DE10317455B4

DE10317455B4 - Heißwasserventil

Info

Publication number: DE10317455B4
Application number: DE2003117455
Authority: DE
Inventors: Jan Dyhr; Hans Kurt Petersen; Andreas Kammerer
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: DE10317455A1

Abstract

Heißwasserventil mit einem Zulauf, einem Ablauf, einer Schließeinrichtung zwischen dem Zulauf und dem Ablauf, die einen Ventilsitz und ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes Ventilelement aufweist, und einer Betätigungseinrichtung für das Ventilelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (3) und der Ablauf (4) zumindest an ihren mit Wasser in Berührung stehenden Flächen aus Kunststoff gebildet sind und daß der Ventilsitz (7) und das Ventilelement (8) durch eine Materialpaarung gebildet sind, die härter als eine Kalkablagerung ist, wobei das Material des Ventilsitzes (7) weicher ist als das Material des Ventilelements (8).

Description

Die Erfindung betrifft ein Heißwasserventil mit einem Zulauf, einem Ablauf, einer Schließeinrichtung zwischen dem Zulauf und dem Ablauf, die einen Ventilsitz und ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes Ventilelement aufweist, und einer Betätigungseinrichtung für das Ventilelement.

Ein derartiges Heißwasserventil ist aus EP 0 271 771 B1 bekannt. Derartige Ventile werden beispielsweise in Getränkeautomaten verwendet, die heiße Getränke bereitstellen. Hier muß heißes Wasser dosiert werden können, um beispielsweise die richtige Menge für eine Tasse Kaffee auszugeben.

Teile, die laufend mit heißem Wasser in Berührung kommen, neigen zum Verkalken. In Abhängigkeit von der Kalkbelastung des Wassers, die vielfach auch als "Härte" bezeichnet wird, dauert es eine längere oder kürzere Zeit, bis die Verkalkung so weit fortgeschritten ist, daß sich Funktionsprobleme ergeben. Beispielsweise können sich Leitungsquerschnitte verringern. Ein anderes Problem besteht darin, daß ein Ventil verkalkt, d.h. sich eine Kalkablagerung zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilelement bildet und damit die Dichtigkeit des Ventils beeinträchtigt.

Man hat daher im bekannten Fall das Ventilelement mit einer Materialverdickung versehen, so daß beim Schließen des Ventils eine verstärkte elastische Verformung erfolgt, die zum Absprengen eines evtl. gebildeten Kalkansatzes in diesem Bereich führt. Dennoch kann man beobachten, daß das Ventil nicht immer mit der gewünschten Zuverlässigkeit arbeitet.

US 4 826 132 beschreibt ein weiteres Heißwasserventil, bei dem der Ventilsitz durch eine dünne Wand aus PTFE gebildet ist, die in den Auslaß eingesetzt ist und aus dem Auslaß in Richtung auf das Ventilelement vorsteht. Das Ventilelement ist als Kegel ausgebildet, der sich vom Auslaß weg verjüngt.

DE 93 00 198 U1 zeigt ein Schrägsitzabsperrventil, das in Wasserleitungen verwendet werden kann, wo es zu Kalkablagerungen kommt. Das bekannte Schrägsitzabsperrventil weist ein Gehäuse auf, das einen geraden Durchflußkanal besitzt, in dem sich ein Schrägsitz befindet. Mit dem Gehäuse ist ein Ventiloberteil verschraubt, das eine schräg zum Durchflußkanal stehende Gewindespindel enthält, mit der ein als Halbkugel ausgebildetes Absperrorgan gegen den Schrägsitz drückbar ist. Bei der Berührung zwischen dem Schrägsitz und der Halbkugel kann erreicht werden, daß eventuelle Kalkablagerungen, die an der Dichtfläche des Schrägsitzes oder auch an der Halbkugel vorkommen, von den beim Schließen des Absperrventils gegeneinander gepreßten Dichtflächen abplatzen.

EP 0 621 423 A1 zeigt ein weiteres Schrägsitzventil für Rohrleitungen, insbesondere für die Unterputzverlegung, mit einem aus Kunststoff bestehenden Gehäuse, in das ein metallenes Anschlußstück eingebaut ist. Das Anschlußstück ist mit einem Gewinde zum Einschrauben eines Ventilabsperrorgans versehen. Das Anschlußstück und der Ventilsitz sind zwei getrennte Bauteile. Der Ventilsitz besteht aus Metall.

DE 1 186 712 A zeigt ein weiteres Ventil, das als ausheizbares Vakuumventil für hohe Ausheiztemperaturen vorgesehen ist. Dieses Ventil weist ein Gehäuse, ein Ventiloberteil, ein Zwischenstück, eine Spindel, einen Ventilteller und einen Ventilsitz auf. Der Ventilteller ist als verformendes Verschlußteil ausgebildet, während der Ventilsitz eine Hohlkegelform hat und elastisch und plastisch verformbar ist. Der Ventilteller besteht aus Stahl und ist an den Berührungsstellen mit dem Ventilsitz hart verchromt und poliert. Der Ventilsitz besteht ebenfalls aus Stahl und ist innen verkupfert. Der Ventilteller kann nun im Laufe des Betriebs immer weiter in den Ventilsitz 6 abgesenkt werden.

DE 195 31 037 C1 beschreibt eine Absperrvorrichtung für Fluid, insbesondere für eine Flüssigkeit. Dieses Ventil ist als Kükenventil ausgebildet, das eine Scheibe und eine Hülse aus Keramik, Metall oder Kunststoff hat.

DE 44 12 863 C1 zeigt ein Drei-Wege-Sitzventil, insbesondere für Wasserarmaturen. Da Sitzventile vorgesehen sind, wird deren Wirkungsweise nicht durch die Bildung von Kalkablagerungen beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Probleme mit Kalkablagerungen zu vermindern.

Diese Aufgabe wird bei einem Heißwasserventil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Zulauf und der Ablauf zumindest an ihren mit Wasser in Berührung stehenden Flächen aus Kunststoff gebildet sind und daß der Ventilsitz und das Ventilelement durch eine Materialpaarung gebildet sind, die härter als eine Kalkablagerung ist, wobei das Material des Ventilsitzes weicher als das Material des Ventilelements ist.

Mit dieser Ausgestaltung erreicht man zunächst, daß die Ablagerung von Kalk im Zulauf und im Ablauf verringert wird. Man kann beobachten, daß die Ablagerung von Kalk an Metallflächen stärker ist als an Kunststoffflächen. Allerdings ist der Kunststoff, aus dem der Zulauf und der Ablauf gebildet ist bzw. mit dem der Zulauf und der Ablauf ausgekleidet ist, in der Regel nicht geeignet, einen Ventilsitz zu bilden. Der Verschleiß wäre hier zu groß. Man verwendet daher für den Ventilsitz und das Ventilelement andere Materialien, wenn das Material des Zulaufs und des Ablaufs den Belastungen ansonsten nicht standhalten würde. Die anderen Materialien sind so hart, daß sie eine Kalkablagerung, wenn sie auftreten sollte, zerquetschen können. Wenn also das Ventilelement mit der notwendigen Kraft am Ventilsitz zur Anlage gebracht wird und sich dort Kalk abgelagert hat, dann wird dieser Kalk zerdrückt oder durchgequetscht, so daß sich eine ausreichend dichte Anlage des Ventilelements am Ventilsitz ergibt. Bei dem Durchquetschen kann es zwar vorkommen, daß kleine Körnchen in der Berührungsfläche zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz verbleiben. Diese Körnchen werden aber bei der nächsten Öffnung des Ventils mit dem durchströmenden Wasser entfernt. Es dauert dann wieder eine gewisse Zeit, bis sich eine Kalkablagerung gebildet hat, die wiederum zerquetscht werden muß. Es hat sich nun gezeigt, daß sich zwar im Bereich der Schließeinrichtung eine gewisse Kalkablagerung bilden kann. Diese Kalkablagerung ist aber unschädlich, weil sie an den funktionswesentlichen Flächen zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilelement auf Dauer nicht verbleiben kann. Hier wird sie durch das Zusammenwirken von Ventilelement und Ventilsitz zerstört. Die einzige Voraussetzung hierfür ist, daß die Materialpaarung von Ventilsitz und Ventilelement so hart ist, daß sie die Kalkablagerung mechanisch zerstören kann. Die Kalkablagerung ist in den meisten Fällen nur begrenzt druckbeständig. Wenn also der erforderliche Druck aufgebracht wird, dann wird die Kalkablagerung zertrümmert. Beim Durchquetschen der Kalkablagerung können sich dann zwar kleinere Druckmarken im Ventilsitz bilden. Diese werden aber beim nachfolgenden Zusammendrücken von Ventilsitz und Ventilelement wieder entfernt. Würde man das Ventilelement weicher ausbilden, dann ergäbe sich eine zunehmend tiefer werdende Einformung im Ventilelement als "Negativform" des Ventilsitzes. Diese Einformung könnte über kurz oder lang zu Undichtigkeiten führen.

Vorzugsweise erzeugt die Betätigungseinrichtung eine Schließkraft, bei der die Kalkablagerung zwischen Ventilsitz und Ventilelement zerquetscht wird. Man rüstet also die Betätigungseinrichtung mit einem relativ kräftigen Antrieb aus. Ein derartig kräftiger Antrieb, der beispielsweise einen Druck in der Größenordnung von 40 N/mm² oder mehr erzeugen kann, war bislang nicht erforderlich. Hier bestand auch die Gefahr, daß er sich negativ auf den Ventilsitz und/oder das Ventilelement auswirkt. Wenn man jedoch die Materialien, aus denen der Ventilsitz und/oder das Ventilelement bestehen, hart und widerstandsfähig genug wählt, dann kann man auch größere Schließkräfte in Kauf nehmen, wenn man dabei den Vorteil gewinnt, daß Kalkablagerungen mechanisch entfernt werden.

Vorzugsweise ist das Ventilelement als Platte ausgebildet, die beweglich mit einer Betätigungsstange verbunden ist. Man erzeugt also eine zumindest weitgehend kreisförmige Berührungslinie zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilelement. Entlang dieser Berührungslinie werden Kalkablagerungen zerquetscht. Bei dem Durchquetschen der Kalkablagerungen können zwar kleinere Druckmarken entstehen, die aber bei dem nachfolgenden Zusammendrücken von Ventilsitz und Ventilelement aufgrund der Unterschiede in den Härten der beiden Materialien wieder entfernt werden. Dadurch, daß die Platte beweglich an der Betätigungsstange angeordnet ist, ergibt sich beim Schließen automatisch eine Ausrichtung des Ventilelements zum Ventilsitz. Damit wird ein hoher Grad an Dichtigkeit erreicht.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Platte zumindest auf ihrer dem Ventilsitz zugewandten Seite eben ausgebildet ist. Die ebene Ausbildung verbessert die Dichtigkeit. Unabhängig von der genauen Ausrichtung des Ventilelements zum Ventilsitz ergeben sich überall die gleichen Winkelverhältnisse zwischen der ebenen Anlagefläche und dem Ventilsitz.

Hierbei ist bevorzugt, daß der Ventilsitz aus Stahl und das Ventilelement aus einem härteren Stahl, keramischen Material oder Rubin gebildet ist. Dies ist eine einfache Möglichkeit, die gewünschte Materialpaarung bereitzustellen. Bei dem Rubin kann es sich durchaus um künstlichen Rubin handeln.

Bevorzugterweise ist der Ventilsitz in einem Einsatz ausgebildet und weist eine gegenüber dem Einsatzverminderte Wandstärke auf. An der Berührungslinie zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilelement entsteht dann eine relativ dünne Berührungsfläche, an der hohe Kräfte wirken. Auch wenn es sich nicht direkt um eine "Schneidkante" handelt, kann man die Druckspannungen beim Schließen des Ventils in diesem Bereich doch so weit erhöhen, daß mit relativ geringen Kräften ein ausreichendes Durchquetschen der Kalkablagerung bewirkt wird.

Vorzugsweise ist der Kunststoff aus PVDF gebildet. Polyvinylidenfluoride sind thermoplastische, leicht verarbeitete Fluor-Kunststoffe mit hoher Beständigkeit gegenüber Temperatur- und Chemikalieneinwirkung. Sie sind für Lebensmittel zugelassen und damit auch für Trinkwasser.

Vorzugsweise weist die Betätigungseinrichtung einen pneumatischen Antrieb auf. Mit einem pneumatischen Antrieb kann man relativ große Kräfte zu geringen Kosten zur Verfügung stellen.

In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Betätigungseinrichtung einen magnetischen oder piezoelektrischen Antrieb aufweist. Auch mit diesen Antrieben lassen sich die benötigten Kräfte auf einfache Weise erzielen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Heißwasserventils.
Ein Heißwasserventil 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das aus PVDF (Polyvinylidenfluorid) gebildet ist. Dieses Material ist ein Kunststoff, an dem sich wenig Kalkablagerungen ergeben. Darüber hinaus ist es für Lebensmittel zugelassen, d.h. es darf in Kontakt kommen mit Stoffen, die für den menschlichen Verzehr geeignet sind.
Das Gehäuse 2 weist einen Zulauf 3 und einen Auslauf 4 auf, die mit nicht näher dargestellten Rohrleitungen verbunden werden können. Heißes Wasser durchströmt das Heißwasserventil 1 in Richtung eines Pfeiles 5.
Zwischen dem Zulauf 3 und dem Auslauf 4 ist eine Schließeinrichtung 6 angeordnet, die einen Ventilsitz 7 und ein Ventilelement 8 aufweist. Der Ventilsitz 7 ist an einem Einsatz 9 ausgebildet, der an einem Fortsatz 10 des Zulaufs 3 befestigt ist. Die Befestigung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann der Einsatz 9 in den Fortsatz 10 eingepreßt sein. Er kann mit dem Fortsatz 10 verklebt oder verschweißt sein. Er kann auch auf den Fortsatz 10 aufgeschraubt oder eingeschraubt sein.
Der Einsatz 9 ist aus Stahl gebildet. Er weist im Bereich des Ventilsitzes 7 eine Wand 11 mit verminderter Wandstärke auf, so daß der Ventilsitz 7 durch eine relativ schmale Stirnseite des Einsatzes 9 gebildet ist.
Das Ventilelement 8 ist plattenartig ausgebildet. Es weist eine ebene Anlagefläche 12 auf, die mit dem Ventilsitz 7 zusammenwirkt. Das Ventilelement 8 ist aus einem Material gebildet, das härter ist als das Material des Einsatzes 9. Beispielsweise kann das Ventilelement 8 aus einem härteren Stahl als der Ventilsitz 7 gebildet sein. Es besteht auch die Möglichkeit, daß das Ventilelement 8 zumindest im Bereich der Anlagefläche 12 aus Rubin oder einem keramischen Material gebildet ist. Sowohl der Ventilsitz 7 als auch das Ventilelement 8 sind so hart, daß sie beim Zusammenwirken eine Kalkablagerung zerquetschen können, die sich möglicherweise an einem der beiden Teile oder an beiden Teilen ergeben hat.
Das Ventilelement 8 ist über eine gelenkige Verbindung 13 mit einem Stößel 14 eines Antriebs 15 verbunden, der im vorliegenden Fall als pneumatischer Antrieb ausgebildet ist. Der Antrieb 15 weist eine Druckkammer 16 auf, die von einem festen Gehäuse 17 und auf der dem Ventilsitz 7 zugewandten Seite von einer Membran 18 begrenzt ist. An der Membran 18 ist der Stößel 14 befestigt. Wenn die Druckkammer 16 über einen Anschluß 19 mit Druckluft versorgt wird, dann wird das Ventilelement 8 gegen die Kraft einer Rückstellfeder 20 in Richtung auf den Ventilsitz 7 bewegt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 18 ist ein weiterer Raum 23 angeordnet, der bei einer Druckbeaufschlagung des Raumes 16 über eine Entlüftung 21 entlüftet werden kann. Der Stößel 14 ist zumindest auf einen Teil seiner Länge von einem Balgen 22 umgeben, der verhindert, daß heißes Wasser am Stößel 14 entlang zur Membran 18 fließen kann.
Durch den pneumatischen Antrieb 15 lassen sich relativ große Kräfte und damit Druckspannungen zwischen Ventilsitz 7 und Ventilelement 8 erzeugen. Die Drücke können durchaus in der Größenordnung von 40 N/mm² liegen. Dieser große Druck macht es im Zusammenwirken mit den relativ harten Materialien von Ventilsitz 7 und Ventilelement 8 möglich, eine Kalkablagerung am Ventilsitz 7 oder am Ventilelement 8 einfach zu zerquetschen. Beim Zerquetschen können zwar kleinere Druckmarken im Ventilsitz 7 entstehen, die aber später durch das Zusammendrücken von Ventilelement 8 und Ventilsitz 7 aufgrund der Unterschiede in den Härten der beiden Materialien entfernt werden.
Von der dargestellten Ausführungsform kann in vielerlei Hinsicht abgewichen werden.
Anstelle eines pneumatischen Antriebs 15 läßt sich natürlich auch ein Elektromagnet verwenden. Auch die Verwendung eines piezoelektrischen Elements als Antrieb ist denkbar.
Anstelle von PVDF als Kunststoff kann man auch andere Kunststoffe verwenden, bei denen das Risiko von Kalkablagerungen gering ist.
Anstelle des dargestellten plattenförmigen Ventilelements 8 läßt sich natürlich auch ein anderes Ventilelement verwenden, beispielsweise eine Kugel. In jedem Fall sollte aber dafür gesorgt werden, daß die Schließkraft so groß ist, daß Kalkablagerungen zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz zerquetscht werden können. Wenn dabei kleinere Partikel entstehen, die sich noch zwischen dem Ventilsitz 7 und dem Ventilelement 8 befinden und das Risiko von Undichtigkeiten mit sich führen, dann wird spätestens bei der nächsten Öffnung der Schließeinrichtung 6 dafür gesorgt, daß diese Partikel entfernt werden. Eine dauerhafte Undichtigkeit ist also nicht zu befürchten.

Claims

Heißwasserventil mit einem Zulauf, einem Ablauf, einer Schließeinrichtung zwischen dem Zulauf und dem Ablauf, die einen Ventilsitz und ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes Ventilelement aufweist, und einer Betätigungseinrichtung für das Ventilelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (3) und der Ablauf (4) zumindest an ihren mit Wasser in Berührung stehenden Flächen aus Kunststoff gebildet sind und daß der Ventilsitz (7) und das Ventilelement (8) durch eine Materialpaarung gebildet sind, die härter als eine Kalkablagerung ist, wobei das Material des Ventilsitzes (7) weicher ist als das Material des Ventilelements (8).
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (15) eine Schließkraft erzeugt, bei der die Kalkablagerung zwischen Ventilsitz (7) und Ventilelement (8) zerquetscht wird.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (8) als Platte ausgebildet ist, die beweglich mit einer Betätigungsstange (14) verbunden ist.
Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte zumindest auf ihrer dem Ventilsitz (7) zugewandten Seite (12) eben ausgebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (7) aus Stahl und das Ventilelement (8) aus einem härteren Stahl, keramischen Material oder Rubin gebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (7) in einem Einsatz (9) ausgebildet ist und eine gegenüber dem Einsatz (9) verminderte Wandstärke aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus PVDF gebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (15) einen pneumatischen Antrieb aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung einen magnetischen oder piezoelektrischen Antrieb aufweist.