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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrwegeventil zur Regelung eines Fluidstroms.
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Derartige Mehrwegeventile finden in vielen Bereichen Anwendung. Sie sind u.a. dort erforderlich, wo es gilt, Fluidmasseströme bedarfsgerecht zu verteilen. Sie gelangen beispielsweise in Heizsystemen von Gebäuden oder der Verfahrenstechnik zum Einsatz.
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Zwar gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Bauarten von Mehrwegeventilen. Herkömmliche Ventile der eingangs genannten Art sind jedoch vergleichsweise aufwändige Bauteile, die auch oftmals einen relativ großen Bauraumbedarf haben.
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Es besteht daher nach wie vor ein Bedarf nach zuverlässigen Mehrwegeventilen, die konstruktiv einfach aufgebaut und daher günstig in der Herstellung sind und die dabei möglichst kompakt sind.
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Mit dem Mehrwegeventil gemäß Anspruch 1 wird ein solches Mehrwegeventil geschaffen.
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Erfindungsgemäß weist das Mehrwegeventil ein Ventilgehäuse auf, das einen zylinderförmigen Ventilraum mit zumindest einer ersten, einer zweiten und einer dritten Anschlussöffnung umfasst. Ferner ist ein in dem Ventilraum angeordneter und um eine Ventilachse verdrehbarer zylinderförmiger Ventilkörper vorgesehen, der von Fluid durchströmbar ist und der zumindest eine axiale und zumindest eine radiale Ventilöffnung aufweist. Die erste Anschlussöffnung steht mit der axialen Ventilöffnung in Verbindung. Die zweite und die dritte Anschlussöffnung sind in Abhängigkeit von einer Winkelstellung des Ventilkörpers mit der radialen Ventilöffnung in Verbindung bringbar.
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Mit anderen Worten ist der Ventilkörper, der eine selektive Sperrung oder Freigabe der Anschlussöffnungen ermöglicht, ein einfaches Bauteil, das beispielsweise hülsenförmig ausgebildet ist. Die selektive Sperrung bzw. Freigabe der Anschlussöffnungen wird durch die in dem Ventilkörper vorgesehene Ventilöffnung bewirkt. Sie ist derart angeordnet und/oder ausgestaltet, dass durch eine Verdrehung des Ventilkörpers relativ zu dem Ventilgehäuse ein Fluidstrom eine (teilweise) Freigabe oder Sperrung der Anschlussöffnungen erreicht werden kann, um das Fluid bedarfsgerecht durch die jeweils gewünschten Anschlussöffnungen strömen zu lassen oder das Ventil vollkommen zu sperren. Bei einer Freigabe des Ventils strömt das Fluid durch den Ventilkörper.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Ventilkörper einen mit der axialen und der radialen Ventilöffnung in Verbindung stehenden Innenraum auf, der insbesondere zylinderförmig ist. Es können eine erste radiale Ventilöffnung und eine zweite radiale Ventilöffnung vorgesehen sein, die in Längsrichtung und/oder in Umfangsrichtung des Ventilkörpers versetzt angeordnet sind. Die erste radiale Ventilöffnung und die zweite radiale Ventilöffnung können sich in Umfangsrichtung des Ventilkörpers zumindest abschnittsweise überlappen.
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Grundsätzlich ist es möglich, die zumindest eine radiale Ventilöffnung so auszugestalten, dass sie zwei oder mehreren Anschlussöffnungen zugeordnet ist. In diesem Fall ist diese Ventilöffnung in der Lage, zwei oder mehrere Anschlussöffnungen frei zu geben (nacheinander und/oder gleichzeitig). Bevorzugt sind jedoch die Anzahl der Anschlussöffnungen und die Anzahl der Ventilöffnungen gleich. D.h. die Anzahl der radialen Ventilöffnungen ist um eins geringer als die Anzahl der Anschlussöffnungen, da in dem Ventilkörper noch eine axiale Ventilöffnung vorgesehen ist, der eine der Anschlussöffnungen zugeordnet ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, mehr Ventilöffnungen als Anschlussöffnungen vorzusehen.
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Gemäß einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung des Mehrwegeventils stehen die erste Anschlussöffnung und die axiale Ventilöffnung stets in Verbindung. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Ventilkörper in einer bestimmten Winkelstellung alle in radialer Richtung mit dem Ventilraum in Verbindung stehende Anschlussöffnungen sperrt, sodass das Mehrwegeventil keinen Fluidstrom mehr zulässt. Es ist aber auch möglich, die axiale Ventilöffnung so auszugestalten, dass in einer bestimmten Winkelstellung des Ventilkörpers eine (teilweise) Sperrung der ersten Anschlussöffnung vorliegt. Die der axialen Ventilöffnung zugeordnete Anschlussöffnung kann - muss aber nicht - ebenfalls in axialer Richtung des Ventils ausgerichtet sein.
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Die axiale Ventilöffnung kann im Wesentlichen einer der Stirnseiten des Ventilkörpers entsprechen.
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Gemäß einer konstruktiv einfachen und funktionell vorteilhaften Ausführungsform ist die zumindest eine radiale Ventilöffnung ein Langloch. Dessen Längsachse kann sich in Umfangsrichtung des Ventilkörpers erstrecken. Es ist jedoch grundsätzlich denkbar, beliebige Ventilöffnungsgeometrien vorzusehen. Dadurch - und durch die Anzahl und Anordnung der Ventilöffnungen - kann das Regelverhalten des Mehrwegeventils optimal an die jeweils vorliegenden Bedingungen angepasst werden.
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Um eine besonders kompakte Bauform des Mehrwegeventils zu erhalten, können - bis auf die mit der axialen Ventilöffnung in Verbindung stehenden Anschlussöffnungen - alle Anschlussöffnungen in einer Reihe angeordnet sein.
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Das Ventilgehäuse ist gemäß einer weiteren Ausführungsform zylindrisch oder hülsenförmig ausgebildet. Letztlich kann ein Rohrabschnitt als Grundlage für ein Ventilgehäuse verwendet werden. Dies gilt auch für den Ventilkörper.
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Das Ventilgehäuse kann einen lösbaren Deckel aufweisen, der den Ventilraum aufschließt. So ist es auf einfache Weise möglich, an das Innere des Ventils zu gelangen, beispielsweise um dieses zu warten. Außerdem kann der Ventilkörper schnell ausgetauscht werden, beispielsweise um dem Mehrwegeventil eine andere Fluidverteilungscharakteristik in Abhängigkeit der Stellung des Ventilkörpers zu verleihen.
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Insbesondere umfasst das Mehrwegeventil eine Motoreinrichtung, mit der der Ventilkörper selektiv drehbar ist. Unabhängig davon, ob der Ventilkörper motorisch oder manuell angetrieben wird, kann eine diskrete oder stufenlose Verdrehbarkeit des Ventilkörpers vorgesehen sein, um dem jeweiligen Anforderungsprofil Rechnung zu tragen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Energiesystem eines Gebäudes mit zumindest einer Energiequelle, mit zumindest einem Energiespeicher und mit zumindest einer Energiesenke. Die genannten Komponenten stehen über ein Energietransportfluid miteinander in Verbindung. Um die Energie zwischen den genannten Komponenten bedarfsgerecht zu verteilen, sind jeder Energiequelle und jeder Energiesenke zwei Mehrwegeventile gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zugeordnet.
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Bevorzugt ist der Energiespeicher ein Schichtspeicher. Bei einem solchen Energiespeicher stellt sich durch Konvektion eine Temperaturschichtung des Fluids - in der Regel Wasser - ein. D.h. in dem Speicher liegt das Fluid in verschiedenen Höhen in unterschiedlichen Temperaturen vor. Diese Temperaturschichtung ermöglicht es, Fluid mit der jeweils benötigten Temperatur zu entnehmen bzw. Fluid im richtigen Bereich „einzuschichten“. Beispielsweise wird für einen Fußbodenheizung eine geringere Vorlauftemperatur benötigt als für eine Radiatorenheizung. Das für die jeweilige Heizung benötigte Wasser wird unterschiedlichen Schichten das im Wärmespeicher entnommen, um die Effizienz des Gesamtsystems zu erhöhen, was in Zeiten stetig steigender Energiekosten von besonderer Bedeutung ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrwegeventils,
- 2 und 3 eine Seitenansicht bzw. eine Schnittzeichnung des in 1 gezeigten Mehrwegeventils,
- 4a bis 4f jeweils einen Ausschnitt des in den 1 bis 3 gezeigten Mehrwegeventils in verschiedenen Stellungen des Ventilkörpers und
- 5 ein Beispiel für ein Energiesystem, bei dem das erfindungsgemäße Mehrwegeventil zum Einsatz gelangt.
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1 zeigt ein Mehrwegeventil 10, das ein Ventilgehäuse 12 mit einem Ventilraum 16 umfasst. In dem Ventilraum 16 ist ein Ventilkörper 14 mit einem Innenraum 17 angeordnet. Sowohl das Ventilgehäuse 12 als auch der Ventilkörper 14 sowie die Räume 16, 17 besitzen jeweils eine zylindrische Grundform. Der Ventilkörper 14 ist in dem Ventilgehäuses 12 drehbar gelagert.
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Der Ventilraum 16 wird durch einen lösbar mit dem zylindrischen Teil des Ventilgehäuses 12 verbindbaren Deckel 18 abgeschlossen. Der Deckel 18 weist eine stutzenartige Anschlussöffnung 20 auf, durch die ein Fluid in axialer Richtung in das Ventil 10 einströmen bzw. aus diesem ausströmen kann. Durch eine axiale Öffnung 22 - sie bildet in der vorliegenden Ausführungsform im Wesentlichen die Stirnseite des hülsenförmigen Ventilkörpers 14 - steht der Innenraum 17 mit der Anschlussöffnung 20 in Verbindung. Auch das Ventilgehäuse 12 weist stutzenartige Anschlussöffnungen 20' auf, durch die dem Ventil 10 Fluid zugeführt bzw. von diesem abgeführt werden kann.
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Da der Ventilkörper 14 exakt an die Abmessungen des Ventilraums 16 angepasst ist, sperrt er die Anschlussöffnungen 20', wenn seine Mantelfläche diese verdeckt. Zur Verteilung eines Fluidstroms weist der Ventilkörper 14 jedoch Ventilöffnungen 22' auf. Die Ventilöffnungen 22' sind in Umfangsrichtung und Längsrichtung des Körpers 14 verteilt angeordnet. Jeder Anschlussöffnung 20' ist eine Ventilöffnung 22 zugeordnet. In bestimmten Winkelstellung des Ventilkörpers 14 relativ zu dem Ventilgehäuse 12 werden die Anschlussöffnungen 20' selektiv freigegeben, sodass Fluid durch die entsprechende Anschlussöffnung 20' und die zugeordnete Ventilöffnung 22' in den Innenraum 17 des Ventilkörpers 14 gelangt und durch die Öffnungen 22, 20 wieder aus dem Ventil 10 austreten kann. Dies gilt natürlich auch für eine umgekehrte Strömungsrichtung.
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An den dem Deckel 18 abgewandten Ende des Ventilgehäuses 12 ist eine Flanschplatte 24 vorgesehen, an der eine Motoreinrichtung 26 befestigt ist, die zur Einstellung der Winkelstellung des Ventilkörpers 14 dient. Es können diskrete Winkelstellungen vorgesehen sein. Eine stufenlose Einstellbarkeit der Winkelstellung des Ventilkörpers 14 ist ebenfalls realisierbar.
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Die antriebswirksame Kopplung zwischen dem motorischen Antrieb 26 und dem Ventilkörper 14 erfolgt über einen an dem Ventilkörper 14 vorgesehenen Vierkantstift 28, der in eine komplementär ausgebildete Stiftaufnahme 30 der Motoreinrichtung 26 eingreift.
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2 zeigt eine Seitenansicht des Mehrwegeventils 10. Es ist zu erkennen, dass die Anschlussöffnungen 20' in einer Reihe angeordnet sind, d.h. parallel zu einer Längsachse L des Ventils 10. Dies ermöglicht einen besonders platzsparenden Anschluss des Ventils 10 an entsprechende Leitungen.
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3 zeigt eine Schnittansicht des Mehrwegeventils 10 in einer Schnittebene A-A, deren Lage in 2 angedeutet ist. Die Ebene A-A enthält die Achse L.
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In dem dargestellten Zustand ist die oberste Ventilöffnung 22' in Deckung mit der obersten Anschlussöffnung 20', sodass Fluid durch die beiden Öffnungen 20', 22' in den Innenraum 17 strömen kann. Die anderen Anschlussöffnungen 20' sind durch den Mantel des Ventilkörpers 14 versperrt.
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3 zeigt, dass die Ventilöffnungen 22' im vorliegenden Beispiel Langlöcher sind, deren Längsachse sich in Umfangsrichtung erstreckt. Die Geometrie der Ventilöffnungen 22' kann beliebig an das jeweils vorliegende Anforderungsprofil angepasst werden. Sie können größer, kleiner oder genauso groß wie die Öffnungen 20' sein. Sie müssen auch nicht alle gleich geformt oder dimensioniert sein (dies gilt auch für die Anschlussöffnungen 20'). So ist es beispielsweise denkbar, die Geometrie der Ventilöffnungen 22' an deren umfangseitigen Enden anzupassen, um beispielsweise während des Prozesses des In-Deckung-Bringens der Ventilöffnung 22' und der entsprechenden Anschlussöffnung 20' eine bestimmte, Drehwinkel-abhängige Fluidstromcharakteristik zu erzeugen.
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Grundsätzlich ist auch denkbar, dass eine Ventilöffnung 22' mehreren Anschlussöffnungen 20' zugeordnet ist. Sie kann beispielsweise einen schrägen Verlauf zu der Längsachse L aufweisen.
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Letztlich können die Geometrie, die Anordnung und/oder die Anzahl der Ventilöffnungen 22' beliebig an die vorliegenden Anforderungen angepasst werden, um das gewünschte Regelverhalten des Mehrwegeventils 10 zu erhalten. Durch den lösbaren Deckel 18 und die einfache aber wirkungsvolle Kopplung des Ventilkörpers 14 mit der Motoreinrichtung 26 kann der Ventilkörper 14 bei Bedarf problemlos gewechselt werden.
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Die 4b bis 4d zeigen verschiedene Zwischenzustände zwischen den in den 4a und 4e bzw. 4f gezeigten „Schaltzustände“ des Mehrwegeventils 10. In 4a ist die obere Anschlussöffnung 20' durch die entsprechende Ventilöffnung 22' (schwarz) vollständig freigegeben (Öffnungszustand a). In 4b ist ein Zustand gezeigt, in dem der Ventilkörper 14 um 23° relativ zu dem Ventilgehäuse 14 nach links (von oben gesehen im Uhrzeigersinn) gedreht wurde. Die obere Anschlussöffnung 20' ist noch teilweise geöffnet (Öffnungszustand b) und auch die darunter liegende Anschlussöffnung 20' wird nun langsam freigegeben (Öffnungszustand c). 4c zeigt die Situation bei einem relativen Drehwinkel von 41,25°. Beide gezeigten Anschlussöffnungen 20' sind nun teilweise geöffnet (Öffnungszustand d). Bei einem Drehwinkel von 59,5° (4d) liegt die inverse Situation zu der 4b vor. Die untere Anschlussöffnung 20' ist fast ganz offen, während die obere Anschlussöffnung 20' kurz vor ihrer Sperrung steht. 4e zeigt die Situation bei einem Verdrehwinkel von 72°. Die untere Anschlussöffnung 20' ist nun erstmals vollständig freigegeben (Öffnungszustand a). Aufgrund der Ausgestaltung der entsprechenden Ventilöffnung 22' als Langloch bleibt die vollständige Öffnung auf bei einem relativen Verdrehwinkel von 82,5° erhalten, was in 4f gezeigt ist.
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Auch Zwischenzustände, wie sie vorstehend beispielhaft erläutert wurden, können bewusst gewählte „Schaltzustände“ sein, wenn nämlich ein Massenstrom durch beiden Öffnungen 20' zugelassen werden soll.
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5 zeigt ein Heizsystem 32 eines Gebäudes. Das Heizsystem umfasst einen Wärmespeicher 34, in dem Wasser in temperaturgeschichteter Form vorliegt. D.h. in einem oberen Bereich des Wärmespeichers 34 liegt das Wasser in einem deutlich höheren Temperaturniveau vor als in einem unteren Bereich des Wärmespeichers 34 (z.B. 60° bzw. 28° C). In dem Wärmespeicher 34 ist ferner ein Wärmetauscher angeordnet (nicht gezeigt), dem mittels einer Kaltwasserleitung 36A Wasser zugeführt werden kann. Das erwärmte Wasser wird dem Wärmetauscher durch die Warmwasserleitung 36B entnommen. Dem Wärmespeicher 34 kann auch Wasser von extern zugeführt werden (Leitung 36C, Pumpe 37).
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Dem Wärmespeicher 34 kann Wasser mittels Leitungen 38A bis 38D auf verschiedenen Temperaturniveaus (z.B. 60° C, 50° C, 35° C und 28° C) entnommen werden. Umgekehrt ist es natürlich auch möglich, dem Wärmespeicher 34 durch die Leitungen 38A bis 38D entsprechend warmes Wasser auf den jeweils geeignetem Temperaturniveau zuzuführen.
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Der Wärmespeicher 34 steht mit verschiedenen Energiequellen in Verbindung, nämlich in dem beschriebenen Beispiel mit einem Heizkessel 40 und mit einer Solaranlage 42. Energiesenken bilden beispielhaft ein Fußbodenheizkreis 44 sowie Heizkörper 46. Die genannten Komponenten 40, 42, 44, 46 sind über jeweils zwei Mehrwegeventile 10 mit den Leitungen 38A bis 38D verbunden. Durch geeignete Schaltstellungen der Ventile 10 können die einzelnen Komponenten 40 bis 44 dem Wärmespeicher 34 Wasser mit der geeigneten Temperatur bzw. entnehmen, um die Energieeffizienz des Gesamtsystems zu optimieren. Es ist aber auch durchaus möglich, in bestimmten Situationen die Energiequellen 40, 42 bedarfsgerecht mit den Energiesenken 44, 46 „kurzzuschließen“. Durch eine geeignete Ausgestaltung der Mehrwegeventile 10 ist eine Vielzahl von Verbindungsvarianten auf einfache Weise realisierbar, die die für die jeweilige Situation optimale Verteilung von Wasser in dem System 32 sicherstellt.
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Das vorliegend beispielhaft beschriebene System 32 kann beliebig erweitert/modifiziert werden. Mit steigender Anzahl von Energiequellen und Energiesenken steigt die Anzahl der benötigten Ventile 10. Herkömmliche Ventile werden daher schnell zu einem nicht unerheblichen Kostenpunkt. Das erfindungsgemäße Mehrwegeventil 10 bietet eine kostengünstige und doch zuverlässige Alternative, die zudem kompakt baut und die durch die einfache Wechselbarkeit des Ventilkörpers 14 an Änderungen des Anforderungsprofils flexibel anpassbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Mehrwegeventil
- 12
- Ventilgehäuse
- 14
- Ventilkörper
- 16
- Ventilraum
- 17
- Innenraum
- 18
- Deckel
- 20, 20'
- Anschlussöffnung
- 22,22'
- Ventilöffnung
- 24
- Flanschplatte
- 26
- Motoreinrichtung
- 28
- Vierkantstift
- 30
- Stiftaufnahme
- 32
- Heizsystem
- 34
- Wärmespeicher
- 36A, 36B, 36C
- Leitung
- 37
- Pumpe
- 38A, 38B, 38C, 38D
- Leitung
- 40
- Heizkessel
- 42
- Solaranlage
- 44
- Fußbodenheizkreis
- 46
- Heizkörper
- A-A
- Schnittebene
- L
- Längsachse
- a - d
- Öffnungszustand
