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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Antriebseinheit für ein Umschaltventil für Heizgeräte.
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Im Prinzip sind bereits eine ganze Reihe von unterschiedlichen technischen Einzellösungen mit hauptsächlich zwei Antriebskonzepten für Umschaltventile für Heizgeräte bekannt. Bevorzugt werden zur Zeit entweder Linearschrittmotoren oder rotierende Synchronmotoren mit nachgeschalteten Getrieben in Heizgeräten eingesetzt. Der Vorteil von Linearschrittantrieben liegt insbesondere in dem genau definier- und exakt einstellbaren Stellweg des Ventiltellers im Umschaltventil durch eine präzise Schrittvorgabe. Die Geschwindigkeit des Umschaltvorganges wird dabei durch die vorgegebene Schrittgeschwindigkeit geregelt, aber auch durch diese begrenzt. Der große Nachteil dieser Linearschrittantriebe besteht allerdings darin, dass Schrittantriebe eine aufwendige und kostenintensive Ansteuerung benötigen.
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Diesem Nachteil wird begegnet, indem rotierende Antriebe, meist Synchronmotoren, mit entsprechend nach geordneten Getrieben eingesetzt werden, welche die rotatorische Bewegung eines Elektromotors in eine translatorische Bewegung des Dichtkörpers des Umschaltventils umwandelt. Diese rotierenden Antriebe haben zwar den Vorteil einer einfachen Ansteuerung. Allerdings erfolgt die Kraftübertragung dabei bislang unidirektional. Das bedeutet die Aktoren können die Ventilstange nur in eine Richtung drücken. Um die notwendige Dichtkraft in beiden Ventilendlagen erreichen zu können, muss deshalb der rotierende Antrieb beim Drücken der Ventilstange in den Dichtsitz gleichzeitig ein entsprechend gestaltetes Rückstellelement vorspannen. Bedingt durch diesen Aufbau ist der rotierende Antrieb so gestaltet, dass er mindestens eine Kraft aufbringen muss, die der doppelten Dichtkraft entspricht. Ein weiterer Nachteil dieser Antriebsvariante ist, dass sich in der Regel dabei kein genau definierter Stellweg einstellen lässt. Zudem ist die Geschwindigkeit und Schließkraft bei diesen Antriebslösungen nicht regelbar und über den gesamten Stellweg konstant.
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In der
EP 2 126 431 B1 ist eine Antriebseinheit für die Betätigung von Fluidventilen beschrieben, die klein- und kurzbauend konstruiert und wo das Gehäuse selbstragend ausgebildet ist. Die Antriebseinheit ist in ihren Endlagen jeweils abschaltbar ausgebildet. Der Antrieb erfolgt mittels eines rotierenden Synchronmotors, der über ein Getriebe speziell ausgebildete Nockenprofile gegeneinander bewegt und damit aus der rotierenden Bewegung eine translatorische Bewegung erzeugt. Diese Antriebseinheit ist allerdings nur für geringe translatorische Bewegungen (relativ kurze Verstellwege) geeignet, da durch das Aufeinandergleiten der Nockenflanken bei großen Steigungen die Reibung zu groß wird und der Vorteil des geringen Energieaufwandes wieder aufgehoben werden würde. Diese Lösung beinhaltet auch die bereits erwähnten Nachteile, dass der Antrieb durch die unidirektionale Ankopplung die doppelte Dichtkraft aufbringen muss und dass der gesamte Stellweg mit konstanter Geschwindigkeit sowie mit konstanter Schließkraft durchfahren wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren für ein Umschaltventil für Heizgeräte zu schaffen, wobei die Antriebseinheit konstruktiv sehr klein bauend ausgebildet sein soll, trotzdem für solcherart Umschaltventile eine ausreichende Schließkraft aufgebracht wird, das Umschaltventil sicher und in der jeweiligen Ventilstellung dauerhaft dichtet, große Verstellwege realisiert und eine einfache Ansteuerung und Betätigung ermöglicht sowie eine Variation der Geschwindigkeit und Kraft über den Stellweg, trotz kontinuierlich arbeitendem Antrieb ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten und dritten Patentanspruchs gelöst. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren rückbezüglichen Unteransprüche. Das erfindungsgemäße Verfahren zur translatorischen Betätigung eines Umschaltventils 2 mittels einer Antriebseinheit 1 für Heizgeräte mit einem rotierenden Antrieb 3, einem Getriebe 7 mit elektrischer Abschaltung des Antriebs in den Ventilendlagen ist so ausgebildet, dass die Antriebseinheit 1 in neuartiger Art und Weise eine nichtlineare Weg-Zeit-Bewegung und/oder ein nichtlineares Weg-Kraft-Verhalten auf die Linearbetätigung für einen Ventilstellstange 4 des Umschaltventils 2 ausübt. Dadurch wird es möglich, dass auf den Ventilstellstange 4 des Umschaltventils 2 trotzdem eine ausreichende Schließkraft ausgeübt wird und auch ein Ventilteller in seiner Endlage zuverlässig dichtend positioniert und gehalten werden kann. Die Anwendung verlangt hingegen eine hohe Schließkraft in beiden Ventilendlagen zum sicheren Abdichten, aber nur eine gering Kraft über den freien Verfahrweg zwischen diesen Endlagen. Weiterhin ist es sinnvoll zwischen den beiden Ventilendlagen mit möglichst hoher Geschwindigkeit zu fahren, wobei allerdings das letzte Stück des Stellwegs zum Fahren in die Endlagen (in die Ventilsitze) mit deutlich verringerter Geschwindigkeit geschehen soll. Somit wäre ein möglichst schnelles Umschalten des Ventils gewährleistet, wobei gleichzeitig ungünstige Strömungsverhältnisse im hydraulischen System der Heizanlage verhindern werden könnten.
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Ist die Antriebseinheit 1 als bidirektionaler Krafterzeuger ausgebildet und in beide Bewegungsrichtungen wird eine nichtlineare Weg-Zeit-Bewegung oder ein nichtlineares Weg-Kraft-Verhalten auf die Linearbetätigung für den Ventilstellstange 4 des Umschaltventils 2 mittels einer Koppelstelle 12 ausgeübt, kann der Ventilstellstange 4 nicht nur mit wenig Energieaufwand bewegt, sondern auch in seinen beiden Endlagen trotz geringen Energieeinsatzes gehalten werden, wobei gleichzeitig auf einen angekoppelten Ventilteller auch die erforderliche Schließkraft ausgeübt wird, so dass das Umschaltventil 2 in seinen beiden Stellungen zuverlässig abdichtet.
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Die neuartige Antriebseinheit 1 für ein translatorisch zu betätigendes Umschaltventil 2 für Heizgeräte wird, wie an sich bekannt, mit einem rotierenden Antrieb 3 betrieben und ist mit einem Getriebe 7 mit elektrischer Abschaltung des Antriebs in den Ventilendlagen oder zumindest nahe des Totpunktes der Getriebes 7 versehen. Das Getriebe 7 ist dabei so ausgeführt, dass bei kontinuierlicher Bewegung des rotierenden Antriebes 3, der sich translatorisch bewegende Abtrieb des Getriebes 7 eine definierte nichtlineare Weg-Zeit-Bewegung und/oder eine nichtlineares Weg-Kraft-Verhalten in beide Bewegungsrichtungen aufweist. Die Antriebseinheit 1 mit dem Gehäuse 7 besteht, wie an sich bekannt, aus einer zentralen Hauptplatine 6, an dem das Getriebe 7 zum Umformen der rotierenden Bewegung angeordnet ist und einem Schalter 19 zum Schalten des Antriebes.
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Die Dichtkraft und die Dichtheit des Ventiltellers kann weiter verbessert werden, wenn in der Antriebseinheit 1 für ein Umschaltventil 2 für Heizgeräte zwischen dem rotierendem Antrieb 3 und der Linearbetätigung für die Ventilstellstange 4 ein Federelement 14 angeordnet ist.
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Bevorzugt ist bei der Antriebseinheit 1 zur translatorischen Betätigung eines Umschaltventils 2 für Heizgeräte das Getriebe 7 zum Umformen der rotierenden in eine lineare Bewegung als ein Schubkurbelgetriebe 10 ausgeführt. Dabei wird eine angeordnete Kurbelscheibe 15 durch den rotierenden Antrieb 3 angetrieben, wobei mittels einer Schwinge 16 und einer Koppelstelle 12 die Ventilstellstange 4 translatorisch bewegt wird. Die Position des Drehpunkts der Schwinge 16 kann durch ein im Inneren der Kurbelscheibe 15 angeordnetes Federelement 14 kraftabhängig verändert werden.
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In einer abgewandelten Form der Antriebseinheit 1 zur translatorischen Betätigung eines Umschaltventils 2 für Heizgeräte kann das Getriebe 7 zum Umformen der rotierenden in eine lineare Bewegung als ein Schubkurbelgetriebe 10 ausgeführt sein. Dabei wird die Kurbelscheibe 15 durch den rotierenden Antrieb 3 angetrieben und mittels einer Schwinge 16 und einer Koppelstelle 12 wird die Ventilstellstange 4 translatorisch bewegt. Hier ist ebenfalls im Inneren der Kurbelscheibe 15 ein Federelement 14 so angeordnet, dass die Position des Drehpunkts der Schwinge 16 in der Kurbelscheibe 15 kraftabhängig veränderbar ausgebildet ist.
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Es ist auch in einer geringfügig geänderten Variante möglich, bei Ausführung des Getriebes 7 zum Umformen der rotierenden in eine lineare Bewegung als ein Schubkurbelgetriebe 10, dass die Kurbelscheibe 15 durch den rotierenden Antrieb 3 angetrieben wird und mittels einer federnd ausgebildeten Schwinge 17 und einer Koppelstelle 12 die Ventilstellstange 4 translatorisch bewegt wird.
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Auch kann das Getriebe 7 zum Umformen der rotierenden in eine lineare Bewegung Antriebseinheit 1 zur translatorischen Betätigung eines Umschaltventils 2 für Heizgeräte als Kurvengetriebe 9 ausgeführt ist.
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In einer anderen Ausführung bei der neuartigen Antriebseinheit 1 zur translatorischen Betätigung eines Umschaltventils 2 für Heizgeräte kann das Getriebe 7 zum Umformen der rotierenden in eine lineare Bewegung als Koppelgetriebe 8 ausgebildet werden, wie es zum Beispiel in einfachster Art und Weise mittels einer geeigneten Anordnung von Stirnrädern und mehren Koppelgliedern 13 realisierbar ist.
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Zur Funktionsüberwachung der Antriebseinheit 1 und des Umschaltventils 2 sowie zum Vereinfachen von Wartungsarbeiten, ist es vorteilhaft, dass zusätzlich ein Positionsindikator 21 für die Position des Ventiltellers des Umschaltventils 2 angeordnet und an der Antriebseinheit 1 von außen sichtbar ist.
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Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der 1 bis 4 näher erläutert werden.
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1 zeigt das Äußere einer Antriebseinheit 1 mit einem darunter abgebildeten, möglichen Ausführung eines Umschaltventils 2
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2 zeigt den Aufbau einer Antriebseinheit 1 mit einem Getriebe 7 mit starrer Schwinge 16 und Federelement 14
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3 zeigt den Aufbau einer Antriebseinheit 1 mit einem Schubkurbelgetriebe mit federnder Schwinge 17 anstelle einer starren Schwinge 16 und eines Federelements 14
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4 zeigt den Aufbau einer Antriebseinheit mit den beiden Stellungen des Positionsindikator 21
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5 zeigt den Aufbau einer Antriebseinheit 1 mit einem Kurvengetriebe 9
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6 zeigt den Aufbau einer Antriebseinheit 1 mit einem Koppelgetriebe 8
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In der 1 ist eine Außenansicht einer Antriebseinheit 1 im oberen Teil und darunter ein mittels einer Ventilstellstange 4 betätigbare mögliche Ausführungsform eines Umschaltventils 2 gezeigt. Am Gehäuse 5 der Antriebseinheit 1 ist der Positionsindikator 21 sichtbar, mit dessen Hilfe man erkennen kann, in welcher Stellung sich der Ventilteller des Umschaltventils 2 befindet. Seitlich im Gehäuse 5 ist der Steckeranschluss 20 erkennbar, welcher im Inneren an der der Hauptplatine 6 angeordnet und befestigt ist. Der Fuß der Hauptplatine 6 ist gleichzeitig so ausgebildet, dass er als über eine Art Bajonettverschluss am Umschaltventil 2 in einfacher Art und Weise angekoppelt werden kann. Gleichzeitig übernimmt die Hauptplatine 6 im unteren Bereich eine Gehäusefunktion.
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2 zeigt den Innenaufbau einer Antriebseinheit 1 mit einem Schubkurbelgetriebe 10 (hier mit zwischengeschaltetem Stirnradgetriebe ausgeführt), welches über die Welle des rotierenden Antriebs 3 angetrieben wird. Das Getriebe 7 ist in der Hauptplatine 6 gelagert. An einem Stirnrad ist die Kurbelscheibe 15 angeordnet, mittels der der Schalter 19 zum Ein- und Ausschalten des rotierenden Antriebs 3 betätigt wird. Im Inneren der Kurbelscheibe 15 ist ein Federelement 14 angeordnet. Dieses Federelement 14 stützt sich Innen auf einer Seite in der Kurbelscheibe 15 in einem Festpunkt ab. Am anderen Ende des Federelements 14 ist ein Lagerzapfen radial beweglich in der Kurbelscheibe 15 geführt, über den die feste Schwinge 16 gelagert ist. Die Schwinge 16 ist mit der Ventilstange 4 an der Koppelstelle 12 mittel eines Pleuellagers verbunden. Durch diesen Aufbau wird es möglich, dass durch die kontinuierliche rotierende Bewegung der angetriebenen Welle des rotierenden Antriebs 3 auf die Ventilstellstange 4 mittels der federbelastete Lagerung und Führung der Schwinge 16, nicht nur eine bidirektionale translatorische Bewegung sondern gleichzeitig auch eine nichtlineare Weg-Zeit-Bewegung und/oder ein nichtlineares Weg-Kraft-Verhalten auf den Ventilteller des Umschaltventils 2 ausgeübt wird. Nach Abschalten des rotierenden Antriebes 3 wird immer auf den Ventilteller eine bestimmte Schließkraft wirken, so dass eine zuverlässige Dichtheit des Umschaltventils gewährleistet werden kann. Auf der Verdrahtungsplatine 18 sind die entsprechenden Verdrahtungen und Verschaltungen des Antriebes 3 mit dem Schalter 19 und gegebenenfalls Elektronikelemente angeordnet.
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3 zeigt den Aufbau einer Antriebseinheit 1 mit einem Schubkurbelgetriebe 10 mit einer federnder Schwinge 17 anstelle eines Federelements. Hier übernimmt die federnde Schwinge 17 die Funktion des Federelements. Die federnde Schwinge 17 ist auf einem Lagerzapfen fest in der Kurbelscheibe 15 gelagert.
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In der 4a und 4b sind der Aufbau und die Wirkungsweise des Positionsindikators 21 dargestellt. In der Stellung Positionsindikator 21 oben, gemäß der 4a befindet sich der Ventilteller in einer Endlage. Der Positionsindikator 21 ist hier in einfacher Weise mittels eines Elements ausgebildet, welches im Gehäuse 5 geführt ist. Es liegt auf der Positionskontur 22 auf und wird durch die Kontur zwangsweise bewegt. 4b zeigt eine Zwischenstellung des Positionsindikators 21. Der Ventilteller befindet sich in einer Mittellage. Wird weiter angetrieben wird der Ventilteller über die Ventilstellstange 4 in die zweite Endlage gefahren und der Positionsindikator 21 wird erneut nach oben bewegt., d. h der sichtbare Teil des Positionsindikators 21 ragt durch das Gehäuse 5 hindurch und ist deshalb leicht ablesbar.
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5 zeigt den möglichen Aufbau einer Antriebseinheit 1 in einer Ausführung mit einem Kurvengetriebe 9 mit der Kurvenscheibe 11 und einem Stößel 23 zur Kraftübertragung auf die Ventilstellstange 4.
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6 zeigt den Aufbau einer Antriebseinheit 1 mit einem Koppelgetriebe 8. Zwischen einem Untersetzungsgetriebe und der Ventilstellstange 4 zur Verstellung des Ventiltellers des Umschaltventils 2 sind mehrere Koppelglieder 13 zur Kraftübertragung so angeordnet, dass die rotierende Antriebsbewegung in eine translatorische Abtriebsbewegung der Koppelstelle 12 umgeformt wird.
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Diese vorstehend beschriebene technische Lösung ist in erster Linie einsetzbar als Antrieb für Umschaltventile für die Einspeisung erwärmten Wassers in verschiedene Heizkreisläufe für Heizgeräte unterschiedlicher Baugröße.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Umschaltventil
- 3
- rotierender Antrieb
- 4
- Ventilstellstange
- 5
- Gehäuse
- 6
- Hauptplatine
- 7
- Getriebe
- 8
- Koppelgetriebe
- 9
- Kurvengetriebe
- 10
- Schubkurbelgetriebe
- 11
- Kurvenscheibe
- 12
- Koppelstelle
- 13
- Koppelglieder
- 14
- Federelement
- 15
- Kurbelscheibe
- 16
- Schwinge
- 17
- federnde Schwinge
- 18
- Verdrahtungsplatine
- 19
- Schalter
- 20
- Steckeranschluss
- 21
- Positionsindikator
- 22
- Positionskontur
- 23
- Stößel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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