-
Steuer- und Regelgerät Die Erfindung betrifft ein Steuer- und
Regelgerät für Durchlauferhitzer, zur Steuerung der Energiezufuhr in Stufen und
zur Regelung der Wassermenge, mit einem Wasserschalter, bestehend aus einer unter
dem Einfluss eines an einer Staustelle auftretenden dynamischen Druckunterschiedes
gegen die Kraft eines Federelementes bewegten, in einem Membrangehäuse einen Hoch-
und einen Niederdruckwasserraum voneinander trennenden Membran, welche einen Regelventilkörper
betätigt, der einen Regelquerschnitt zwischen dem Kaltwasserzufuhrkanal und dem
Hochdruckwasserraum beherrscht und mittels eines Schaltstiftes auf einen Energieschalter
einwirkt.
Bei den zur Warmwasserversorgung von Haushalten vorgesehenen,
mit Gas oder mit elektrischem Strom beheizten Durchlauf-Wassererhitzern geht in
jüngster Zeit die Tendenz zu Gerten immer grösserer Leistung. Dies resultiert aus
dem Bedürfnis, die zur Bereitung eines Vollbades benötigte Zeit so weit als möglich
zu verkürzen. Technisch sind dieser Entwicklung kaum Grenzen gesetzt, doch gewinnt
bei der Vergrösserung der Nennleistung solcher Durchlauferhitzer ein beim Betrieb
auftretendes Problem technischer und wirtschaftlicher Natur entscheidende Bedeutung,
welches bisher noch nicht gelöst werden konnte.
-
Eine stufenweise Regelung der Energiezufuhr zum Wärmetauscher in Abhängigkeit
von dem in der Zeiteinheit gezapften Warmwasser ist bisher nicht bekannt geworden.
Um eine Überhitzung des Wassers und eine Beschädigung der Durchlauferhitzer zu vermeiden,
sind deren Steuer- und Regelgeräte vielmehr so bemessen und eingestellt, dass die
Energiezufuhr immer erst dann freigegeben wird, wenn der Nenn-Wasserdurchfluss erreicht
ist. Wäre die Energiezufuhr etwa schon beimhalben Nenn-Wasserdurchfluss
frei, so würde das durchfliessende Wasser zu hoch erhitzt und sogar unter
Umständen zum Sieden kommen. Wird andererseits der Wasserdurchfluss gedrosselt,
so schalten die bekannten Steuer-und Regelgeräte aus Sicherheitsgründen
bereits kurz nach
Unterschreiten des Nenn-Wasserdurchflusses ab.
-
Mit einem Durchlauferhitzer werden nun aber nicht nur die Badewanne,
sondern auch ein bzw. zwei Waschbecken und in den meisten Fällen auch ein Spülbecken
in der Küche mit Gebrauchswasser versorgt. Letztere weisen gegenüber der für die
Badewanne vorgesehenen Zapfstelle kleine Ausflussquerschnitte auf und an diesen
Zapfstellen wird (beispielsweise zum Waschen der Hände unter fliessendem Warmwasser
oder zum Überspülen von Geschirr) nur ein geringer Wasserausfluss in der Zeiteinheit
benötigt. Durchlauferhitzer grosser Nennleistung könnten aber nach obigem zwangsläufig
auch an diese Zapfstellen nur den (grossen) Nenn-Wasserdurchfluss liefern, so dass
dort das warme Wasser mit scharfem Strahl unter entsprechendem Druck ausströmt.
Dies ist aber höchst unerwünscht wegen des unvermeidlichen Spritzens beim Waschen
und Spülen und ist zudem sehr unwirtschaftlich, da dabei beträchtlich mehr Warmwasser
austritt als für den beabsichtigten Zweck tatsächlich benötigt wird. Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuer- und Regelgerät für Durchlauferhitzer zu
schaffen, welches die Energiezufuhr zum Wärmetauscher in zwei oder mehreren diskreten
Stufen in Abhängigkeit vom Wasserdurchfluss derart
steuert, dass
die Wassertemperatur auf allen Stufen Bleichgross ist.
-
Gemäss der Erfindung wird die Aufgabe an einem Steuer- und Regelgerät
mit einer unter dem Einfluss eines dynamischen Druckunterschiedes gegen die Kraft
eines Federelementes bewegten Membran gelöst durch wenigstens zwei mittels wenigstens
einer Stützhülse hintereinandergeschaltete, verschiedene Federkräfte ausübende,
vorgespannte Federn als Federelement, wobei jeweils die Feder mit der grösseren
Federkraft erst nach Aufstützen der Stützhülse auf der Membran gegen Ende7des Hubes
der Membran in Tätigkeit tritt. Mit einem demgemäss aus zwei Federn sowie einer
Stützhülse bestehenden Federelement wird erreicht, dass die Membran zwischen ihrer
Ruhestellung, die sie bei geschlossenem Wasserdurchfluss einnimmt, und ihrer Regelstellung
bei Durchfluss der Nenn-Wassermenge eine weitere stabile Steuerstellungeinnehmen
kann. In dieser entspricht der auf die Membran ausgeübte dynamische Druck gerade
demjenigen Gegendruck der Feder mit der grösseren Federkraft, den diese zu Beginn
ihres Federweges aufgrund ihrer Vorspannung ausübt, sobald sich die Stützhülse auf
die Membran aufsetzt und die andere, zu Beginn des Membranhubes wirksame Feder am
Ende ihres möglichen Federweges angelangt ist. Da die Membran mittels des
Schaltstiftes
auf den Energieschalter einwirkt, kann mit dieser Anordnung bei geeigneter zweistufiger
Ausbildung des Energieschalters sowie entsprechender Dimensionierung der unteren
Stufe der Energiequelle ohne weiteres erreicht werden, dass in der Steuerstellung
der Membran, die sich bei einem bestimmten Wasserdurchfluss einstellt, die gleiche
Gebrauchswassertemperatur erzielt wird wie in der Regelstellung bei Durchfluss der
Nenn-Wassermenge. Entsprechendes gilt für ein Gerät mit drei mittels zweier Stützhülsen
hintereinander geschalteter Federn zur Steuerung der Energiezufuhr in drei Stufen.
-
Das erfindungsgemässe Steuer- und Regelgerät gestattet -unter der
Voraussetzung, dass die Differenz der Federkräfte der beiden Federn nur gross genug
ist - zudem die Regelung der Gebrauchswassertemperatur in einem weiten Bereich,
und zwar lediglich durch Veränderung des Wasserdurchflusses mit Hilfe des Zapfventilen.
Wird nämlich aus dem Zapfventil in steigendem Masse mehr Wasser entnommen
als es dem durch die Steuerstellung gekennzeichneten Wasserdurchfluss
entspricht, so sinkt dementsprechend die Tem-
peratur des Gebrauchswassers
immer mehr ab, da die Energie-zufuhr zur Energiequelle trotz zunehmendem
Wasserdurchfluss gleich bleibt. Erst wenn die gezapfte Wassermenge
dar
Nenn-Wassermenge des Durchlauferhitzern entspricht, ist der
Druckunterschied
an der Membran gross genug, um eine Bewegung der Membran gegen die Feder mit der
grösseren Federkraft zu bewirken, sodass über den Schaltstift die Nennenergie freigegeben
wird, welche dann bewirkt, dass die Wassertemperatur wieder auf den höheren Wert
ansteigt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist am Membrangehäuse
ein gegen die Membran gerichteter, eine endständige als Wulst wirkende Scheibe aufweisender,
zylindrischer Zapfen angeordnet und die zylindrisch ausgebildete Stützhülse besitzt
am einen Ende einen nach aussen gebogenen Aussenrand und am entgegengesetzten Ende
einen nach innen gebogenen Innenrand, mit welchem sie auf dem Zapfen verschiebbar
ist. Die die grössere Federkraft aufweisende, als Drehungsfeder ausgebildete Regelfeder
ist zwischen Membrangehäuse und Aussenwand, die als Schraubenfeder ausgebildete
Schaltfeder zwischen Innenwand und Membran eingesetzt. Ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Die Figur zeigt das Steuer- und Regelgerät in einem Längsschnitt. Am Reglergehäuse
1 des Steuer- und Regelgerätes ist ein Membrangehäuse 2 angeflanscht. Im
Reglergehäuse 1 befindet
sich ein verschieblicher RPgelventilkörper 3, und
zwischen
dem Gehäuse 1 und dem Reglergehäuse 2 ist eine Membran
4 angeordnet.
-
Ein Kaltwasserzufuhrkanal 5 endet in einer Hauptkammer
6,
die über eine Ventilöffnung 7 mit einer Nebenkammer 8 in Verbindung
steht. Von der Nebenkammer 8 führt ein Querka-
nal 9 in einen Hochdruckwasserraum
10, welcher durch'-die Membran 4 von einem Niederdruckwasserraum 11 getrennt ist.
Die Hauptkammer 6 ist ausserdem durch eine Ventilbohrung 12 mit dem Hochdruckwasserraum
10 verbunden. Vom Hochdruckwasserraum 10 führt eine Öffnung 13 zum Kaltwasserabfuhrkanal
14. Im Kaltwasserabfuhrkanal 14 befindet sich ein Venturi-Rohr 15,
von dessen engster Stelle ein Niederdruckkanal 16 ausgeht, welcher im Niederdruckwasserraum
11 mündet. Der Regelventilkörper 3 ist zusammen mit einem Membranteller 17 an der
Membran 4 befestigt; sein entgegengesetztes Ende geht in einen Schaltstift 18
über, welcher das Reg-
lergehäuse 1 nach aussendurchstösst und in der Wand des
Reg-lergehäuses 1 gleitbar geführt ist. Der Regelventilkörper 3 weist einen
innerhalb der Nebenkammer 8 sitzenden, zylin-drischen Regelkolben 19 auf, dessen
konisch ausgebildete
Kante 20 mit einem in der Ventilöffnung 7 befindlichen
Sitz 21 zusammenarbeitet.
Zwischen dem Regelkolben 19 und
dem membranseitigen Ende trägt der Regelventilkörper 3 einen beiderseits konisch
abgeschrägten, zylindrischen, in der Hauptkammer 6 stehenden Regelkörper 22, dessen
Durchmesser geringfügig kleiner ist als die Ventilbohrung 12.
-
Im Membrangehäuse befindet sich eine zylinderförmige Stützhülse 23,
die an ihrem einen Ende einen Innenrand 24 aufweist. Die Stützhülse 23 ist mit ihrem
Innenrand 24 lose über einen aus der Innenwand des Membrangehäuses 2 herausragenden
Zapfen 25 geschoben, sodass sie unter Belassung eines Ringspaltes 26 auf dem Zapfen
25 gleiten kann. Eine mittels einer Schraube 27 am Kopf des Zapfens 25 befestigte
Scheibe 28 hält die Stützhülse 23 auf dem Zapfen 25 fest.
Die Stützhülse 23
trägt einen nach aussen gebogenen, dem Membranteller 17 gegenüberliegenden Aussenrand
29, auf welchem sich eine starke Regelfeder 30 abstützt, die sich über die Stützhülse
23 und den Zapfen 25 erstreckt und in einem vorgespannten Zustand zwischen
der Innenwand des Membrangehäuses 2 und dem Aussenrand 29 liegt. Innerhalb
der
Stützhülse 23 ist eine zweite, schwache Schaltfeder 31 angeordnet, welche zwischen
dem Innenrand 24 und dem Membranteller 17 und ebenfalls in einem vorgespannten
Zustand
eingesetzt ist.
Das erfindungsgemässe Steuer- und Regelgerät
ist innerhalb eines Durchlauf-Wassererhitzers in den Zug der Kaltwasserleitung,
welche zum Wärmetauscher führt und in einem Zapf -ventil endet, eingebaut. Mit dem
Schaltstift 18 wird die Energiezufuhr zum Wärmetauscher betätigt; er wirkt deshalb
entweder auf ein Gasventil oder auf einen elektrischen Stufenschalter ein.
-
Die Funktion des Gerätes ist folgende.@Wird das Zapfventil geöffnet,
dann fliesst Kaltwasser aus dem Wasserleitungsnetz durch den Kaltwasserzufuhrkanal
5 in die Hauptkammer 6. Dort teilt sich zur Druckentlastung des Regelventilkörpers
3 der Kaltwasserstrom in zwei Teile: der eine Teil gelangt durch die Ventilbohrung
12 direkt in den Hochdruckwasserraum 10, der andere Teil fliesst durch die
Ventilöffnung 7 in die Nebenkammer 8 und von da durch den Querkanal 9 in den Hochdruckwasserraum
10. Dies wird in der Zeichnung durch die Pfeile verdeutlicht. Aus dem Hochdruckwasserraum
10 strömt das Kaltwasser durch,die Öffnung 13 in den Kaltwasserabfuhrkanal 14, und
verlässt das Steuer- und Regelgerät nach Durchströmen des Venturi-Rohres 15 in Richtung
zum Wärmetauscher. Dabei wird an der Membran 4 ein Druck-
unterschied
dadurch wirksam, dass auf der einen Seite der-Membran 4 im Hochdruckwaaserraum
10 annähernd der volle
Druck des Wasserleitungsnetzes ansteht, während
auf der an-
deren Membranseite der im Venturi-Rohr 15 infolge
der erhöhten Durchflussgeschwindigkeit herabgesetzte Druck über den Niederdruckkanal
16 im Niederdruckwasserraum 11 wirk-
sam wird. Dieser Druckunterschied hat
zunächst eine Bewegung der Membran 4 gegen die Kraft der Schaltfeder 31 und - nach
weiterem Ansteigen - auch der Regelfeder 30 zur Folge, und der Regelventilkörper
3 mit dem Schaltstift 18 wird aus seiner Ruhelage (die in der Zeichnung dargestellt
ist) verschoben.
-
Wird beispielsweise das Zapfventil stetig zunehmend soweit geöffnet,
bis gerade die halbe Nenn-Wassermenge ausfliesst, und ist die Schaltfeder 31 dementsprechend
bemessen, so wird die Membran 4 aufgrund des Druckunterschiedes beim Erreichen der
halben Nenn-Wassermenge gegen die Kraft der (vorgespannten) Schaltfeder 31 bewegt.
Diese Bewegung findet ihr Ende, wenn sich der Membranteller 17 am Aussenrand 29
der Stützhülse 23 angelegt hat. Der aufgrund dieser das Gerät durchfliessenden halben
Nenn-Wassermenge beiderseits der Membran 4 entstehende Druckunterschied reicht nämlich
nicht aus, eine weitere Bewegung der Membran gegen die Kraft der (starken und ebenfalls
vorgespannten) Regelfeder 30, welche die Stützhülse 23 in ihrer gezeichneten Lage
hält, zu bewirken. Mit dem Anlagen des Membrantellers 17 am Aussenrand 29 gibt der
Schaltstift 18 die Energiezufuhr zum Wärmetauscher in einer ersten Stufe frei und
zwar beispielsweise so, dass - entsprechend der das Gerät durchfliessenden
halben
Nenn-Wassermenge - gerade auch die halbe Nennenergie freigegeben wird, aufgrund
derer eine bestimmte Temperatur des gezapften Warmwassers resultiert.
-
Wird das Zapfventil stetig weiter geöffnet, so erhöht sich - bei zunehmendem
Wasserdurchfluss und sinkender Wassertemperatur - der auf die Membran 4 wirkende
Druckunterschied weiter. Ist die Regelfeder 30 entsprechend bemessen, so findet
eine weitere Bewegung der Membran 4 erst dann statt, wenn die Nenn-Wassermenge das
Steuer- und Regelgerät durchfliesst. Diese Bewegung geschieht nunmehr ausschliesslich
gegen die Kraft der Regelfeder 30 und sie erfolgt soweit, dass bei Erreichen der
Nenn-Wassermenge die Kante 20 des Regelventilkörpers 3 etwa drei Viertel ihres Weges
in Richtung auf den Sitz 21 an der Ventilöffnung 7 zurückgelegt hat und der Regelkörper
20 dementsprechend vor der Ventilbohrung 12 steht. Diese Stellung des Regelventilkörpers
3 ist dessen Regelstellung bei Durchfluss der Nenn-Wassermenge; hierbei halten sich
Druckunterschied und Federkraft die Waage. Mit dem Erreichen der Regelstellung des
Regelventilkörpers 3 gibt der Schaltstift 18 die Energiezufuhr zum Wärmetauscher'in
einer zweiten Stufe frei, wobei entsprechend der Nenn-Wassermenge auch die Nennenergie
freigegeben wird. (Bis zum Erreichen des Nenn-Wasserdurchflusses erfolgt die Einstellung
des Wasserdurchflusses nur durch das Zapfventil; wobei es von wesentlicher Bedeutung
ist,
dass im Bereich zwischen dem halben und dem ganzen Nenn-Wasserdurchfluss durch Betätigung
des Zapfventils eine Temepraturwahl gegeben ist.) Wenn das Zapfventil noch mehr
geöffnet wird oder jetzt der Druck im Wasserleitungsnetz ansteigt, so bewegt der
dadurch weiter vergrösserte bruckunterschied die Membran 4 noch eine Strecke gegen
die Kraft der Regelfeder 30, und der Regelventilkörper 3 verschiebt sich innerhalb
seiner Regelstellung ein kleines Stück nach vorn. Nun werden Regelkolben 19 und
Regelkörper 22 wirksam, indem sie die Querschnitte der Ventilöffnung 7 bzw. der
Ventilbohrung 12 zunehmend verringern: Dies bewirkt, dass trotzweiter geöffneten
Zapfventils oder erhöhten Wasserdruckes praktisch nur die Nenn-Wassermenge dem Wärmetauscher
zufliessen kann; das erfindungsgemässe Gerät wirkt in diesem Falle als membrangesteuerter
Wassermengenregler.
-
Findet mittels des Zapfventiles eine Drosselung des Wasserauslaufen
statt und kann deshalb die Nenn-Wassermenge nicht mehr fliessen, so drückt die Regelfeder
30 die Membran 4 gegen den verminderten Druckunterschied zurück, bis der Aussenrand
29 der Stützhülse 23 auf dem Membranteller 17 aufsitzt. Dabei verlässt der Regelventilkörper
3 seine Regelstellung und der Schaltstift 18 schaltet die zweite Stufe der Energiezufuhr
ab, sodass nur noch die halbe
Nennenergie freigegeben ist. Kann
durch weitere Drosselung auch nicht mehr die halbe Nenn-Wassermenge fliessen, so
gelangt die Schaltfeder 31 in Tätigkeit, drückt die Membran 4 zurück und der Regelventilkörper
3 gelangt dabei in seine Ruhelage. Zuvor hat der Schaltstift 18 die erste Stufe
der Energiezufuhr abgeschaltet, sodass die Energiezufuhr zum Wärmetauscher unterbrochen
ist.
-
Bleibt bei entsprechend weit geöffnetem Zapfventil die Kaltwasserzufuhr
aus dem Wasserleitunganetz aus oder sinkt der Druck ab, so drücken Regelfeder 30
und Schaltfeder 31 die Membran 4 zurück und der Schaltstift 18 unterbricht die Energiezufuhr.
In diesem Falle arbeitet das Gerät als Wassermangelsicherung.
-
Der wesentliche Fortschritt der Erfindung wird darin gesehen, dass
das vorgeschlagene Steuer- und Regelgerät die Verwendung von Durchlauferhitzern
grösserer Leistung als bisher zur Warmwasserversorgung von Haushalten ermöglicht.
Das neue Gerät, welches in baulicher und funktioneller Einheit mit einer Wassermangelsicherung
und einem Wassermengenregier die Energiezufuhr zum Wärmetausch in Stufen steuert,
gestattet die Anpassung von Wasser- und Energieverbrauch an die sehr unterschiedlichen
Anforderungen, die an die ver-. schiedenen angeschlossenen Zapfstellen (Badewanne
- Handwaschbecken), gesteilt werden, aodass ein wirtschaftlicher
Betrieb
den Durchlauferhitzers gewährleistet ist. Die genannten
Vorteile
werden mit ausserordentlich geringem baulachen Aufwand erzielt.