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Die Erfindung betrifft ein Ventil mit integriertem Stellmotor und findet insbesondere für Haushaltsgeräte und sanitären Anlagen Anwendung.
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In Druckschrift
DE 78 16 622 U1 (11) wird ein Ventil mit einem zwischen einer Offenendstellung und einer Schließendstellung axial verschiebbaren, hohlzylindrischen Kolben beschrieben, der mit einem Sieb zur Verwendung als Druckwasser Anschlussarmatur für Wasch- oder Geschirrspülmaschinen Verwendung findet. Das Sieb trägt einen mit dem Kolben konzentrischen Führungsring und eine an das Ventilgehäuse schraubbare Dichtkappe, welche axial unbeweglich verbunden und axial im Kolben geführt ist. Der Einsatz eines Stellmotors wird nicht genannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil mit integriertem Stellmotor zu entwickeln, welches einen einfachen konstruktiven Aufbau eine hohe Genauigkeit bei der Stellbewegung bei gleichzeitig hohem Drehmoment und eine Sicherung bei Energieverlust aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Ventil mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung betrifft ein Ventil mit integriertem Stellmotor, insbesondere zur Verwendung für Haushaltsgeräte und/oder sanitäre Anlagen, wobei der Stellmotor ein elektrischer betriebener Motor ist, aufweisend einen Rotor und einen Stator, sowie einer mit dem Rotor wirkverbundenen und mit diesem bewegten ersten Ventilelement, durch welches ein über einen Zulauf zugeführtes Fluid strömt, wenn sich dieses Ventilelement in einer zu einem Ablauf des Ventils geöffneten Position befindet. Der Stellmotor wird folglich von dem Fluid durchströmt wobei das Ventilelement mittels eines begrenzten Stellweges zwischen der geöffneten und einer geschlossenen Position verstellbar ist. Aufgrund seiner Wartungs- und Verschleißfreundlichkeit wird als Stellmotor bevorzugt ein Torquemotor hier in der Form eines Reluktanzmotors verwendet, welcher eine Drehbewegung des Ventilelements ausführt. Das Ventilelelement ist dabei vorzugsweise drehfest mit dem Rotor wirkverbunden.
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Das Ventilelement ist vorzugsweise als Ventilscheibe oder Teil einer Ventilscheibe ausgebildet und besteht vorteilhaft aus Keramik, Stahl, Kunststoff oder einer Kombination dieser Materialien. Der Drehwinkel der Ventilelements wird vorzugsweise mittels zweier Endanschläge, die die geöffnete und die geschlossene Position definieren auf vorteilhafte Drehwinkel α ≤ 90° begrenzt, wobei vorteilhafter Weise insbesondere ein Drehwinkel von α ≤ 45° gewählt wird.
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Das Ventil weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung ein sich an dem ersten Ventilelement anschließendes zweites Ventilelement auf, welches drehfest in einem Gehäuse aufgenommen oder im Gehäuse ausgebildet ist und eine zweite Durchströmöffnung aufweist, die in der geöffneten Position des Ventils den Durchfluss des Fluids von dem ersten Ventilelement zu dem Ablauf freigibt und in der geschlossenen Position den Durchfluss des Mediums sperrt. Auch das zweite Ventilelement ist vorzugsweise als Ventilscheibe ausgeführt, wobei auch hier dieselben Materialien wie bei der ersten Ventilscheibe Verwendung finden können. Des Weiteren kann das zweite Ventilelement durch Durchflussöffnungen im Gehäuse ersetzt werden, wodurch nur eine Scheibe/ein erstes Ventilelement zum Einsatz kommt. Dabei kann die Scheibe/das erste Ventilelement bevorzugt wenigstens eine seitliche oder exzentrisch angeordnete Durchströmöffnung aufweisen, die in der Durchströmposition eine Verbindung mit einem Kanal im Gehäuse herstellt, der zum Ablauf führt.
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Sollte es zu einem Energieverlust des Stellmotors in geöffneter Position kommen oder der Rotor nicht betätigt werden, kann mittels einer Rückstellfeder der Rotor von der geöffneten in die geschlossene Position geführt wird. Hierbei wird die Rückstellfeder zwischen dem Gehäuse und dem Rotor oder zwischen dem Gehäuse und einer mit dem Rotor verbundenen Drehwelle abgestützt. Des Weiteren ist eine elektrische Stellbewegung für die Rückstellung durch Umpolung des Stellmotors möglich, wodurch das Ventil in die geschlossene Position zurück geführt wird. Eine weitere Variante ist die Entkopplung der Rückstellung über einen Freilauf, wobei hier der Motor außerhalb der Achse rotiert und z.B. über ein Getriebe bzw. Zahnräder mit dem Ventilelement in Wirkverbindung steht.
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Die Drehwelle ist vorzugsweise in Form einer Hohlwelle ausgeführt, wobei sie mit dem Rotor drehfest verbunden durch diesen hindurch führt. Somit wird ein Durchströmen des Rotors erreicht, was eine zusätzliche Kühlung des Rotors und Stellmotors, hier Reluktanzmotor bewirkt. Auch der Einsatz eines Rohres in der Hohlwelle ist für die Durchströmung möglich. Die Hohlwelle überragt den Rotor vorteilhaft beidseitig und wird im Gehäuse mittels zweier Lagerungen geführt. Der zugehörige Stator ist in das Gehäuse integriert, wobei auch der Stator und/oder das Gehäuse Kanäle zum Durchfließen des Fluids aufweist/aufweisen.
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Der Rotor des Stellmotors, hier Reluktanzmotors, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus einer Vielzahl von Einzellamellen gebildet oder im Wesentlichen einstückig ausgebildet. Auch der Stator kann aus einer Vielzahl von Einzellamellen gebildet werden oder im Wesentlichen einstückig ausgebildet ist.
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Das Ventil und insbesondere das erste und das zweite Ventilelement werden gemäß einer weiteren Ausführungsform mittels eines elastischen Elements axial unter Vorspannung gebracht. Dies ermöglicht eine größtmögliche Dichtwirkung. Für eine erste Reinigung des Fluids kann ein Filter integriert sein, durch welchen das Fluid strömt, wobei der Filter vorteilhaft in Strömungsrichtung vor den Ventilelementen angeordnet ist, um die Ventilelemente zu schonen.
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Die vorliegende Erfindung wird insbesondere für Haushaltsarmaturen, Haushaltsgeräte und Anschlussarmaturen verwendet.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Längsschnitt eines Ventils mit in Durchflussrichtung nach dem nach dem Motor angeordneten Ventilscheiben,
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2 Längsschnitt eines Ventils in Durchflussrichtung mit vor dem Motor angeordneten Ventilscheiben
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3 Schnitt A-A gemäß 2 in offener und geschlossener Position geschnitten,
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4 Schnitt B-B gemäß 2 in offener und geschlossener Endposition der Ventilscheiben,
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5 Längsschnitt eines Ventils mit einem Motor als Außenläufer.
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In den 1 und 2 sind zwei Varianten des erfindungsgemäßen Ventils dargestellt. Bei beiden Varianten befindet sich am hier oberen Ende eines Gehäuses 1 ein Zufluss 2, welchem direkt in axialer Richtung ein Filter 3 nachfolgend angeordnet ist. Dies ermöglicht eine erste Reinigung und Filterung des Fluids bzw. des flüssigen Mediums, vorzugsweise Wasser, wenn dieses in das Ventil einströmt. In dem Gehäuse 1 ist ein elektrisch betriebener Stellmotor, insbesondere ein Asynchronmotor oder wegen seiner Wartungs- und Verschleißfreundlichkeit bevorzugt ein Torquemotor, hier in der Form eines Reluktanzmotors M, angeordnet. Der Reluktanzmotor M weist einen Rotor 4 und einen diesen umgebenden Stator 5 auf, welche zentrisch zu einer Achse A angeordnet sind, wobei der Rotor 4 als ein auf einer Drehwelle in Form einer Hohlwelle 6 aufgeschrumpfter Eisenkern 7 ausgestaltet ist, der aus einer Vielzahl von Lamellen bestehen oder auch einteilig (massiv) ausgebildet sein kann. Dieser Eisenkern 7 ist in Höhe des Stators 5 montiert und besitzt auch im Wesentlichen dessen Länge. Die Hohlwelle 6 führt das Fluid vom Zufluss 2 über den Filter 3 durch den Rotor 4 und sorgt dabei für eine Kühlung des Stellmotors.
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Des Weiteren kann gemäß einer nicht dargestellten Variante auch der Stator 5 und/oder das Gehäuse 1 zusätzliche Kühlkanäle aufweisen, durch welche das Wasser strömt.
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Im Vergleich zum Stator 5 ist hier die Hohlwelle 6 deutlich länger ausgebildet, überragt den Stator 5 beidseitig und dient gleichzeitig als Führung und Lagerung des Rotors 4. Hierbei befindet sich eine Lagerung 8 der Hohlwelle 6 dem Filter 3 nachfolgend angeordnet in der Zeichnung in Richtung zum Zufluss 2. In Richtung eines Ablaufes 19 ist eine radiale Dichtung 9 zwischen Hohlwelle 6 und Gehäuse 1 vorgesehen. Der Stator 5 ist fest mit dem Gehäuse 1 verbunden und wird mittels zweier Halterungen 10, von denen jeweils eine auf einer Seite des Stators 5 angeordnet ist, axial positioniert. Zudem besitzt der Stator 5 vier radial nach innen weisende Vorsprünge 11 (siehe 3 und 4), um welche jeweils eine Spule 12 gewickelt ist.
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Mit der Hohlwelle 6 drehfest und axial fest verbunden ist ein erstes Ventilelement 13, welche vorzugsweise als Ventilscheibe oder Teil einer Ventilscheibe ausgeführt ist und aus Keramik besteht. Des Weiteren sind auch Ventilelemente, insbesondere Ventilscheiben aus Stahl, Kunststoff oder einer beliebigen Kombination der genannten Materialien möglich.
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Bei der Variante nach 1 ist das erste Ventilelement 13, hier in Form einer Ventilscheibe 13, an der Hohlwelle 6 in Richtung zum Ablauf 19 angeordnet. Bei der Variante nach 2 befindet sich die erste Ventilscheibe 13 in Richtung zum Zufluss 2 oberhalb des Rotors 4 an der Hohlwelle 6 und ist mit der Hohlwelle 6 über eine Buchse 13.1 verbunden.
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Das erste Ventilelement 13, hier die erste Ventilscheibe, steht in Verbindung mit einem zweiten Ventilelement 14, hier einer zweiten Ventilscheibe 14, welche drehfest im Gehäuse 1 angeordnet ist.
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Bei Variante 1 nach 1 sitzt die zweite Ventilscheibe 14 in Richtung zum Ablauf 19 unterhalb der ersten Ventilscheibe 13 und bei Variante 2 nach 2 in Richtung zum Zufluss 2 oberhalb der ersten Ventilscheibe 13.
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Um ein Überdrehen der ersten Ventilscheibe 13 zu vermeiden und somit eine 100%ige Dichtheit zu gewährleisten wird der Drehwinkel des Rotors 4 mittels zweier Endanschläge 15 begrenzt, die zwischen Rotor 4 und Gehäuse 1 angeordnet sind und gewährleisten, dass der Rotor 4 maximal eine Drehbewegung von kleiner-gleich 90°, bevorzugt maximal 45° bei Betätigung des Reluktanzmotors M ausführen kann.
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Eine Rückstellfeder 16 wird dabei an Gehäuse 1 und Hohlwelle 6 des Rotors 4 in dafür vorgesehenen Bohrungen 17 (nur teilweise in 1 dargestellt) abgestützt. In axialer Richtung folgt auf die zweite Ventilscheibe 14 ein elastisches Dichtelement 18 (bei Variante 1 (1) in Richtung zum Ablauf 19, bei Variante 2 (2) in Richtung zum Zufluss 2. Dem Zufluss 2 gegenüberliegend angeordnet ist bei beiden Varianten der Ablauf 19 ausgebildet. Für eine optimale Dichtigkeit werden die Fluid führenden Elemente, bestehend aus Filter 3, Hohlwelle 6, erster und zweiter Ventilscheibe 13, 14 mittels des elastischen axialen Dichtelements 18 in axialer Richtung vorgespannt.
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In der 1 besteht das Gehäuse 1 aus einem im Wesentlichen zylindrischen Hohlkörper 1.1, an den in Richtung zum Zulauf ein erster Deckel 1.2 und in Richtung zum Ablauf ein zweiter Deckel 1.3 mittels nicht bezeichneter Verbindungselemente angeschraubt sind.
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3 zeigt einen Schnitt in Höhe A-A gemäß 2. Der Stator 5 ist in Form eines Oktagons ausgestaltet, wobei an vier Seiten Vorsprünge 11 mit darum gewickelten Spulen 12 ausgebildet sind. In offenem Zustand (hier links dargestellt), d.h. bei Anlegen einer Spannung, liegen sich die Vorsprünge 11 des Stators 5 und korrespondierende Vorsprünge des Rotors 4 gegenüber. Bei Abfallen der Spannung wird der Rotor 4 in einem Winkel bis 45° gedreht und das Ventil verschlossen. Die zugehörige Drehbewegung der Ventilscheiben 13, 14 ist in 4 dargestellt. Aufgrund von Durchlässen 13.1, 14.1 in den Ventilscheiben 13 bzw. 14 wird bei einer Stellung von 45° zueinander der Durchfluss freigegeben (offene Position – hier links dargestellt), da die Durchlässe 13.1, 14.1 sich dann überlappen.
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Liegt aufgrund von Nichtbetätigung oder Spannungsabfall keine Spannung an dem Stellmotor an, wird mittels der vorgespannten Rückstellfeder 16 der Rotor 4 und damit die an dem Rotor 4 montierte erste Ventilscheibe 13 in die geschlossene Anfangsposition zurückgeführt. Des Weiteren ist eine Rückdrehung des Stellmotors mittels Umpolung desselbigen möglich.
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Eine weitere Darstellung eines Ventils wird in 5 gezeigt. Der verwendete Torquemotor ist als Außenläufer ausgeführt. Der Stator 5 wird von dem Fluid durchströmt, wohingegen der Rotor 4 zwischen Stator 5 und Gehäuse 1 positioniert ist. Der Durchfluss wird mittels zweier Ventilscheiben 13, 14 geregelt, wobei die zweite Ventilscheibe 14 als feststehende Scheibe mit Durchlässen ausgeführt ist. Der Drehwinkel der Ventilscheiben 13, 14 untereinander wird mittels eines Anschlags 15 des Rotors umgesetzt. Dabei wird ein Überdrehen der Ventilscheibe 13 vermieden. Das Gehäuse 1 ist hier für eine bessere Übersichtlichkeit einteilig dargestellt. Um die Montage des Rotors 4, des Stators 5, der Ventilscheiben 13, 14 usw. in das Gehäuse 1 zu gewährleisten muss dieses jedoch mehrteilig ausgeführt sein.
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Durch die Verwendung eines Reluktanzmotors, der lediglich in einem kleinen Drehwinkelbereich arbeitet, wird bei Betätigung ein großes Anzugsmoment und damit Drehmoment bereitgestellt, welches es gewährleistet, dass die unter Vorspannung aneinanderliegenden Ventilscheiben 13, 14 relativ zueinander verdrehbar sind. Die Drehbewegung kommt dadurch zustande, dass das System nach minimalem magnetischem Widerstand (Reluktanz) strebt. Im Reluktanzmotor bilden immer zwei Pole des Stators und zwei Pole des Rotors so einen „Ring“, indem sich der Rotor so stellt, dass die Reluktanz möglichst gering wird (also parallel zu den Feldlinien). Der Rotor dreht sich nun, bis die Vektoren in die gleiche Richtung zeigen. Indem die Statorpole zeitlich versetzt magnetisiert werden, wirkt die Kraft immer in eine andere Richtung, und es kommt zu einer Rotation, hier durch entsprechende Anschläge nur über einen geringen begrenzten Drehwinkel erzeugt wird. Durch den einfachen Aufbau des Rotors ohne Spulen oder spezielle Werkstoffe (es werden keine Dauermagnete und keine Materialien wie Seltene Erden benötigt) kann der Rotor robust ausgeführt werden und es ergibt sich eine kostengünstige Antriebsart. Durch die schlanke Bauform des Ventils ist es möglich, dieses direkt in einen flüssigkeitsführenden Schlauch, insbesondere Wasser-Anschlussschlauch, eines Haushaltgerätes, beispielsweise einer Waschmaschine oder eines Geschirrspülers, oder in eine Druckwasser-Anschlussarmatur zu integrieren. Auch bei sanitären Anwendung ist dass Ventil aufgrund seiner schlanken Bauform vorteilhaft einsetzbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 1.1
- Zylindrischer Hohlkörper
- 1.2
- Deckel
- 1.3
- Deckel
- 2
- Zulauf
- 3
- Filter
- 4
- Rotor
- 5
- Stator
- 6
- Hohlwelle
- 7
- Eisenkern
- 8
- Lagerung
- 9
- Radiale Dichtung
- 10
- Halterung
- 11
- Vorsprung
- 12
- Spule
- 13
- erstes Ventilelement
- 13.1
- Durchlass des ersten Ventilelements
- 13’
- Buchse
- 14
- zweites Ventilelement
- 14.1
- Durchlass des zweiten Ventilelements
- 15
- Endanschlag
- 16
- Rückstellfeder
- 17
- Bohrung
- 18
- Elastisches Dichtelement
- 19
- Ablauf
- 20
- Durchflussregler
- A
- Längsachse
