-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Antriebseinheit zur translatorischen Betätigung eines Schaltventils für Heizgeräte mit einem elektrischen Motor, einem Getriebe, welches die Drehbewegung des Motors in eine Hubbewegung für einen Ventilstellschaft umsetzt, und mit einer elektrischen Abschaltung des Motors in den Ventilendlagen.
-
Ein motorisch betätigtes Schaltventil wird üblicherweise über zwei elektrische Anschlüsse umgeschaltet, mit einem Anschluss wird das Ventil in die eine Endstellung gefahren und mit dem anderen Anschluss in die andere Endstellung. Als rotierende elektrische Antriebe haben sich Synchronmotoren ob ihrer einfachen Ansteuerung, ihrer Motorkennlinie und ihrer preisgünstigen Verfügbarkeit bewährt.
-
Aus der
DE 42 30 341 A1 ersichtlich erfolgt eine Umschaltung eines nachrüstbaren elektromotorischen Antriebs für einen Kugelhahn mit einer Nockenscheibe und zwei Mikrotastern.
-
Aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 297 13 968 U1 ist eine elektromotorische Stellvorrichtung für ein längsverschiebliches Abtriebsorgan eines Fluidventils bekannt, bei der im Gehäuse ein erster und ein zweiter elektrischer Schalter angebracht sind, die mit dem Motor wechselweise über eine äußere Schalteinrichtung verbunden sind und jeweils bewegliche Kontaktorgane enthalten, die mit radialen Nockenprofilen eines drehbaren Antriebsorgans derart zusammenwirken, dass, wenn die äußere Schalteinrichtung einen ersten Schaltzustand annimmt, der Motor dann in Gang gesetzt wird, wenn sich das längsverschiebliche Abtriebsorgan in der ersten Stellung befindet, und der Motor abgeschaltet wird, wenn das Abtriebsorgan die zweite Stellung erreicht hat und umgekehrt.
-
Eine Weiterentwicklung hierzu offenbart die
WO 2008/117251 A1 , welche sich dadurch auszeichnet, dass die beiden separaten Kontakteinrichtungen durch ein einziges kontaktwippenartiges Schaltelement ersetzt ist, welches nockengesteuert wechselweise gegen zwei gegeneinander isolierte Festkontakte arbeitet.
-
Die bekannten kontaktgesteuerten motorischen Stellvorrichtungen erlauben nur ein Umschalten auf die eine oder andere Endstellung; das Ventil ist entweder AUF oder ZU oder, wie im Falle eines 3/2-Wege-Ventils, ein Durchflussweg ist AUF, der andere Durchflussweg ist ZU. Letzteres bedeutet für 3/2-Wege-Ventile in Heizanlagen, dass der Brenner der Heizanlage entweder gerade Brauchwasser erhitzt oder gerade Heizungswasser beheizt, nie also beides gleichzeitig. Es hat sich jedoch für die kühleren Jahreszeiten als wünschenswert erwiesen, wenn im Falle einer länger währenden Brauchwasserentnahme, wie zum Duschen oder Baden mehrerer Personen unmittelbar nacheinander, auch der Heizungskreislauf in dieser Zeit befeuert würde, um ein behagliches Raumklima zu erhalten. Das bedeutet, dass das Heizgeräteventil, vorzugsweise ohne größere Installationsarbeiten an der Heizanlage, ertüchtigt werden muss, beiden Fluidströmen, Heizungswasser und Brauchwasser, zeitgleich ein Durchströmen zu ermöglichen.
-
Es sind zwar Ventile bekannt, deren motorischer Antrieb mittels Schrittmotoren erfolgt, wobei prinzipiell jede Zwischenstellung eines Ventils ansteuerbar ist, jedoch erfordern Schrittmotoren eine wesentlich komplexere Ansteuerung und eine geregelte Spannungsversorgung. Synchronmotoren in Motorventilen hingegen arbeiten direkt am 230V Netz und zum Ansteuern genügt ein einfaches Relais. Allerdings können sie derzeit nur in den zwei Endpositionen eines Ventils automatisch abgeschaltet werden.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Stelleinheit zur Betätigung eines Schaltventils für Heizgeräte zu schaffen, wobei ein elektrischer Antrieb unter Verwendung eines Synchronmotors mit einem nach geschalteten Getriebe bevorzugt werden soll, und welcher neben den beiden Endstellungen für ein translatorisch bewegten Dichtkörper auch mindestens eine definierte Zwischenstellung des Dichtkörpers ermöglicht, um z. B. Heizung und Warmwasser im Haushalt gleichzeitig zu erwärmen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten und 4. Anspruchs gelöst. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der rückbezüglichen Ansprüche.
-
Mit der erfindungsgemäßen Lösung können auch mit einem AUF/ZU Antrieb definierte Zwischenstellungen angefahren werden, wie eine definierte Mittelstellung zwischen den beiden Endstellungen. Damit kann in einem Ventil das Wasser sowohl in den Wärmetauscher für gezapftes Brauchwasser als auch in den Heizkörperkreis fließen. Hierdurch wird ein Haus geheizt, auch wenn für längere Zeit ein Warmwasserbedarf anliegt. Dies lässt sich sogar mit der heute üblichen Steckerbelegung und Ansteuerschaltung über einen bereits vorhandenen Schalter ermöglichen; lediglich die Ansteuersequenz ist zu ändern.
-
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und mehreren Ausgestaltungsvarianten näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:
-
1: eine stark schematisierte Darstellung einer kombinierten Anlage zur Warmwasserversorgung mit einem erfindungsgemäßen Ventil:
a) im Vorlauf der Anlage und
b) im Rücklauf der Anlage
-
2 eine Ansicht einer geöffneten Antriebseinheit für ein 3-Wege-Schaltventil
-
3 einen Schnitt durch die Antriebseinheit
-
4 eine Kurbelscheibe mit einer Schaltnocken tragenden Schaltkulisse
-
5 eine Ansicht der Antriebseinheit mit ihren elektrischen Anschlüssen
-
6 eine erste Ausführungsvariante zum Schalten des Antriebsmotors
-
7 eine zweite Ausführungsvariante zum Schalten des Antriebsmotors
-
8 eine dritte Ausführungsvariante zum Schalten des Antriebsmotors
-
9 eine vierte Ausführungsvariante zum Schalten des Antriebsmotors
-
10 eine fünfte Ausführungsvariante zum Schalten des Antriebsmotors
-
11 eine sechste Ausführungsvariante zum Schalten des Antriebsmotors.
-
1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung eine Heizanlage zur Versorgung eines Haushalts mit Brauchwasser und Heizwasser.
-
Gemäß 1a) ist ein 3-Wege-Ventil im Vorlauf der Anlage angeordnet, also am Auslass der Heizzelle, die beispielsweise ein Gas- oder Ölbrenner ist. Mit dem Ventil kann das im Brenner erhitzte Warmwasser im Vorlauf über einen ersten Strömungsweg CH durch das zentrale Heizsystem mit seinen Heizkörpern und zurück zum Rücklauf der Heizzelle gepumpt werden oder das Ventil ist umgeschaltet und das Warmwasser zirkuliert über den zweiten Durchflussweg DHW durch den Wärmetauscher für das Brauchwasser und über die Pumpe zurück zum Rücklauf der Heizzelle.
-
In 1b) ist das 3-Wege-Ventil im Rücklauf der Anlage angeordnet. Das Ventil schaltet wiederum entweder das Warmwasser als Heizwasser über das zentrale Heizsystem mit seinen Heizkörpern und die Pumpe zurück zum Rücklauf der Heizzelle oder das Warmwasser über den Wärmetauscher für das Brauchwasser und die Pumpe zurück zum Rücklauf der Heizzelle.
-
Nach dem Stand der Technik erlaubt das Ventil für beide Beschaltungsfälle lediglich ein Umschalten von einem Heizwasser- auf einen Brauchwasserbetrieb. Mit der offenbarten Erfindung wird hingegen für beide Beschaltungsfälle die Möglichkeit geschaffen, dass das Ventil einen Heizwasser- und einen Brauchwasserbetrieb zu ein und derselben Zeit erlaubt, indem zusätzlich zu den beiden Endstellungen des Ventils das Ventil eine feste Zwischenstellung einnehmen kann, in der gleichzeitig sowohl Heizwasser als auch Brauchwasser erwärmt wird. Der gewünschte Betrieb lässt sich softwaremäßig mittels einer übergeordneten Instanz steuern. Mit einer gleichzeitigen Zirkulation des Warmwassers durch beide Fluidkreise steigt der Wohnkomfort.
-
2 zeigt den Innenaufbau einer Antriebseinheit 1 mit einem Drehschubgetriebe, hier als Schubkurbelgetriebe mit einem zwischengeschalteten Stirnradgetriebe 7 ausgeführt, welches über die Welle des Motors 3 angetrieben wird. Das gesamte Getriebe ist auf einer Hauptplatine 6 befestigt, deren Fuß so ausgebildet ist, dass er über eine Art Bajonettverschluss am eigentlichen Umschaltventil in einfacher Art und Weise angekoppelt werden kann. Gleichzeitig übernimmt die Hauptplatine 6 eine Gehäusefunktion. Auf einer von der Hauptplatine 6 getragenen Verdrahtungsplatine 12 sitzt mindestens ein elektrisches Schaltelement 14, welches über einen Schalthebel 11 geschaltet werden kann. Der Schalthebel 11 seinerseits ist auf der Hauptplatine 6 gelagert. Die Kurbelscheibe 15 des Schubkurbelgetriebes, die vom Stirnradgetriebe 7 angetrieben wird, trägt auf ihrer Unterseite eine Schaltkulisse 9. Über die Schaltkulisse 9 wird bei Rotation der Kurbelscheibe 15 um ihre Achse das Schaltelement 14 über den Schalthebel 11 betätigt. Die Kurbelscheibe 15 beaufschlagt bei Rotation außerdem eine Kurbelschwinge 16 des Schubkurbelgetriebes in nachstehend noch näher auszuführender Weise.
-
In 3 ist eine Ansicht der Antriebseinheit 1 und der Ventilkartusche 2 unter Fortlassen des Ventilgehäuses zeichnerisch dargestellt. Das Getriebe der Antriebseinheit 1 wird vom hier nicht sichtbaren Motor 3 angetrieben. Der Motor 3 treibt über das Stirnradgetriebe 7 die Kurbelscheibe 15, welche auf der Unterseite die Schaltkulisse 9 mit den Schaltnocken trägt. Letztere betätigen über den Schalthebel 11 das elektrische Schaltelement 14, hier ein Mikroschalter. Im Inneren der Kurbelscheibe 15 ist ein Federelement 17 gelagert. Dieses Federelement 17 stützt sich auf einer Seite in der Kurbelscheibe 15 in einem Festpunkt ab. Am anderen Ende des Federelements 17 ist ein Lagerzapfen 18 radial beweglich in der Kurbelscheibe 15 geführt, auf dem die Kurbelschwinge 16 gelagert ist, welche mittels eines Pleuellagers mit einem Ventilschaft verbunden ist, an dessen Ende ein Dichtkörper 8 sitzt. Durch diesen Aufbau wird es möglich, dass durch die kontinuierlich Drehbewegung der Motorwelle, und damit der Kurbelscheibe 15, auf den Ventilschaft 4 und den Dichtkörper 8 mittels der federbelasteten Lagerung und Führung der Kurbelschwinge 16 nicht nur eine bidirektionale translatorische Bewegung, sondern auch eine nichtlineare Weg-Zeit-Bewegung und/oder ein nichtlineares Weg-Kraft-Verhalten ausgeübt wird. Nach dem Abschalten des Motors 3 wird folglich immer auf den Dichtkörper 8 eine bestimmte Schließkraft wirken, die eine zuverlässige Dichtheit des Ventils in seiner inneren Position oder äußeren Position gewährleistet.
-
In 4 ist die Kurbelscheibe 15 mit ihrer Schaltkulisse 9 als Einzelteil herausgezeichnet. Die Kurbelscheibe 15 trägt am Umfang einen Zahnkranz, der vom Stirnradgetriebe 7 gekämmt wird. Auf ihrer Unterseite und/oder Oberseite befindet sich die kreisbogenartig geformte Schaltkulisse 9 mit ihren Schaltnocken. Auf der Unterseite ist die zentrale Drehachse 19 angeformt.
-
Die 5 zeigt die in ein Gehäuse 5 eingehauste Antriebseinheit 1 und die Ventilkartusche 2. Das Gehäuse 5 hat einen Durchbruch für einen auf die elektrischen Anschlüsse 13 aufzusteckenden Stecker. Die Anschlüsse 13 sind intern mit Verdrahtungen und Verschaltungen des Motors 3 mit dem oder den elektrischen Schaltelementen 14 und ggf. Elektronikelementen verbunden. Der Stecker führt zu einer elektronischen Steuerung als übergeordnete Instanz für das Heizungsmanagement im Heizgerät.
-
In den 6 bis 11 sind verschiede Ausführungsvarianten offenbart, die es erfindungsgemäß ermöglichen, dass das Schaltventil nicht nur von einer inneren in eine äußere Endstellung umschalten kann und umgekehrt, sondern auch eine definierte Ventilzwischenstellung einnehmen kann. Das Herzstück hierzu bilden eine entsprechend gestaltete und von der Kurbelscheibe 15 mit gedrehte Schaltkulisse 9 mitsamt einer geometrischen Anordnung und Ausstattung der von der Schaltkulisse 9 betätigten elektrischen Schaltelemente 14 bezüglich ihrer Winkellage zur Schaltkulisse 9 sowie eine externe Steuerelektrik/-elektronik.
-
In allen Beispielen trägt die Kurbelscheibe 15 eines Drehschubgetriebes direkt die Schaltkulisse 9 zum Schalten des Motors 3 mit ihren entsprechenden Schaltnocken. Die Schaltnocken können aber ebenso von separaten Schalträdern getragen werden, die auf der Achse der Kurbelscheibe 15 mit dieser gleich drehend umlaufen. Es sei betont, dass es im Ermessen eines Fachmanns liegt, auch ein anderes Getriebe zu wählen oder ein auf einer eigenen Achse drehendes Schaltrad, welches vom Getriebe angetrieben wird, ohne den Erfindungsbereich zu verlassen.
-
Dargestellt sind je Ausführungsvariante jeweils ein Stromlaufplan zur Bestromung des Motors 3 für die Antriebseinheit 1, welche mit der Kurbelscheibe 15 zugleich die angeformte Schaltkulisse(n) 9 dreht. Die Schaltnocken der Schaltkulisse(n) 9, die auf der Ober- und/oder Unterseite der Kurbelscheibe 15 angeformt sind, betätigen je nach Ausstattung der speziellen Ausführungsvariante ein oder mehrere elektrische Schaltelemente 14. Ein dazugehöriges Spannungsdiagramm zeigt die elektrische Beschaltung der Anschlüsse über einen 360°-Umlauf der Kurbelscheibe 15 und damit der Schaltkulisse(n) 9 in der durch jeweils einen Pfeil angegebenen Drehrichtung. Über die Kurbelschwinge 16 wird der Ventilschaft 4 mit seinem endseitig befestigten Dichtkörper 8 betätigt. Ein 360°-Umlauf der Kurbelscheibe 15 entspricht einem vollen Vor- und Rückhub des Ventilschaftes 4 in seine beiden Endstellungen. Die Schaltnocken der Schaltkulisse 9 schalten jeweils den Motor 3 in beiden Endstellungen des Ventils sowie erfindungsgemäß in dessen Mittelstellung ab.
-
Eine erste Ausführungsvariante nach 6 hat einen dreipoligen Anschluss 1, 2 und N, eine Schaltkulisse 9 in einer Ebene der Kurbelscheibe 15 und einen Umschalter S, über dessen Anschlüsse 1, 2 der Motor M bestromt werden kann. Der Umschalter S wird von den Schaltnocken der Schaltkulisse 9 während des Drehens der Kurbelscheibe 15 betätigt, welche vom Motor 3 über ein Reduktionsgetriebe 7 angetrieben wird. Wird Spannung an den Anschluss 1 des Umschalters S gelegt, dreht sich die Kurbelscheibe 15 mit ihrer Schaltkulisse 9 in Pfeilrichtung. Der Schalter S öffnet nach einer 90°-Drehung der Kurbelscheibe 15 infolge des Anfahrens an einen sehr kurzen Schaltnocken und schaltet auf den Anschluss 2 um. Das ist die Ventilmittelstellung. Zum Weiterfahren aus dem Stillstand wird ein kurzer Spannungsimpuls aus einer übergeordneten Instanz der Heizungsanlage an den Anschluss 2 gelegt. Die Kurbelscheibe 15 und damit die Schaltkulisse 9 werden bis auf 180° gedreht und stoppt dann automatisch infolge des Anfahrens des Umschalters S an einem langen Schaltnocken, welcher sich über einen 180°-Kreisbogen erstreckt. Für die Weiterfahrt von 180° bis 360° muss deshalb Spannung von Anschluss 1 an den Anschluss 2 umgelegt werden. In der Mittelstellung, also bei 270°, bleibt allerdings die Kurbelscheibe 15 wiederum stehen, weil an dieser Stelle der lange Schaltnocken eine Kerbe aufweist, bei der der Umschalter S vom Anschluss 2 auf den Anschluss 1 umschaltet. Erst mit einem kurzen Schaltimpuls über den Anschluss 1 dreht die Kurbelscheibe 15 weiter. Das untere Spannungs-Kurbelscheiben-Umlauf-Diagramm zeigt nochmals, an welchem Anschluss 1, 2 in welchen Winkelpositionen der Kurbelscheibe 15 die Betriebsspannung anliegt. Es zeigt das Schaltverhalten über eine volle Kurbelscheibenumdrehung.
-
Eine zweite Ausführungsvariante nach 7 hat ebenfalls einen dreipoligen Anschluss 1, 2, N, eine Schaltkulisse 9 in einer Ebene und einen Umschalter S, über dessen Anschlüsse 1, 2 der Motor 3 bestromt werden kann. Speziell trägt die Schaltkulisse 9 zwei gegenüberliegende Schaltnocken in einer Erstreckung von je einem 90°-Kreisbogen. Gemäß der Darstellung dreht sich die Kurbelscheibe 15, sobald Spannung am Anschluss 1 des Schalters S angelegt wird. Nach einer 90°-Drehung der Kurbelscheibe 15 wechselt der Umschalter S vom Anschluss 1 auf den Anschluss 2. Die Kurbelscheibe 15 stoppt automatisch. Das Schaltsystem wechselt aller 90° die Belegung. Das untenstehende Diagramm zeigt nochmals das Schaltverhalten über eine volle Kurbelscheibenumdrehung.
-
Eine dritte Ausführungsvariante nach 8 unterscheidet sich von den beiden vorhergehenden durch einen 4-poligen Anschluss, eine Kurbelscheibe 15 mit zwei Schaltkulissen 9 in zwei Ebenen und einen zusätzlichen EIN-AUS-Schalter S2 zu dem Umschalter S1. In der ersten Ebene 1 trägt die Kurbelscheibe einen langen Schaltnocken, der sich über einen 180°-Kreisbogen erstreckt, und in der zweiten Ebene 2 einen Schaltnocken über den gesamten Kreisumfang der Schaltkulisse 9, der gegenüberliegend jeweils eine Kerbe aufweist, wodurch der lange Schaltnocken sich in zwei Hälften aufteilt, die 90°versetzt zu dem Schaltnocken der ersten Ebene 1 liegen. Die Ebene 1 stoppt die Drehbewegung der Kurbelscheibe 15 bei 180° und 360°, also in der inneren und der äußeren Position des Dichtkörpers 8. Mit Ebene 2 wird in den Stellungen 90° und 270° der Stromkreis mit dem Schalter S2 unterbrochen. Wird ein kurzer Schaltimpuls an den zusätzlichen Anschluss 3 angelegt, fährt die Kurbelscheibe 15 aus der Mittelstellung heraus weiter. Das Diagramm zeigt das Schaltverhalten nochmals über eine volle Kurbelscheibenumdrehung.
-
Eine vierte Ausführungsvariante nach 9 unterscheidet sich von der dritten Variante nur dadurch, dass die Kurbelscheibe 15 in der Ebene 2 einen Umschalter S2 in einer Schaltstellung mit dem Anschluss 1 oder Anschluss 2 verbindet und in der anderen Schaltstellung mit dem Anschluss 3. Hierdurch wird die Kurbelscheibe 15 automatisch in der Mittelposition gestoppt. Wird dauerhaft Spannung an den Anschluss 3 angelegt, kann die Mittelstellung ausgeschaltet werden. Das Ventil läuft von einer Endstellung in die andere durch. Das Diagramm zeigt das Schaltverhalten nochmals über eine volle Kurbelscheibenumdrehung.
-
Eine fünfte Ausführungsvariante gemäß 10 hat einen vierpoligen Anschluss 1, 2, 3, N, eine Schaltkulisse 9 in einer Ebene und vier Öffner-Schaltelemente S1–S4. Die Schaltkulisse 9 der Kurbelscheibe 15 hat lediglich einen kurzen Schaltnocken. Ein erster Schalter S1 schaltet den Motor 3 an den Anschluss 1, ein zweiter Schalter S2 schaltet den Motor 3 an den Anschluss 2, ein dritter Schalter S3 und ein vierter Schalter S4 liegen in Reihe und schalten den Motor 3 an den Anschluss 3. Alle Schalter sind zu 90° bezüglich der Kurbelscheibe 15 versetzt angeordnet. Wird Spannung an den Anschluss 1 angelegt, schaltet der Motor bei 360° ab. Wenn Spannung an den Anschluss 2 angelegt wird, dreht der Motor 3 bis zur 180°-Stellung. Die Mittelstellung (90°; 270°) wird durch ein Anlegen der Spannung an Anschluss 3 erzielt. Das Diagramm zeigt das Schaltverhalten nochmals über eine volle Kurbelscheibenumdrehung. Eine sechste Ausführungsvariante schließlich zeigt gemäß 11 einen vierpoligen Anschluss 1, 2, 3, 4, eine Schaltkulisse 9 in einer Ebene der Kurbelscheibe 15 und zwei Umschalter S1, S2. Ein Umschalter S1 schaltet den Motor 3 vom Anschluss 1 auf den Anschluss 2 um und der andere Umschalter S2 vom Anschluss 3 auf den Anschluss 4. Die beiden Umschalter S1, S2 liegen 90° versetzt zu der Kurbelscheibe 15. Die Kurbelscheibe 15 trägt einen durchgehenden 180°-Nocken. Durch eine Kombination der Anschlussbelegung: entweder Anschluss 1 oder Anschluss 2 auf Spannung und entweder Anschluss 3 oder Anschluss 4 auf den Neutralleiter werden die Positionen: beide Endstellungen und die Mittelstellung der Kurbelscheibe 15 abgebildet. Das Diagramm zeigt das Schaltverhalten nochmals über eine volle Kurbelscheibenumdrehung.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Kartusche
- 3
- Motor des Antriebs
- 4
- Ventilschaft
- 5
- Gehäuse
- 6
- Hauptplatine
- 7
- Stirnradgetriebe
- 8
- Dichtkörper
- 9
- Schaltkulisse mit angeformten Schaltnocken
- 10
- Drehschubgetriebe
- 11
- Schalthebel
- 12
- Verdrahtungsplatine
- 13
- Stecker für elektrische Anschlüsse
- 14
- Schaltelement
- 15
- Kurbelscheibe
- 16
- Schwinge
- 17
- Federelement
- 18
- Lagerzapfen
- 19
- Drehachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 4230341 A1 [0003]
- DE 29713968 U1 [0004]
- WO 2008/117251 A1 [0005]
