragungselements 5 tritt beim Anflanschen an ein Heizkörperventil mit dem Ventilstift in Kontakt, so dass durch eine Linearbewegung des Übertragungselements 5 der Ventilstift bewegt wird.
Der Heizkörperthermostat 1 weist weiterhin ein Gehäuse 7 auf, das mit dem Flansch 2 verbunden ist, so dass der Heizkörperthermostat 1 insgesamt eine stabile, einfach handhabbare Einheit bildet. Das Gehäuse 7 ist im Beispiel zweiteilig ausgebildet (7, 8), mit einer Gehäuseoberseite 8 und einer Gehäuseunterseite 9, die mit Schrauben 10 miteinander verbunden sind. Weiterhin ist unterhalb des Gehäuses 7 eine Leiterplatte 11 angeordnet, auf der alle elektrischen Verbindungen angeordnet sind. Die Leiterplatte 11 ist ebenfalls mit Schrauben 10 am Gehäuse befestigt. Im Beispiel ist die Leiterplatte 11 mit einer Antenne 39 Versehen, so dass der Heizkörperthermostat zur drahtlosen Kommunikation eingerichtet ist, beispielsweise via WLAN, Bluetooth oder ZigBee. Desweiteren kann ein Datenaustausch mittels einer Kabelverbindung, beispielsweise mittels eines USB-Anschlusses 40, vorgesehen sein.
In dem Gehäuse 7 ist ein Elektromotor 12 mit einem Getriebe 13 angeordnet, über das das Übertragungselement angetrieben ist. Das Getriebe 13 weist im Beispiel mehrere Untersetzungsstufen auf, so dass ein ausreichendes Drehmoment zum Bewegen des Übertragungselements 5 vorhanden ist. Die genaue Ausgestaltung des Getriebes 13 ist nicht wesentlich für die Erfindung, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird.
Zur Übersetzung der Drehbewegung des Elektromotors 12 in die Linearbewegung des Übertragungselements 5 weist das erfindungsgemäße Heizkörperthermostat 1 ein Betätigungselement 14 auf. Das Betätigungselement 14 hat eine Drehachse 15, auf der es drehbar am Gehäuse 7 gelagert ist. Das Betätigungselement 14 weist im Wesentlichen zwei axiale Abschnitte auf. Der im Bild untere axiale Abschnitt 16 weist einen im Wesentlichen kreisförmigen Umfang auf, an dem ein Zahnrad 17 ausgebildet ist, das mit dem Abtriebszahnrad 18 des Getriebes 13 kämmt, wodurch das Betätigungselement 14 drehend vom Elektromotor 12 antreibbar ist.
Der im Bild obere axiale Abschnitt 19 weist einen im Wesentlichen spiralförmigen Umfang 20 auf (4). Der Anfang 21 dieser Spirale 20 besitzt im Beispiel den selben Radius wie der Zahnrad-Abschnitt 16 des Betätigungselements 14. Vom Spiralen-Anfang 21 läuft die Spirale 20 nach Innen zur Drehachse 15 hin zu, wobei der Radius hier im Beispiel auf etwa die Hälfte kleiner wird. Die Spirale 20 besitzt im Wesentlichen genau einen Umlauf. Obwohl dies aus energetischer Sicht vorteilhaft ist, sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich. Das Spiral-Ende 22 ist durch einen im Wesentlichen radialen Steg 23 mit dem Spiral-Anfang 21 verbunden. Die Übergänge zwischen dem Steg 23 und der Spirale 20 sind dabei jeweils abgerundet, wodurch das Übertragungselement relativ einfach herzustellen ist. Der Spiral-Anfang 21 und das Spiral-Ende 22 können aber auch offen sein oder in einer anderen Art miteinander verbunden sein.
Die Spirale 20 ist im Beispiel als archimedische Spirale ausgebildet. Aufgrund der Geometrie der archimedischen Spirale erfolgt eine lineare Übersetzung der Drehbewegung des Betätigungselements 14 in die gleichförmig geradlinige Bewegung des Übertragungselements 5. Das bedeutet, dass eine Drehung des Betätigungselements 14 um eine Winkeleinheit immer eine gleiche Verschiebung des Übertragungselements 5 um eine Längeneinheit bewirkt, unabhängig von der aktuellen Position.
Diese lineare Übersetzung ermöglicht eine einfache Ansteuerung für den Elektromotor 12, da nicht komplizierte Berechnungen in Abhängigkeit der Position, beziehungsweise des Drehwinkels, durchgeführt werden müssen. Somit ist die Ansteuerschaltung sowie der gesamte Heizkörperthermostat 1 wesentlich einfacher und kostengünstiger herstellbar.
Das Betätigungselement 14 weist weiterhin einen Endanschlag auf, der in Form einer in axialer Richtung hervorstehenden Nase 24 ausgebildet ist (3). Der Endanschlag 24 wirkt mit einem Gegenanschlag 25 an der Gehäuseoberseite 8 zusammen (6, 7 und 8). Der Anschlag 24 verhindert, dass das Betätigungselement 14 soweit gedreht wird, dass das Übertragungselement 5 über die den Spiral-Anfang 21 oder das Spiral-Ende 22 bewegt wird, da dadurch je nach Drehrichtung das Übertragungselement am Steg 23 blockieren oder das Heizkörperventil schlagartig geschlossen würde. Im Beispiel ist der Anschlag 24 so angeordnet, dass eine Drehung des Betätigungselements 14 um ca. 323° möglich ist. Außerdem dient der Anschlag als Referenzpunkt für die Regelung. Der Anschlag 24 beschreibt im Beispiel einen Teil eines Kreissegments mit Öffnungswinkel ϕ = 19,2° während der Winkel θ zwischen dem Spiral-Anfang und der Mitte des Anschlags 24 ca. 66° beträgt.
Die Drehachse 15 des Betätigungselements 14 ist senkrecht zur Bewegungsrichtung (Pf1) des Übertragungselements 5 ausgerichtet und das Übertragungselement 5 ist tangential mit dem Außenumfang der Spirale 20 in Kontakt. Zur Verringerung der Reibung ist zwischen dem Betätigungselement 14 und dem Übertragungselement 5 ein Kugellager 26 angeordnet. Die Drehachse 27 des Kugellagers 26 befindet sich dabei genau auf der Verbindungslinie zwischen der Drehachse 15 des Betätigungselements und der Achse 28 des Übertragungselements 5 und ist parallel zur Drehachse 15 des Betätigungselements 14 ausgerichtet. Zur Lagerung der Achse 28 weist das Übertragungselement 5 zwei Achslager 38 auf, die beispielsweise als Vertiefungen oder Löcher im Übertragungselement 5 ausgebildet sind.
Das Kugellager 26 ist am Übertragungselement 5 mittels der in den Lagern 38 gelagerten und als Spannstift ausgebildeten Achse 28 befestigt. Bei einer Drehung des Betätigungselements 14 rollt das Kugellager 26 entlang des Umfangs der Spirale 20 ab. Auf der gegenüberliegenden Seite rollt das Übertragungselement 5 auf dem Kugellager 26 ab. Aufgrund der Spirale 20 ändert sich der Radius des Umfangs kontinuierlich wodurch die Drehung des Betätigungselements 14 in eine Linearbewegung des Übertragungselements 5 übersetzt wird. Das Kugellager 26 bewirkt, dass dabei zwischen dem Betätigungselement 14 und dem Übertragungselement 5 nur Rollreibung entsteht. Der Elektromotor 12 wird dadurch nur unwesentlich mehr belastet so dass ein sparsamer Betrieb möglich ist.
Selbstverständlich kann das Übertragungselement 5 auch direkt auf dem Umfang der Spirale 20 aufliegen oder ein anderes geeignetes Mittel zur Verringerung der Reibung vorhanden sein. Beispielsweise könnte die Umfangsfläche mit einem reibungsarmen Kunststoff wie Teflon beschichtet sein.
Zur Bestimmung der aktuellen Position weist eines der Getriebezahnräder an der Unterseite eine Elektrode auf, die mit einer am gegenüberliegenden Gehäuse angeordneten Gegenelektrode einen Kondensator bildet, wobei die Gegenelektrode beispielsweise auf einer Leiterplatte aufgebracht sein kann. Die Elektroden sind so ausgebildet, dass sich durch Drehung des Zahnrades kontinuierlich die Kapazität des Kondensators ändert, so dass die Anordnung als Inkrementalgeber verwendet werden kann. Nach einer vorher erfolgten Referenzierung kann damit, über eine Messung der Kapazitätsänderung am Kondensator, die absolute Position des Übertragungselements bestimmt werden.
Zur Stromversorgung ist unterhalb der Leiterplatte eine Batterie oder ein wiederaufladbarer Energiespeicher wie ein Akku oder ein Kondensator vorhanden. Im Falle eines wiederaufladbaren Energiespeichers kann beispielsweise von einem Thermogenerator gespeist werden, wie es im Ausführungsbeispiel der 5, beziehungsweise in der Draufsicht der 9 und den Schnittansichten der 10 und 11, illustriert wird.
In 5 ist eine zweite vorteilhafte Ausführung der Erfindung gezeigt, die im Wesentlichen der Ausführung der 1 entspricht. Zur Stromversorgung ist jedoch ein thermoelektrischer Energiewandler 29 vorhanden. Die in 5 gezeigte Explosionszeichnung zeigt dabei nicht den vollständigen Heizkörperthermostat 1 sondern nur die im Vergleich zur Ausführung der 1 unterschiedlichen oder dort nicht gezeigten Bauteile. Insbesondere sind hier zum einen eine alternative Ausgestaltung des Betätigungselementes 14 und zum Anderen der Energiewandler 29, der prinzipiell auch in der Ausführungsform der 1 verwendet werden kann, gezeigt.
Der Energiewandler 29 weist eine Warmseite 30 und eine Kaltseite 31 auf. Die Warmseite 30 ist über einen Wärmeleiter 32 mit einem angepassten Flansch 33 des Heizkörperventils als Wärmequelle thermisch verbunden. Die Kaltseite 31 ist mit dem Gehäuse 7 als Wärmesenke verbunden. Die im Heizkreislauf vorhandene Wärmeenergie wird über den Wärmeleiter 32 durch den thermoelektrischen Energiewandler 29 zum Gehäuse 7 abgeführt. Durch den Temperaturunterschied zwischen dem Heizkreislauf und dem Gehäuse wird im Energiewandler 29 elektrische Energie gewonnen. Je größer die Temperaturdifferenz desto größer die gewonnene elektrische Energiemenge. Der thermoelektrische Energiewandler 29 kann beispielsweise als Peltier-Element ausgebildet sein. Es sind jedoch auch andere auf dem Peltier-, dem Seebeck- und / oder dem Thomson-Effekt beruhenden Energiewandler möglich.
Anstelle oder zusätzlich zur Batterie kann der Heizkörperthermostat 1 einen Energiespeicher aufweisen, in dem die gewandelte elektrische Energie zur späteren Verwendung gespeichert werden kann. Dieser Energiespeicher weist vorzugsweise Kondensatoren auf, in denen elektrische Energie sehr schnell und ohne Alterungserscheinungen speicherbar ist. Alternativ kann selbstverständlich auch ein Akku verwendet werden.
Die im Beispiel gezeigte Ausführung weist weiterhin eine spiralförmig gewundene Triebfeder 34 auf, die auf ein Getriebezahnrad 35 wirkt. Die Triebfeder 34 bewirkt ein Drehmoment auf das Zahnrad 35 und damit auch auf das Betätigungselement 14. Die Triebfeder 34 ist dabei vorzugsweise so dimensioniert, dass das Drehmoment zumindest teilweise die Druckkraft des Ventilstiftes kompensiert. Um das Betätigungselement 14 zu Drehen ist daher nur ein geringes Drehmoment notwendig, das dann die Rollreibung des Kugellagers 26 und die innere Reibung des Getriebes 13 überwinden muss. Darüber hinaus muss aber nur eine geringe, zusätzliche Kraft zum Verstellen des Ventils aufgebracht werden. Der Elektromotor 12 kann in einer solchen Ausführung entsprechend klein dimensioniert sein, insbesondere mit dem gezeigten mehrstufigen Getriebe 13. Somit ist die Stromaufnahme durch den Elektromotor sehr gering. Zudem kann dadurch der Motor und damit der Heizkörperthermostat insgesamt sehr klein und kompakt gebaut werden, was auch die Herstellungskosten gering hält. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die Triebfeder 34 mittelbar oder unmittelbar an dem mit dem Betätigungselement 14 zusammenwirkenden Zahnrad 17 angreift. Durch die Wahl einer Triebfeder 34 kann das Betätigungselement 14 über einen relativ großen Verstellweg ein nahezu lineares Drehmoment bereitstellen. Im Vergleich zu anderen Federlösungen kann mittels der Triebfeder 34 ein vergleichsweise großes Drehmoment unter Verwendung von vergleichsweise wenig Bauraum bereitgestellt werden.
Auch wenn die Triebfeder 34 hier in Zusammenhang mit dem thermoelektrischen Energiewandler 29 gezeigt ist, sind beide Merkmale völlig unabhängig voneinander. Der Heizkörperthermostat 1 kann daher ohne Einschränkungen auch nur die Triebfeder 34 aufweisen. Ebenso kann der Energiewandler 29 auch ohne die Triebfeder 34 verwendet werden. Weiterhin ist es möglich den Energiewandler 29 mit einer Primärbatterie 36 als Notstromreserve zu kombinieren. Darüber hinaus sind alle gezeigten Ausführungen nur beispielhaft und in keiner Weise einschränkend, wobei die erfindungswesentlichen Merkmale durchaus anders ausgebildet oder geformt sein können.
Bezugszeichenliste

1: Heizkörperthermostat
2: Flansch (Heizkörperthermostat)
3: Ring
4: Innengewinde
5: Übertragungselement
6: offenes Ende Übertragungselement
7: Gehäuse
8: Gehäuseoberseite
9: Gehäuseunterseite
10: Schrauben
11: Leiterplatte
12: Elektromotor
13: Getriebe
14: Betätigungselement
15: Drehachse (Betätigungselement)
16: unterer axialer Abschnitt
17: Zahnrad (Betätigungselement)
18: Abtriebszahnrad (Getriebe)
19: oberer axialer Abschnitt
20: Spirale
21: Spiral-Anfang
22: Spiral-Ende
23: Steg
24: Endanschlag
25: Gegenanschlag
26: Kugellager
27: Drehachse (Kugellager)
28: Achse Übertragungselement
29: thermoelektrischer Energiewandler
30: Warmseite
31: Kaltseite
32: Wärmeleiter
33: Flansch (Heizkörperthermostat)
34: Triebfeder
35: Getriebezahnrad
36: Energiespeicher
37: Antriebszahnrad
38: Lagerstelle (Achse Kugellager)
39: Antenne
40: USB-Anschluss
Pf1: Betätigungsrichtung Übertragungselement

Claims

Ventilsteller, mit einem Übertragungselement (5), mit einem Elektromotor (12) zum Antrieb des Übertragungselements (5), wobei der Ventilsteller zum Aufsetzen auf ein Ventil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteller ein Betätigungselement (14) aufweist, dass das Betätigungselement (14) eine Drehachse (15) aufweist, dass das Betätigungselement (14) zumindest teilweise spiralförmig zur Drehachse (15) zulaufend ausgebildet ist und dass zum Betätigen des Ventils das Übertragungselement (5) mittelbar oder unmittelbar mit dem spiralförmigen Teil des Betätigungselements (14) in Wirkverbindung steht.
Ventilsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteller ein Betätigungselement (14) und eine Triebfeder (34) aufweist, wobei die Triebfeder (34) derart mit dem Betätigungselement (14) zusammenwirkt, so dass die Triebfeder (34) mittelbar oder unmittelbar ein Drehmoment in Drehrichtung des Betätigungselements (14) und damit eine Vorspannung des Übertragungselements (5) bewirkt, wodurch eine Gegenkraft des Ventils weitgehend kompensiert wird.
Ventilsteller, mit einem Übertragungselement (5), mit einem Elektromotor (12) zum Antrieb des Übertragungselements (5), wobei der Ventilsteller zum Aufsetzen auf ein Ventil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteller ein Betätigungselement (14) und eine Triebfeder (34) aufweist, wobei die Triebfeder (34) derart mit dem Betätigungselement (14) zusammenwirkt, so dass die Triebfeder (34) mittelbar oder unmittelbar ein Drehmoment in Drehrichtung des Betätigungselements (14) und damit eine Vorspannung des Übertragungselements (5) bewirkt, wodurch eine Gegenkraft des Ventils weitgehend kompensiert wird.
Ventilsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang das Betätigungselement (14) zumindest teilweise spiralförmig zur Drehachse (15) zulaufend ausgebildet ist.
Ventilsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (15) des Betätigungselements (14) senkrecht zur Betätigungsrichtung (Pf1) des Übertragungselements (5) steht.
Ventilsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (14) koaxial zu seiner Drehachse (15) ein Zahnrad (17) aufweist, über das das Betätigungselement (14) antreibbar ist.
Ventilsteller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Elektromotor (12) und dem Zahnrad (17) ein Getriebe mit mindestens einem Getriebezahnrad (35) angeordnet ist.
Ventilsteller nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebfeder an dem mit dem Betätigungselement (14) verbundenen Zahnrad (17) oder an dem Getriebezahnrad (35) angeordnet ist.
Ventilsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Betätigungselement (14) und dem Übertragungselement (5) ein Kugellager (26) oder ein Wälzlager angeordnet ist
Ventilsteller nach Anspruche 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (27) des Kugellagers (26), beziehungsweise des Wälzlagers, parallel zur Drehachse (15) des Betätigungselements (14) angeordnet ist und sowohl der spiralförmige Umfang (20) des Betätigungselements (14) als auch das Übertragungselement (5) an dem Kugellager (26), beziehungsweise an dem Wälzlager, anliegen.
Ventilsteller nach Anspruche 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsaufnahme für das Kugellager (26), beziehungsweise für das Wälzlager, mit dem Übertragungselement (5) verbunden oder einteilig mit diesem ausgebildet ist.
Ventilsteller nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der spiralförmige Außenumfang (20) des Betätigungselements (14) als archimedische Spirale ausgebildet ist.
Ventilsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (14) einen in axialer Richtung vorstehenden Vorsprung (24) aufweist, der zusammen mit einem Gegenanschlag (25) an einem feststehenden Teil des Ventilstellers als Endanschlag zur Begrenzung der Drehbewegung des Betätigungselements (14) wirkt.
Ventilsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteller eine Steuerung für den Elektromotor (12) und eine Stromversorgung (36; 29) aufweist, wobei die Stromversorgung einen thermoelektrischen Energiewandler (29) umfasst, der mit seiner Warmseite (30) mit einer Wärmequelle (33) und mit seiner Kaltseite (31) mit einer Wärmesenke (7) thermisch verbunden ist.
Ventilsteller nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteller einen Energiespeicher zum Speichern der durch den thermoelektrischen Energiewandler (29) gewandelten Energie aufweist.
Heizkörperthermostat mit einem Ventilsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 15.