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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolben-Einheit zur Betätigung eines Spülventils, umfassend einen in einem Zylinder verschieblich gelagerten Kolben, dessen Kolbenstange mit einem Spülventil wirkverbunden ist, sowie wenigstens einem Fluidzulauf, welcher bei oder unterhalb einer unteren Anschlagsposition des Kolbens in den Zylinder mündet, sowie wenigstens einem Fluidablauf.
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Derartige Zylinder-Kolben-Einheiten sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt die
DE 10 2014 019 290 A1 eine Spülvorrichtung, bei welcher eine Auslösung des Spülvorgangs in einem Spülkasten durch den Zustrom von Leitungswasser erfolgen soll. Dabei wird das Leitungswasser aufgrund des Leitungsdrucks in den Zylinder eingebracht und unterspült dort den Kolben. Aufgrund des Wasserdrucks wird der Kolben gegen die Kraft einer Druckfeder angehoben. Weil die Kolbenstange mit dem Spülventil verbunden ist, wird dieses mit dem Anheben des Kolbens seinerseits aus dem Ventilsitz gehoben und der Spülvorgang kann ablaufen. Mit nachlassendem Wasserdruck im Zylinder senkt sich der Kolben wieder bis in eine untere Anschlagsposition zurück, in der das Spülventil ebenfalls geschlossen ist.
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Prinzipiell ähnliche Lösungen sind auch in der
EP 0 094 229 B1 und der
EP 1 749 941 A1 beschrieben, bei denen ebenfalls die Gegenkraft, gegen welche der Kolben angehoben wird, von einer Druckfeder aufgebracht wird.
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Eine solche Lösung bringt jedoch das Problem mit sich, dass die Federkonstante der Druckfeder so gewählt werden muss, dass sie eingangs des Spülvorgangs von dem Wasserdruck gespannt werden muss, ausgangs des Spülvorgangs aber wiederum stark genug sein muss, um den Kolben wieder in die Ausgangsposition zurückkehren zu lassen. Während des Spülvorgangs soll der Kolben in seiner ausgelenkten Position mehr oder minder verharren.
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Dies kann durchaus geleistet werden, jedoch wird der Fachmann dabei feststellen, dass er hierbei den anliegenden Wasserdruck berücksichtigen muss. Der Wasserdruck im Versorgungsnetz kann jedoch regional unterschiedlich stark sein, insbesondere in unterschiedlichen Ländern stark abweichen. Zwar decken auch die Lösungen mit Druckfedern einen gewissen Druckbereich ab, jedoch nicht den von der Norm geforderten Druckbereich. Dies führt dazu, dass die Lösungen in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Charakteristika aufweisen und nicht überall funktionieren, mit dem Effekt, dass für einen optimalen Betrieb zunächst geprüft werden muss, welche Druckfeder einzusetzen ist. Im Allgemeinen wird jedoch mit Schwimmern gearbeitet, was den Nachteil hat, dass diese einen erheblichen Bauraumbedarf im Spülkasten haben und die Spülmengenbestimmung sehr aufwändig wird.
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Einen etwas anderen Weg geht der Gegenstand der
EP 3 048 207 A1 , welcher einen hohlen Kolben vorsieht, der beim Einströmen von Wasser in den Zylinder leicht angehoben werden kann. Um den Spülvorgang zu beenden, wird der hohle Kolben dann seinerseits mit Wasser gefüllt, so dass er schwerer wird und wieder in seine ursprüngliche Position zurücksinkt.
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Eine solche Lösung erfordert jedoch einen hohen konstruktiven Aufwand, der eine zweite Wasserversorgung des Zylinders mit einer beweglichen Wasserversorgung des Kolbens mit einschließt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Zylinder-Kolben-Einheit zu schaffen, welche die Betätigung eines Spülventils konstruktiv einfach und kostengünstig, sowie gleichzeitig in einem deutlich größeren Druckbereich zuverlässig ermöglicht.
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Dies gelingt durch eine Zylinder-Kolben-Einheit gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere sinnvolle Ausgestaltungen einer solchen Zylinder-Kolben-Einheit können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Erfindungsgemäß ist ähnlich wie bei den vorbekannten Lösungen zunächst vorgesehen, dass der Spülvorgang über einen Kolben ausgelöst wird, der mit dem Spülventil verbunden ist. Der Kolben besitzt eine Kolbenstange, die mit dem Spülventil in Wirkverbindung steht und bei einem Anheben des Kolbens den Wasserstrom aus dem Spülkasten freigibt. Der Kolben ist längsverschieblich in einem Zylinder angeordnet, welche durch einen Zylinderboden und einen Zylinderdeckel den Hub begrenzt. Ringsum liegt der Kolben dichtend an der Zylinderwand an. In den Zylinder mündet ein Fluideinlass, durch den Leitungswasser in den Zylinder eingebracht werden kann, wobei der Fluideinlass so positioniert ist, dass das einströmende Wasser unter dem in seiner unteren Anschlagsposition befindlichen Kolben strömt. Der Kolben wird daraufhin durch den Druck unter dem Kolben angehoben, wodurch die an den Kolben angeformte Kolbenstange das Standrohr öffnet und damit den Spülvorgang auslöst.
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Noch vor dem Erreichen der oberen Anschlagsposition im Bereich des Zylinderdeckels wird jedoch ein Ventil ausgelöst, welches wenigstens eine Durchlassöffnung in dem Kolben öffnet, so dass das bislang unter dem Kolben befindliche Wasser nun auch durch den Kolben hindurch in den Bereich über dem Kolben dringen kann und der Wasserdruck unter dem Kolben senkt. Über einen oberen Ablauf, der einen Überlauf des Zylinders darstellt, kann das durch den Kolben hindurchtretende Wasser den Zylinder verlassen. Der Druck unterhalb des Kolbens wird dadurch soweit reduziert, dass sich der Kolben zwar noch aufgrund des nachströmenden Wassers in seiner oberen Endlage halten kann, aber mit dem nachlassenden Wasserstrom nach Schließen des Spülventils beginnt, nach unten zu sinken. Beim Einrücken in seine untere Anschlagsposition verschließt sich das Ventil des Kolbens und dessen Durchlassöffnungen.
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Eine solche Lösung funktioniert weitestgehend unabhängig vom anliegenden Wasserdruck, da lediglich die Gewichtskraft des Kolbens benötigt wird, um diesen wieder in die Ausgangslage zurück zu versetzen. Durch die weggesteuerte Auslösung des Ventils verändern sich die Eigenschaften des Kolbens abhängig von seiner Position so stark, dass keine zusätzlichen Kräfte mehr benötigt werden.
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In einer ersten und bevorzugten Ausgestaltungsform ist das Ventil aus einem oder mehreren Ventilstößeln aufgebaut, welche die Durchlassöffnung stets durchgreifen und darin längsbeweglich aufgenommen sind. Mit einigem Vorteil weisen diese beiderseits Anschläge auf, so dass sie an dem Kolben unverlierbar befestigt sind und in jeder Phase des Spülvorgangs eine definierte Position einnehmen können.
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Der einzelne Ventilstößel sieht dabei vor, durch ein Durchschieben des Ventilstößels durch die Durchlassöffnung ausgelöst zu werden. Der Ventilstößel kann daher etwa einen breiten unteren Verschlussabschnitt aufweisen, mit welchem er die Durchlassöffnung abdichtet, sowie eine gegenüberliegende Verjüngung, welche ein Vorbeiströmen von Fluid im geöffneten Zustand ermöglicht. Die Verjüngung kann so vorgesehen sein, dass sich der die Durchgangsöffnung blockierende runde Fußbereich des Ventilstößels nach oben hin zu einem Mittelsteg verjüngt.
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Um die Unverlierbarkeit der Ventilstößel sicherzustellen, kann diesen ein Anschlag in Form einer Ausbuchtung zugeordnet sein. In diesem Fall ist es sinnvoll, den Mittelsteg mit einer senkrechten Kerbe zu versehen, um den Ventilstößel mit dem Anschlag in die Durchlassöffnung einfädeln zu können.
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Um eine größere Durchlässigkeit des Kolbens in der Offenstellung des Ventils zu erreichen, kann der Kolben mehrere Durchlassöffnungen mit je einem Ventilstößel aufweisen, wobei diese Ventilstößel mit besonderem Vorteil über einen Verbindungsring miteinander verbunden sein können. Dieser stellt zum Einen einen unteren Anschlag der Ventilstößel dar, zum anderen vergleichmäßigt und synchronisiert er die Bewegungen der Ventilstößel beim Öffnen und Schließen. Im Falle einer gleichmäßigen, insbesondere kreisförmigen Verteilung der Ventile auf dem Kolben ist zudem eine gleichmäßige Druckverteilung am Kolben gewährleistet, so dass nicht mit Verkantungen gerechnet werden muss.
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Um angesichts unterschiedlicher Möglichkeiten in der Materialwahl sicherzustellen, dass bei einem zu leichten Kunststoffmaterial die Ventilstößel nicht durch den noch herrschenden Wasserdruck bei wieder absinkendem Kolben zurück in die Schließlage zurückgeschoben wird, kann den Ventilstößeln, oder falls vorhanden bevorzugtermaßen dem Verbindungsring, ein zusätzliches Senkgewicht zugeordnet oder aus einem Material höherer Dichte anextrudiert oder angeformt werden, so dass dessen Gewichtskraft die Ventilstößel bei absinkendem Kolben offen hält.
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Eine zweite Ausgestaltungsform sieht vor, dass die Durchlassöffnungen einen Schnappverschluss besitzen, welcher in einer oberen Anschlagsposition des Kolbens in eine Öffnungslage wechselt und bei Erreichen einer unteren Anschlagsposition des Kolbens in eine Schließlage zurückschnappt. Insbesondere muss hierbei sichergestellt sein, dass die Gewichtskraft des herabsinkenden Kolbens oder eine anderweitig aufzubringende Kraft ausreichend ist, um ein zurückschnappen des Schnappverschlusses in die Schließlage zu gewährleisten.
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Das in den Zylinder einströmende Wasser muss den Zylinder auch wieder verlassen, so dass bereits eingangs auch von einem Fluidablauf die Rede ist. Dieser Fluidablauf kann einerseits als Sickerablauf ausgestaltet sein, der um die aus dem Zylinder ausragende Kolbenstange herum gebildet ist, im wesentlichen wird das Wasser aber an der Oberseite des Zylinders durch einen Überlauf entweichen, der in den Spülkasten mündet. Der Sickerablauf muss notwendig kleiner sein als der Zulauf, um einen Wasserdruck in dem Zylinder aufbauen zu können, der den Kolben und mit diesem das Spülventil anheben kann. Eine geeignete Lösung kann sich dadurch ergeben, dass die Kolbenstange mehrfach umlaufend gekerbt ist, so dass zwischen der Kolbenstange und dem Durchlass des Zylinderbodens, der hülsenförmig gestaltet sein kann, eine Labyrinthdichtung gebildet wird. Nach dem Öffnen der Durchlassöffnungen fällt der Druck unter dem Kolben jedoch stark ab, da der Zustrom nun durch den Überlauf entweichen kann.
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Auch an dem Umfangsrand des Kolbens, der an der Zylinderinnenwand entlang gleitet, kann eine zusätzliche Abdichtung realisiert werden. Diese kann in einem Dichtring bestehen, der in einem Querschnitt U-förmig ist, wobei die Öffnung der U-Form nach unten weist. Hierdurch bläht sich die Dichtung bei einem Druck unterhalb der Dichtung auf und versperrt zusätzlich den Weg des Fluids an der Außenkante des Kolbens vorbei. Sobald aber unter dem Kolben der Druck sinkt und der Druck oberhalb des Kolbens steigt, legt sich die Dichtung wieder flacher an und ermöglicht es im Grenzfall auch, dass Fluid außen vorbei an dem Kolbenrand nach unten rinnt.
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Damit ein sicherer Sitz des Spülventils in geschlossenem Zustand gewährleistet ist, sollte die untere Anschlagsposition des Kolbens so gewählt sein, dass die Kolbenstange in dieser unteren Anschlagsposition von dem Spülventil entkoppelt ist. Dies kann hinsichtlich der Verbindung zwischen Spülventil und Kolbenstange über ein Gleitlager realisiert sein, für welches ein Kopf der Kolbenstange einen Anschlag bildet, so dass der Hub des Kolbens das Gleitlager mitnehmen kann.
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Da hierdurch der Kolben das letzte Stück ohne das Gewicht und die damit verbundene Rückstellkraft des Spülventils wieder sicher in die untere Anschlagposition zurückkehren muss, kann bei entsprechender Materialwahl auch dem Kolben oder der Kolbenstange ein zusätzliches Senkgewicht zugeordnet sein.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 eine Zylinder-Kolben-Einheit mit mehreren den Kolben durchgreifenden Ventilstößeln in einer unteren Anschlagsposition in seitlicher Querschnittsansicht,
- 2 die Zylinder-Kolben-Einheit gemäß 1 in einer Auftriebsposition in seitlicher Querschnittsansicht,
- 3 die Zylinder-Kolben-Einheit gemäß 1 in einer oberen Anschlagsposition in seitlicher Querschnittsansicht,
- 4 die Zylinder-Kolben-Einheit gemäß 2 in einer Auftriebsposition in einer alternativen seitlichen Querschnittsansicht mit Überlauf, sowie
- 5 die Zylinder-Kolben-Einheit gemäß 1 in einer Abtriebsposition in seitlicher Querschnittsansicht.
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1 zeigt eine Zylinder-Kolben-Einheit mit einem Zylinder 1, der einen Kolben 5 längsverschieblich in sich aufnimmt. Der Zylinder 1 bietet mit einem Zylinderdeckel 2 einen oberen Anschlag für den Kolben 5, mit einem Zylinderboden 3 einen unteren Anschlag. Dazwischen aufgespannt befindet sich der Hubraum, der derart ausreichend dimensioniert ist, dass ein mit einer an dem Kolben 5 angeformten Kolbenstange 6 verbundenes Standrohr 15, welches Teil eines Spülventils ist, in eine Öffnungsposition angehoben werden kann. Die Kolbenstange 6 weist zur Befestigung einen Kopf und einen Hals auf, wobei der Hals in einem Gleitlager 16 des Standrohrs eingefädelt ist. Die untere Anschlagsposition des Kolbens 5 ist so gewählt, dass das Standrohr 15 in dieser Position von dem Kolben 5 entkoppelt ist, mithin der Kopf nicht an dem Gleitlager anstößt, so dass das Spülventil sicher geschlossen ist.
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In seinem Zylinderboden 3 weist der Zylinder 1 einen hülsenförmigen Durchlass 4 auf, durch welchen die Kolbenstange in den Zylinder 1 einragt. Die Kolbenstange 6 ist zur Bildung einer Labyrinthdichtung in diesem Bereich mehrfach umlaufend gekerbt. Ein Sockel des hülsenförmigen Durchlasses 4 steht über den Zylinderboden über, so dass ein Teilbereich des Zylinders stets mit Wasser gefüllt ist. Darüber steigendes Wasser kann durch die Labyrinthdichtung ablaufen. Um aus dieser Position heraus das Spülventil zu betätigen, mithin das Standrohr 15 anzuheben, wird der Kolben 5 über einen hier nicht gezeigten Fluideinlass mit Wasser unter Leitungsdruck unterspült, welches schneller zuläuft als es über die Labyrinthdichtung des Durchlasses 4 den Zylinder 1 wieder verlassen kann. Es baut sich unter dem Kolben 5 ein Überdruck auf, welcher den Kolben 5 nach oben drückt.
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Am Rand des Kolbens 5 ist eine Ringdichtung 8 entlang der Zylinderwand vorgesehen, die sich aufgrund ihres umgekehrt U-förmigen Querschnitts durch den Überdruck unter dem Kolben 5 aufbläht und eine gute Abdichtung gegenüber der Zylinderwand bietet. Luft kann aus dem Raum über dem Kolben 5 jedoch entweichen, so dass dort kein Gegendruck aufgebaut wird.
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Durch den Wasserdruck wird der Kolben 5, wie in 2 gezeigt, nach oben gedrückt. Der Kolben 5 weist zwar Durchlassöffnungen 7 auf, welche aber in dieser Position durch Ventilstößel 9 versperrt sind. Diese Ventilstößel 9 weisen einen die Durchlassöffnungen 7 abdichtenden Verschlussabschnitt 10 auf, sowie nach oben hin eine Verjüngung 11, welche in der Durchlassöffnung 7 einen Strömungsbereich freihalten würde. In der gezeigten Position sind die drei Durchlassöffnungen 7 durch die Verschlussabschnitte 10 der Ventilstößel 9 versperrt, so dass der Wasserdruck unter dem Kolben 5 weiter ansteigen kann. In dieser Position wird zudem das Standrohr 15 bereits von der Kolbenstange 6 mit nach oben gezogen und beginnt, das Spülventil freizugeben.
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Mit dem sich weiter erhöhenden Wasserdruck wird die in 3 gezeigte obere Anschlagposition des Kolbens 5 von diesem erreicht. Bereits kurz vor dieser Position stoßen die Ventilstößel 9 mit ihrer Oberkante gegen den Zylinderdeckel 2, so dass sich zwar der Kolben 5, nicht aber die Ventilstößel 9 weiter nach oben bewegen können. Die Ventilstößel 9 schieben sich daher durch die Durchlassöffnung 7 hindurch, bis sie von einem Anschlag 12 der Ventilstößel 8 daran gehindert werden, weiter abzusinken. Die Ventilstößel sind durch einen Verbindungsring 13 miteinander verbunden, was ein ungleichmäßiges Auslösen und ein Verkanten verhindert.
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Nunmehr versperren die Ventilstößel die Durchlassöffnungen 7 lediglich noch mit einem Mittelsteg, der eine Verjüngung 11 darstellt. Wasser kann hierdurch über den Kolben gelangen und über einen Überlauf 17 in den Spülkasten auslaufen. Dies ist in 4 gezeigt, welche einen Querschnitt aus einer anderen Richtung darstellt, in welcher sowohl der Zulauf 18 als auch der Überlauf 17 dargestellt sind. Das zunächst weiter durch den Zulauf 18 zuströmende Wasser wird den Kolben 5 zwar noch nach oben drücken, aber der Druck unter dem Kolben 5 wird schnell geringer. Wird schließlich der Zustrom über den Zulauf 18 beendet, indem das Spülventil geschlossen wird, so wird der Druck unter dem Kolben 5 so weit nachlassen, dass dieser wieder nach unten sinken kann. Diese letzte Phase des Spülvorgangs wird in 5 gezeigt. Weil die Ventilstößel 9 und der sie verbindende Verbindungsring 13 aus einem leichten Kunststoff hergestellt sind, ist dem Verbindungsring 13 ein umlaufendes Senkgewicht 14 zugeordnet, welches verhindern soll, dass aufgrund des verbliebenen Wasserdrucks die Ventilstößel 9 wieder zurück in ihre Verschlussposition geschoben werden. Während das verbliebene Wasser über den Durchlass 4 und das Standrohr 15 aus dem Zylinder entweicht, sinkt der Kolben 5 wieder zurück in die in 1 gezeigte Position, wo aufgrund des unteren Anschlags die Ventilstößel 9 wieder die Durchlassöffnungen 7 versperren. Das Standrohr 15 ist in dieser Position dann wieder von der Kolbenstange 6 entkoppelt um vollends in die untere Endlage zurücksinken zu können und das Spülventil wird vollständig geschlossen, so dass der Spülkasten aufs Neue gefüllt werden kann.
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Vorstehend beschrieben ist somit eine Zylinder-Kolben-Einheit, welche einen Kolben mit einem Ventil vorsieht, welches weggesteuert geöffnet und geschlossen wird und damit unabhängig vom herrschenden Wasserdruck eine sichere Auslösung des Spülvorgangs und dessen Beendigung herbeiführen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 2
- Zylinderdeckel
- 3
- Zylinderboden
- 4
- Durchlass
- 5
- Kolben
- 6
- Kolbenstange
- 7
- Durchlassöffnung
- 8
- Dichtring
- 9
- Ventilstößel
- 10
- Verschlussabschnitt
- 11
- Verjüngung
- 12
- Anschlag
- 13
- Verbindungsring
- 14
- Senkgewicht
- 15
- Standrohr
- 16
- Gleitlager
- 17
- Überlauf
- 18
- Zulauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014019290 A1 [0002]
- EP 0094229 B1 [0003]
- EP 1749941 A1 [0003]
- EP 3048207 A1 [0006]
