DE202011004433U1

DE202011004433U1 - Mischventil nach dem Dreiwegeprinzip

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Publication number: DE202011004433U1
Application number: DE202011004433U
Authority: DE
Original assignee: Julabo Labortechnik 77960 GmbH; Julabo Labortechnik GmbH
Current assignee: Julabo Labortechnik 77960 GmbH; Julabo Labortechnik GmbH
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2021-03-26

Abstract

Mischventil (10) nach dem Dreiwegeprinzip mit einem Ventilkörper (12), der eine erste Zuleitung (16) für ein erstes Fluid und eine zweite Zuleitung (18) für ein zweites Fluid sowie eine Ableitung (20) für ein Mischfluid aus dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid aufweist, sowie mit einer in dem Ventilkörper (12) angeordneten Mischkammer (14), um das erste Fluid und das zweite Fluid zusammenzuführen und so das Mischfluid zu bilden, wobei die Zuleitungen (16, 18) partiell versperrbar sind, um die Anteile des ersten Fluids und des zweiten Fluids an dem Mischfluid zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zuleitung (16) in einer gemeinsamen Längsrichtung parallel zu der zweiten Zuleitung (18) angeordnet ist, dass die Mischkammer (14) eine Buchse (26) aufweist, in welcher ein in Richtung quer zu der Längsrichtung zwischen der ersten Zuleitung (16) und der zweiten Zuleitung (18) beweglicher Ventilschieber (24) vorgesehen ist, der positionsabhängig unterschiedliche Anteile des Querschnitts der ersten...

Description

Die Erfindung betrifft ein Mischventil nach dem Dreiwegeprinzip gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Mischventile dienen dazu, mehrere Fluidströme miteinander zu vermischen. Häufig geschieht dies, um einen Flüssigkeitsstrom auf eine gewünschte Temperatur zu bringen beziehungsweise diese Temperatur zu halten. Dazu werden Flüssigkeiten unterschiedlicher Temperatur vermischt, oder einem Flüssigkeitsstrom wird eine Flüssigkeit höherer oder tieferer Temperatur beigemischt.
Ein Dreiwegeventil besitzt zwei Eintrittsöffnungen und eine Austrittsöffnung. Die Eintrittsöffnungen können alternierend gesperrt und geöffnet werden. In einem Mischventil werden die Eintrittsöffnungen nicht vollständig, sondern teilweise gesperrt und geöffnet. Damit können gewünschte Anteile zweier Fluidströme vermischt werden. Um einen Ausgangsstrom einer kontrollierten Temperatur zu erhalten, wird dessen Temperatur bestimmt und entsprechend das Öffnen und Schließen der Eintrittsöffnungen geregelt.
In vielen Anwendungen, etwa in Heizkreisläufen von Gebäudeheizungen, muss ein Mischventil nur in einer relativ geringen Temperaturspanne und für wenige, meist anspruchslose Flüssigkeiten funktionieren. Die dafür verwandten Konstruktionsprinzipien lassen sich aber nicht ohne weiteres verwenden, wenn extrem große Temperaturveränderungen möglich sind und die Fluide dabei eine deutlich veränderte Viskosität zeigen. Auch muss die Beständigkeit des Materials gewährleistet sein, wenn chemisch aggressive Flüssigkeiten vermischt werden. Ein Beispiel dafür sind Silikonöle oder fluorhaltige Lösungsmittel und Kühlflüssigkeiten („Fluorinert”).
Herkömmliche Mischventile haben eine gebogene Strömungsführung, die zu Druckabfall führt. Die Dichtungen bestehen aus Kunststoffen wie PTFE („Teflon”) und haben dementsprechend einen eingeschränkten Temperaturbereich. Es sind zwar auch Mischventile mit metallischen Dichtungen bekannt. Diese haben aber große Toleranzen in der Mischkammer und somit ein Leckagerisiko mit der Folge ungewollten Mischens.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Mischventil anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet und insbesondere über einen großen Temperaturbereich zuverlässig arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch ein Mischventil nach dem Dreiwegeprinzip gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, den Fluidstrom weitgehend geradlinig durch die Mischkammer zu führen. Aus diesem Grund sind die beiden Zuleitungen zueinander parallel. Ein dazu quer, insbesondere senkrecht beweglicher Ventilschieber versperrt die Zuleitungen positionsabhängig in jeweils dem Maße, mit dem ein gewünschtes Mischungsverhältnis erreicht wird. Die Buchse, in welcher der Ventilschieber bewegt wird, ist aus Kohlenstoff, der Ventilschieber selbst sowie die Mischkammer aus Edelstahl hergestellt. Das betrifft zumindest die Oberflächen, die mit den Fluiden in Kontakt kommen. Die Materialauswahl erfolgt unter Abstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten, um ein dichtes Schließverhalten auch über große Temperaturbereiche sicherzustellen.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass keine Umlenkungen erforderlich sind, sondern das Fluid in dem Mischventil einem geraden Strömungsweg unter minimalem Druckabfall folgt. Die Materialien von Ventilschieber, Buchse und Mischkammer sind temperaturstabil und medienresistent, somit langlebig und wartungsarm. Die Abstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten sichert eine hohe Dichtigkeit und ein gleiches Spiel über große Temperaturbereiche für ein weites Anwendungsfeld. Die Kohle-Graphit-Lagerung des Ventilschiebers in der Buchse bietet gute Laufeigenschaften auch dann, wenn das Fluid selbst hochviskos ist und extrem schlechte Schmiereigenschaften hat.
Die erste Zuleitung geht bevorzugt geradlinig in die Ableitung über. Damit wird der Fluidstrom durch die Mischkammer besonders wenig gestört. Diese Zuleitung wird noch bevorzugter für dasjenige Fluid verwendet, welches die Hauptkomponente des Mischfluids bilden soll, um diesen Effekt eines möglichst ungestörten Fluidstroms zu maximieren.
Vorteilhafterweise verbindet ein spitzwinklig angeordnetes Verbindungsstück die zweite Zuleitung mit der Ableitung. Damit fließt auch das zweite Fluid auf einem möglichst tangentialen Weg in die Ableitung ein, um einen gleichmäßigen Fluidstrom aufrecht zu erhalten. Alternativ zu einem spitzwinkligen Verbindungsstück kann auch ein bogenförmiges Verbindungsstück verwendet werden. Dadurch entsteht aber ein vergleichsweise höherer Druckabfall.
Das erste Fluid ist bevorzugt eine Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur und das zweite Fluid die gleiche Flüssigkeit mit einer zweiten Temperatur ungleich der ersten Temperatur. Dadurch wird also kein neues Fluid als Mischfluid gebildet, sondern eine gewünschte Mischtemperatur einer Flüssigkeit eingestellt. Diese Flüssigkeit wird oft als Temperiermedium einer wohldefinierten Temperatur eingesetzt. Beispielsweise handelt es sich um Silikonöl oder ein fluorhaltiges Lösungsmittel beziehungsweise Kühlmittel.
Die Flüssigkeit kann vorzugsweise eine Temperatur im Bereich von –100°C bis +300°C, insbesondere im Bereich von –50°C bis +200°C annehmen. Der Temperaturbereich könnte auch noch extremer sein. Dabei treten bei vielen Flüssigkeiten erhebliche Temperaturabhängigkeiten der Viskosität auf. Durch die Geometrie und Materialauswahl des Mischventils können Flüssigkeiten über diese hohe Temperaturspanne gemischt werden.
Der Ventilkörper, die erste Zuleitung, die zweite Zuleitung und die Ableitung sind bevorzugt aus dem zweiten Material hergestellt. Damit sind sämtliche Bestandteile des Mischventils beständig gegenüber den Fluiden und deren Temperaturschwankungen.
Vorzugsweise ist eine Ventilstange vorgesehen, die an ihrem einen Ende mit dem Ventilschieber und an ihrem anderen Ende in einem Kopplungsbereich mit einem Schrittmotor verbunden ist, um mit Hilfe des Schrittmotors in eine gewünschte Position gebracht zu werden. Der Ventilschieber wird somit motorisch in die für ein gewünschtes Mischungsverhältnis geeignete Position gebracht.
Die Schiebestange dient bevorzugt als thermische Entkopplung und beabstandet den Schrittmotor sowie den Kopplungsbereich von der Mischkammer. Damit wird der Kopplungsbereich und der Schrittmotor von den extremen Temperaturen der Fluide geschützt. Beispielsweise bei einer Temperatur von –100°C würde der Schrittmotor der Gefahr ausgesetzt einzufrieren, aber auch bei zu hohen Temperaturen Schaden nehmen. Der Abstand entspricht vorzugsweise mindestens die Länge, welche der Ausdehnung der Mischkammer entspricht, kann aber auch ein Mehrfaches betragen. Dadurch wird eine ausreichende thermische Entkopplung erreicht.
Der Kopplungsbereich ist bevorzugt von einem Kühlkörper umgeben. Dies ergänzt oder ersetzt die thermische Entkopplung und schützt den Schrittmotor und den Kopplungsbereich vor den Temperaturen der Fluide.
Vorzugsweise ist eine Gleitringabdichtung vorgesehen, um den Kopplungsbereich und den Schrittmotor gegenüber den Fluiden abzudichten. Damit wird der Kopplungsbereich und der Schrittmotor sowohl vor chemischen Angriffen als auch den Temperaturen durch unerwünschtes Eindringen der Fluide geschützt. Die Gleitringabdichtung kann zur verbesserten Effizienz auch doppelt ausgeführt sein.
In dem Kopplungsbereich ist bevorzugt ein mechanisches Entkopplungselement für den Schrittmotor und/oder ein Trapezgewinde zur Aufnahme von Axialkräften vorgesehen. Das schützt den Schrittmotor vor mechanischer Beschädigung, indem entsprechende Spannungen und Kräfte abgeleitet werden.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
1 eine Schnittzeichnung durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischventils;
2 eine Ausschnittsvergrößerung einer Mischkammer des Mischventils gemäß 1 in einer ersten Position eines Ventilschiebers; und
3 eine Ausschnittsvergrößerung der Mischkammer gemäß 2 in einer zweiten Position des Ventilschiebers.
1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischventils 10 in einer Schnittdarstellung. Das Mischventil 10 weist einen Ventilkörper 12 mit einer Mischkammer 14 darin auf. Eine erste Zuleitung 16 und eine dazu parallele zweite Zuleitung 18 führen zu dem Ventilkörper 12 und durch Öffnungen in dessen Seitenwandung in die Mischkammer 14 hinein. In der Zuleitung 16 strömt ein erstes Fluid, in der Zuleitung 18 ein zweites Fluid in die Mischkammer 14.
In der gegenüberliegenden Seitenwandung des Ventilkörpers 12 befindet sich in gerader Verlängerung der ersten Zuleitung 16 eine weitere Öffnung mit einer Ableitung 20, durch die ein in der Mischkammer 14 aus dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid entstehendes Mischfluid aus der Mischkammer 14 austreten kann. Entsprechend ist in gerader Verlängerung der zweiten Zuleitung 18 eine weitere Öffnung mit einem Verbindungsstück 22 vorgesehen, durch die ebenfalls das Mischfluid austreten kann. Das Verbindungsstück 22 knickt nach der Mischkammer 14 ab und mündet nach kurzer Strecke spitzwinklig in die Ableitung 20 ein. Mit den beiden Zuleitungen 16, 18 und der einen Ableitung 20 ist somit das Mischventil 10 nach dem Dreiwegeprinzip aufgebaut.
Ein gewünschtes Mischungsverhältnis wird durch einen Ventilschieber 24 hergestellt, der in der Mischkammer 14 in einer Buchse 26 quer zu den Zuleitungen 16, 18 verschieblich gelagert ist. Je nach Position des Ventilschiebers 24 in der Mischkammer 14 wird ein unterschiedlicher Anteil der Zuleitung 16 und der Zuleitung 18 versperrt und geöffnet.
Die 2 und 3 zeigen jeweils Ausschnittsvergrößerungen des Ventilkörpers 12 mit der Mischkammer 14. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in allen Figuren die gleichen Merkmale. In der in 2 dargestellten oberen Endposition des Ventilschiebers 24 ist die erste Zuleitung 16 vollständig geöffnet und die zweite Zuleitung 18 vollständig gesperrt. Das Mischfluid, das die Mischkammer 14 in dieser Situation verlässt, besteht somit allein aus dem ersten Fluid in der ersten Zuleitung 16. Dagegen ist in der in 3 dargestellten unteren Endposition des Ventilschiebers 24 die erste Zuleitung 16 vollständig gesperrt und die zweite Zuleitung 18 vollständig geöffnet. Deshalb besteht hier das Mischfluid, das die Mischkammer 14 verlässt, allein aus dem zweiten Fluid der zweiten Zuleitung 18. Zwischen diesen Extrempositionen des Ventilschiebers 24 werden die erste Zuleitung 16 und die zweite Zuleitung 18 in einem jeweils der Position entsprechenden Maße geöffnet und versperrt.
Die Position des Ventilschiebers 24 wird mit Hilfe eines Schrittmotors 28 verstellt, der in 1 nur als Block angedeutet ist. Der Schrittmotor 28 wirkt auf den oberen Bereich einer Ventilstange 30 ein, an deren unterem Ende sich der Ventilschieber 24 befindet. Um die mechanische Belastung gering zu halten, ist ein Entkopplungselement 32 vorgesehen, welches Motor 28 und Welle mechanisch entlastet. Weiterhin werden die Axialkäfte zur Entlastung des Schrittmotors 28 an einem Trapezgewinde 34 aufgenommen. Eine doppelte Gleitringabdichtung 36 schützt den den Kopplungsbereich zwischen Schrittmotor 28 und Ventilstange 30 vor den Fluiden. Außerdem ist der gesamte Kopplungsbereich von einem Kühlkörper 38 umgeben.
Eine bevorzugte Anwendung des Mischventils 10 ist die Bereitstellung einer Flüssigkeit einer gewünschten Temperatur. Dazu strömt in beiden Zuleitungen 16, 18 die gleiche Flüssigkeit, jedoch mit unterschiedlichen Temperaturen. In der Mischkammer 14 wird durch die Position des Ventilschiebers 24 ein Mischungsverhältnis eingestellt, damit das Mischfluid eine entsprechende Zwischentemperatur zwischen der Temperatur der Flüssigkeit in der ersten Zuleitung 16 und der Flüssigkeit in der zweiten Zuleitung 18 annimmt. Für eine automatische Regelung kann die Temperatur des Mischfluids in der Ableitung 20 gemessen und diese Information zur Steuerung des Schrittmotors 28 verwendet werden.
Das Mischventil 10 ist für eine sehr große Temperaturspanne von beispielsweise –50°C bis 200°C oder sogar von –100°C bis 300° und darüber hinaus ausgelegt. Damit diese extremen Temperaturen den Schrittmotor 28 nicht angreifen, dient die Ventilstange 30 als thermische Entkopplungsstrecke. Dazu ist die Ventilstange 30 länger ausgebildet, als dies für die Positionsverschiebung erforderlich wäre, zum Beispiel mindestens so lang wie die die Ausdehnung der Mischkammer 14, also der Verschiebebereich des Ventilschiebers 24, oder sogar ein Mehrfaches davon. Dies schützt den Schrittmotor 28 und den Kopplungsbereich vor Einfrieren oder Schäden durch Überhitzen.
Nicht nur die extremen Temperaturen, sondern auch die verschiedenen Fluide können das Mischventil 10 beschädigen oder dessen Funktion beeinträchtigen. Um beständig gegenüber chemisch aggressiven Fluiden zu sein, sind Ventilkörper 12, Zuleitungen 16, 18, Ableitung 20 und Verbindungsstück 22 aus gehärtetem Edelstahl hergestellt. Die Buchse 26 dagegen ist aus Kohle-Graphit hergestellt. Das sorgt für eine schmierfreie Lagerung des Ventilschiebers 24, so dass dieser sich seine Beweglichkeit unabhängig von den Fluiden erhält.
Gerade auch die Kombination verschiedenartige Fluide und eine hohe Temperaturspanne stellen besondere Ansprüche. Die Fluide zeigen unter den verschiedenen Temperaturen zum Teil höchst unterschiedliche Viskositäten. Die Geometrie des Mischventils 10, das ohne Umlenkungen auskommt, unterstützt einen ungestörten Fluidstrom mit geringem Druckabfall.
Die Materialien, also der Edelstahl insbesondere des Ventilschiebers 24, aber auch der anderen Komponenten auf der einen Seite und die Kohle-Graphit-Buchse 26 auf der anderen Seite sind hinsichtlich ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten optimal aufeinander abgestimmt. Damit ist das Schließverhalten des Mischventils 10 weitestgehend unabhängig von den Temperaturen der Fluide. Über den gesamten Temperaturbereich bleibt eine formschlüssige Passung des Ventilschiebers 24 in der Buchse 26 gewahrt, und es treten keine Undichtigkeiten auf, die zu Strömungskurzschlüssen und damit einem ungenauen Mischungsverhältnis führen würden.

Claims

Mischventil (10) nach dem Dreiwegeprinzip mit einem Ventilkörper (12), der eine erste Zuleitung (16) für ein erstes Fluid und eine zweite Zuleitung (18) für ein zweites Fluid sowie eine Ableitung (20) für ein Mischfluid aus dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid aufweist, sowie mit einer in dem Ventilkörper (12) angeordneten Mischkammer (14), um das erste Fluid und das zweite Fluid zusammenzuführen und so das Mischfluid zu bilden, wobei die Zuleitungen (16, 18) partiell versperrbar sind, um die Anteile des ersten Fluids und des zweiten Fluids an dem Mischfluid zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zuleitung (16) in einer gemeinsamen Längsrichtung parallel zu der zweiten Zuleitung (18) angeordnet ist, dass die Mischkammer (14) eine Buchse (26) aufweist, in welcher ein in Richtung quer zu der Längsrichtung zwischen der ersten Zuleitung (16) und der zweiten Zuleitung (18) beweglicher Ventilschieber (24) vorgesehen ist, der positionsabhängig unterschiedliche Anteile des Querschnitts der ersten Zuleitung (16) und der zweiten Zuleitung (18) sperrt oder öffnet, dass die Buchse (26) ein erstes Material mit Kohle-Graphit und die Mischkammer (14) sowie der Ventilschieber (24) ein zweites Material mit Edelstahl aufweisen und dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Materials und des zweiten Materials derart aufeinander abgestimmt sind, dass der Ventilschieber (24) unabhängig von Temperaturveränderungen formschlüssig in der Buchse (26) angeordnet ist und so Schließverhalten und Dichtigkeit von Ventilschieber (24), Buchse (26) und Mischkammer (14) erhalten bleiben.
Mischventil (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Zuleitung (16) geradlinig in die Ableitung (20) übergeht.
Mischventil (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein spitzwinklig angeordnetes Verbindungsstück (22) die zweite Zuleitung (18) mit der Ableitung (20) verbindet.
Mischventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Fluid eine Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur und das zweite Fluid die gleiche Flüssigkeit mit einer zweiten Temperatur ungleich der ersten Temperatur ist.
Mischventil (10) nach Anspruch 4, wobei die Flüssigkeit eine Temperatur im Bereich von –100°C bis +300°C, insbesondere im Bereich von –50°C bis +200°C annehmen kann.
Mischventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ventilkörper (12), die erste Zuleitung (16), die zweite Zuleitung (18) und die Ableitung (20) aus dem zweiten Material hergestellt sind.
Mischventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ventilstange (30) vorgesehen ist, die an ihrem einen Ende mit dem Ventilschieber (24) und an ihrem anderen Ende in einem Kopplungsbereich mit einem Schrittmotor (28) verbunden ist, um mit Hilfe des Schrittmotors (28) in eine gewünschte Position gebracht zu werden.
Mischventil (10) nach Anspruch 7, wobei die Schiebestange (30) als thermische Entkopplung dient und den Schrittmotor (28) sowie den Kopplungsbereich von der Mischkammer (14) beabstandet, insbesondere mindestens um eine Länge, welche der Ausdehnung der Mischkammer (14) entspricht.
Mischventil nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Kopplungsbereich von einem Kühlkörper (38) umgeben ist.
Mischventil (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei eine Gleitringabdichtung (36) vorgesehen ist, um den Kopplungsbereich und den Schrittmotor (28) gegenüber den Fluiden abzudichten.
Mischventil (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei in dem Kopplungsbereich ein mechanisches Entkopplungselement (32) für den Schrittmotor (289 und/oder ein Trapezgewinde (36) zur Aufnahme von Axialkräften vorgesehen ist.