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Die Erfindung betrifft ein kompaktes Stellgerät für einen thermischen Verbraucher, wie einen Heizkörper, einem Kühlkörper oder dergleichen, den betriebsgemäß ein Arbeitsfluid durchströmt. Das Stellgerät kann Teil einer Stellgeräteanordnung mit einem thermischen Verbraucher sein und dient dazu, bei der Fabrik-, Prozess- oder Gebäudeautomatisierung die Temperatur eines thermischen Verbrauchers eines Heiz- oder Kühlsystems zu regeln.
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Bekannte Stellgeräte der oben genannten Art umfassen ein Stellventil, ein Gehäuse, in dem sich ein Stellantrieb für das Ventilglied und eine Regelungselektronik zum Steuern des Stellantriebs und einen Temperatursensor, der die Temperatur des Arbeitsfluids stromabwärts des thermischen Verbrauchers, also in dessen Nachlauf, bestimmt. Die Regelungselektronik empfängt ein Temperatursignal des Nachlauftemperatursensors und steuert in Abhängigkeit davon, ob die Nachlauftemperatur größer oder kleiner als ein Nachlauftemperatursollwert ist, die Öffnungsweite des Stellventils, um anhand der Menge des Arbeitsfluids, das dem thermischen Verbraucher bereitgestellt wird, eine gewünschte Nachlauftemperatur zu erreichen. Das Ventil ist dem Verbraucher gattungsgemäß vorgeschaltet, also üblicherweise im Vorlauf des Verbrauchers angeordnet. Ein bewährtes Ventil zum Einstellen des Durchflusses oder auch indirekt zum Einstellen der Temperatur einer Flüssigkeit ist aus
DE 195 19 638 C2 bekannt.
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Beim Einsatz eines Stellgeräts zur Regelung eines Heiz- oder Kühlkreislaufs in der Gebäudeautomatisierung kommt es unter anderem darauf an, dass das Stellgerät schnell und in möglichst wenigen Schritten montiert werden kann und einfach an ein bestehendes Rohrleitungssystem anpassbar ist.
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Herkömmliche Stellgeräte zur Temperaturregelung eines thermischen Verbrauchern, beispielsweise einer Heizung, regeln einen Zuflussstrom beispielsweise heißen Wassers zu dem Verbraucher anhand der Abeitsfluidtemperatur im Nachlauf des thermischen Verbrauchers, sodass die Abeitsfluidtemperatur in dem Verbraucher fortwährend um eine Soll-Temperatur schwankt. Dabei kann die Ist-Temperatur des Verbrauchers einerseits deutlich nach oben abweichen, sodass beim Berühren etwa einer Heizung Verbrennungsgefahr besteht, aber andererseits auch deutlich nach unten abweichen, sodass beispielsweise eine gewünschte Heizwirkung nicht erreicht wird. Außerdem wird durch das fortwährende Schwanken der Ist-Abeitsfluidtemperatur im thermischen Verbraucher keine konstante Wärmeabgabe- oder Wärmeaufnahmetemperatur und somit kein effizientes Heizen- oder Kühlen gewährleistet.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, insbesondere ein kompaktes Stellgerät für einen thermischen Verbraucher, wie einen Heizkörper, einen Kühlkörper oder dergleichen, oder eine Stellgeräteanordnung zum energieeffizienten Regeln der Verbrauchertemperatur eines Heiz- oder Kühlsystems zur Gebäude- oder Fabrikautomatisierung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 12 und 13 gelöst.
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Demnach ist ein Stellgerät für einen thermischen Verbraucher vorgesehen, also einen Wärme- oder Kälteverbraucher, wie ein Heizkörper, ein Heizkreislauf, ein Kühlkörper, eine Kühldecke, ein Kühlkreislauf oder dergleichen, den betriebsgemäß ein Arbeitsfluid durchströmt, wie Wasser, insbesondere destilliertem oder deionisiertem Wasser, Öl oder Alkohol. Das Arbeitsfluid hat beim Einströmen in den thermischen Verbraucher betriebsgemäß üblicherweise eine Temperatur, die sich von der Umgebungstemperatur des thermischen Verbrauchers unterscheidet. Ist der thermische Verbraucher einen Heizkörper, so ist die Eingangstemperatur des Arbeitsfluids höher als die der Umgebung, die durch den Heizkörper zu heizen ist. Realisiert der thermische Verbraucher einen Kühlkörper, so ist die Eingangstemperatur des Arbeitsfluids geringer als die Umgebungstemperatur des Kühlkörpers. Je nach Anwendung ist das Arbeitsfluid also ein Heizfluid, das Wärmeenergie zu dem thermischen Verbraucher transportiert und im thermischen Verbraucher abgibt, oder ein Kühlfluid, das in dem thermischen Verbraucher Kalte abgibt und dadurch Wärmeenergie aufnimmt und aus dem thermischen Verbraucher abzieht.
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Das Stellgerät umfasst ein Stellventil zum Einstellen der Arbeitsfluidströmung, also der Menge des Arbeitsfluids, welches durch das Ventil und den thermischen Verbraucher strömt. Das Stellventil hat ein Ventilgehäuse, das an Abschnitten einer Leitung für das Arbeitsfluid anschließbar ist, und ein stellbares Ventilglied zum Verschließen oder einstellbaren Definieren eines Durchströmungsquerschnitts für das Arbeitsfluid, um so die Arbeitsfluidströmung einzustellen. Ein Gehäuse des Stellgeräts stellt einen abgekapselten Raum bereit, der gegenüber seiner Umgebung fluiddicht und staubdicht abgeschlossen ist. Das Stellgerätegehäuse ist vorzugsweise aus einem starren, temperaturresistenten Material, wie Metall oder einem Duroplast, gebildet und insbesondere dazu ausgelegt, Wärme aus dem Gehäuseinneren nach außen zu transportieren. Das Gehäuse kann auch explosionssicher ausgelegt sein. In dem Gehäuse des Stellgeräts sind zumindest ein Teil der elektronischen Bestandteile des Stellgeräts angeordnet, sodass diese von Umgebungseinflüssen, wie Temperatur oder Feuchtigkeit, geschützt sind und damit der Benutzer nicht sämtliche Stellgerätbestandteile einzeln montieren braucht. In dem Gehäuse sind zumindest ein Antrieb zum Stellen des Ventilglieds angeordnet, der insbesondere mittels einer Antriebsstange oder -welle vorzugsweise kraftschlüssig mit dem Ventilglied verbunden ist, und eine Regelungselektronik, wie ein Mikrocontroller, die signalübertragungsmäßig mit dem Stellantrieb verbunden ist und dem Stellantrieb ein Steuersignal vorgibt, anhand dessen der Stellantrieb das Ventilglied bewegt. Zum Ermitteln einer Nachlauftemperatur des Arbeitsfluids stromabwärts des thermischen Verbrauchers hat das Stellgerät einen ersten Temperatursensor am Ausgang des Verbrauchers oder in dessen Nachlauf. Ein Temperatursensor kann beispielsweise ein Bimetall, ein Infrarot-Sensor, ein Halbleiter-Temperatursensor oder dergleichen sein. Der erste Temperatursensor oder Nachlauftemperatursensor und die Regelungselektronik sind signalübertragungsmäßig miteinander verbunden, das heißt, dass der Temperatursensor seine Temperaturmesswerte zum Beispiel über ein Kabel oder per Funk an die Regelungselektronik übermittelt.
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Erfindungsgemäß umfasst das Stellgerät einen zweiten Temperatursensor zum Erfassen einer Vorlauftemperatur, das heißt einer Temperatur des Arbeitsfluids stromaufwärts des thermischen Verbrauchers, bevor oder spätestens wenn das Arbeitsfluid einen Eingang des thermischen Verbrauchers erreicht, also einen Vorlauftemperatursensor. Der zweite Temperatursensor kann das gleiche oder ein anderes Messprinzip wie der erste Temperatursensor nutzen und ist ebenfalls signalübertragungsmäßig mit der Regelungselektronik verbunden. Das Gehäuse des Stellgeräts weist ein Bedienpanel zum Konfigurieren des Stellgeräts durch einen Benutzer auf. Über das Bedienpanel ist der Regelungselektronik wenigstens als Benutzervorgabe eine Nachlauf-/Vorlauftemperatur-Soll-Differenz vorgebbar, die einen gewünschten Temperaturunterschied zwischen der Nachlauftemperatur des Arbeitsfluids und der Vorlauftemperatur repräsentiert. Eine tatsächliche Temperatur-Ist-Differenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Nachlauftemperatur bestimmt die Regelungselektronik, beispielsweise indem sie von dem ersten Temperatursensor ein Nachlauftempertursignal und von dem zweiten Temperatursensor ein Vorlauftemperatursignal empfängt und einen Temperatur-Ist-Differenzwert bildet. Abhängig von der Temperatur-Ist-Differenz und der Nachlauf-/Vorlauftemperatur-Soll-Differenz erzeugt die Regelungselektronik das Steuersignal zur Vorgabe für den Stellantrieb. Das Bestimmen einer Temperatur-Ist-Differenz zwischen der Nachlauftemperatur und der Vorlauftemperatur eines thermischen Verbrauchers dient dazu, ein Maß der Energieeffizienz eines durch das Stellgerät zu regelnden Heiz- oder Kühlprozesses zu erhalten. Mit dem erfindungsgemäßen Stellgerät kann dann eine Regelung erfolgen, die eine möglichst energieeffiziente Wärme- oder Kälteversorgung des thermischen Verbrauchers durch das Arbeitsfluid zum Ziel hat, beispielsweise indem eine möglichst kleine Temperatur-Ist-Differenz angestrebt wird. Durch das Anordnen der Regelungselektronik, des Stellantriebs und des Eingabepanels im oder am Gehäuse ergibt sich außerdem der Vorteil, dass einem Benutzer eine zentrale Anlaufstelle zum manuellen Konfigurieren des Stellgeräts bereit steht. Ein und derselbe thermische Verbraucher kann mit ein und demselben Stellgerät je nach Einstellung der Vorlauftemperatur als Heizkörper oder als Kühlkörper betrieben werden. Wird der thermische Verbraucher als Heizkörper betrieben, kann das Ventil einen verhältnismäßig kleinen Teil des Durchströmungsquerschnitts freigeben, vorzugsweise höchstens 25% oder höchstens 10% des maximalen Durchströmungsquerschnitts. Wird der thermische Verbraucher als Kühlkörper betrieben, kann das Ventil einen verhältnismäßig großen Teil des Durchströmungsquerschnitts freigeben, vorzugsweise mindestens 75% oder mindestens 90% des maximalen Durchströmungsquerschnitts. Die Erfinder haben festgestellt, dass die durchschnittliche Arbeitsfluidtemperatur im thermischen Verbraucher durch das erfindungsgemäße Stellgerät in beiden Betriebsarten, Kühlen und Heizen, sehr stabil, präzise und effiziente regelbar ist.
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Vorzugweise weist das Bedienpanel zumindest eine gehäuseaußenseitig sichtbare Ableseeinheit auf, zum Beispiel eine digitale Anzeigeeinheit, wie ein LCD-Display, oder eine Analoganzeige, wie eine Drehscheiben-, Balken- oder Zeigerskala. Eine Ableseeinheit kann beispielsweise die Vorlauftemperatur, die Nachlauftemperatur, die Temperatur-Ist-Differenz und/oder die Temperatur-Soll-Differenz anzeigen, also auch mehrere von Sensoren gemessene oder der Regelungselektronik berechneten Werte. Die Ableseeinheit ist so für einen Benutzer lesbar, ohne dass er das Stellgehäuse öffnen muss.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das komplette Bedienpanel außenseitig an dem Gehäuse angeordnet, sodass insbesondere die innerhalb des Gehäuses angeordnete Elektronik nicht während einer Eingabe durch den Benutzer ungeschützt ist. Das Bedienpanel ist insbesondere an einem Teil des Gehäuses angeordnet, das vom übrigen Gehäuse abnehmbar ist, wie einem Deckel oder einer Blende. Das Bedienpanel kann eine Ableseeinheit und ein separates ein Eingabefeld mit Knöpfen, Tasten, Drehgebern oder dergleichen haben oder beispielsweise als berührungsempfindliches Touch-Display die Ableseeinheit und das Eingabefeld in Funktionsunion realisieren.
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Vorzugsweise hat das Stellgerät zumindest einen Sensor, wie ein Schwerkraftsensor, zum Erkennen einer räumlichen Lage des Bedienpanels, um zu erfassen, in welche Richtung die für den Benutzer zugängliche Oberfläche des Bedienpanels zeigt. Vorzugsweise ist die Orientierung des Bedienpanels relativ zu dem Gehäuse abhängig von dieser räumlichen Lage, die der Lagesensor erfasst, insbesondere einstellbar. Vorzugsweise ist die Ableseeinheit mittels des Lagesignals des Lagesensors insbesondere stets so orientiert, dass sie in Horizontalrichtung ablesbar ist, indem beispielsweise bei einer Ableseeinheit in Form eines LCD-Displays bei einer Neigung des Gehäuses die Ziffern auf dem Display eine etwa gleich große, gegenläufige Neigung erfahren.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung ist das Gehäuse unmittelbar, insbesondere ohne Joch, Laterne oder dergleichen, an dem Ventil befestigt. Das Ventil weist vorzugsweise das Ventilglied, das Ventilgehäuse und einen Ventilsitz auf, der zusammen mit dem Ventilglied eine Durchströmungsöffnung definierend oder verschließend zusammenwirkt, sowie eine Durchführöffnung zum Durchführen einer Antriebsstange oder -welle, die durch den Stellantrieb betätigt ist und an deren ventilseitigem Ende das Ventilglied befestigt ist. Vorzugsweise ist das Gehäuse direkt oder unmittelbar an dem Ventil befestigt, jedoch insbesondere ohne eine Kopplungsstruktur, wie eine Laterne, eine Antriebsstangen- oder Antriebswellenführung oder ein Joch, sodass ein direkter Zugriff von außen auf die Stellstange oder -welle nicht möglich ist. Insbesondere ist das Stellgerätegehäuse im Bereich einer Durchgangsöffnung des Ventilgehäuses für eine Antriebsstange oder -welle zum Betätigen des Stellventils durch den Stellantrieb befestigt, vorzugsweise an einem Flanschabschnitt des Ventilgehäuses oder mithilfe einer Überwurfmutter, welche mit einem am Ventilgehäuse angeordneten Gewinde und/oder einem Gewinde am Stellgerätegehäuse verschraubt ist. Dies bietet den Vorteil, dass ein Antriebsglied zur Kopplung des Stellantriebs an das Ventilglied vor äußeren Einflüssen geschützt ist und der notwendige Bauraum des Stellgeräts möglichst klein ist.
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Vorzugsweise umfasst die Arbeitsfluidleitung stromaufwärts des thermischen Verbrauchers das Stellventil. Wenn das Ventil von dem Arbeitsfluid durchströmt werden muss, bevor das Arbeitsfluid den thermischen Verbraucher erreicht, ist durch das Schließen des Ventils sichergestellt, dass kein frisches, kaltes oder heißes, Arbeitsfluid mehr den thermischen Verbraucher erreicht und sich dessen Temperatur seiner Umgebung angleicht. Bei einer anderen bevorzugten Ausführung des Stellgeräts umfasst die Arbeitsfluidleitung stromabwärts des thermischen Verbrauchers das Ventil. Ist das Ventil hinter dem thermischen Verbraucher angeordnet, also im Nachlauf des Verbrauchers, kann besonders schnell auf die Nachlauftemperatur Einfluss genommen werden. Anders als das Ventil muss der Nachlauftemperatursensor stets stromabwärts und der Vorlauftemperatursensor stets stromaufwärts des thermischen Verbrauchers angeordnet sein, so dass eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur vor oder am Eingang und der Temperatur am oder hinter den Ausgang des thermischen Verbrauchers ermittelt werden kann. Der erste und zweite Temperatursensor eines Stellgeräts sind also nie beide im Vorlauf oder beide im Nachlauf des thermischen Verbrauchers angeordnet, dessen Arbeitsfluidströmung das Stellgerät regelt. Insbesondere ist einem thermischen Verbraucher genau ein Stellgerät zugeordnet.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung bildet das Ventil zumindest einen Teil der Arbeitsfluidleitung, die sich zwischen dem thermischen Verbraucher und dem ersten Temperatursensor erstreckt oder einen Teil der Arbeitsfluidleitung, die sich zwischen dem zweiten Temperatursensor und dem thermischen Verbraucher erstreckt. Wenn das Ventil derart angeordnet ist, kann es im geschlossenen Zustand eine thermische Barriere zwischen dem Arbeitsfluid im thermischen Verbraucher und dem Arbeitsfluid jenseits des Stellventils bereitstellen.
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Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Arbeitsfluidleitung stromaufwärts des zweiten Temperatursensors oder stromabwärts des ersten Temperatursensors das Ventil. Diese Anordnungen erlauben eine besonders stabile Temperaturregelung, indem insbesondere bei geschlossenem Ventil eine Minimierung der Temperatur-Ist-Differenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Nachlauftemperatur des thermischen Verbrauchers durch Wärmeaustausch innerhalb des Verbrauchers einfach erreichbar ist. Außerdem ermöglicht sich so eine flexible modulweise Anbringung der Bestandteile des Stellgeräts an einem bestehenden Heiz- oder Kühlsystem, was die Montage vereinfacht.
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Vorzugsweise weist die Regelungselektronik eine Regelungsroutine zum Bestimmen der Temperatur-Ist-Differenz und/oder zum Erzeugen des Steuersignals auf. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat die Regelungselektronik einen Mikrocontroller insbesondere mit einem Mikroprozessor und einem Speichermodul sowie zumindest einem Ein-/Ausgabemodul. Vorzugsweise ist auf dem Mikrocontroller eine Regelungsroutine hinterlegt und/oder die Bestandteile des Mikrocontrollers führen die Regelungsroutine durch. Die Regelungselektronik ist vorzugsweise in einem separat gekapselten Abteil des Stellgerätgehäuses untergebracht, das eine eigene Fluidabdichtung hat. Die Regelungselektronik, insbesondere die Ein-/Ausgabemodul des Mikrocontrollers, kann ein Nachlauf-/Vorlauftemperatur-Soll-Differenzsignal von dem Bedienpanel empfangen, welches eine Benutzervorgabe für die Nachlauf-/Vorlauftemperatur-Soll-Differenz repräsentiert, sowie Temperatursignale des Vorlauftemperatursensors (also des zweiten Temperatursensors) und des Nachlauftemperatursensors (also des ersten Temperatursensors), sowie weitere Eingabe- oder Sensorsignale.
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Bei einer bevorzugten Ausführung bestimmt die Regelungselektronik des Stellgeräts das Steuersignal, vorzugsweise zum Minimieren der Temperatur-Ist-Differenz, derart, dass der Stellantrieb durch das Steuersignal veranlasst ist, die Arbeitsfluidströmung zu vergrößern, insbesondere das Ventilglied zu verfahren, um den Durchströmungsquerschnitt zu vergrößern, damit bei ansonsten gleichen Bedingungen mehr Arbeitsfluid durch das Ventil strömen kann, wenn die Temperatur-Ist-Differenz größer als die Temperatur-Soll-Differenz ist. Wenn der thermische Verbraucher eine Heizung ist, ist die Vorlauftemperatur üblicherweise größer als die Nachlauftemperatur, da die Heizung Wärme des Arbeitsfluids an ihre Umgebung überträgt. Bei einer konstanten Umgebungstemperatur des thermischen Verbrauchers lässt sich so die Vorlauftemperatur an die Nachlauftemperatur angleichen und dadurch die Temperatur-Ist-Differenz minimieren.
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Vorzugsweise ermittelt die Regelungselektronik, ob die Nachlauftemperatur und/oder die Vorlauftemperatur einen Temperaturgrenzwert, insbesondere einen Temperaturmaximalwert, überschreitet, oder, insbesondere einen Temperaturminimalwert, unterschreitet. Sollte die Regelungselektronik erkennen, dass einer der beiden Temperaturmesswerte den Temperaturgrenzwert je nach Einstellung des Stellgeräts überschreitet oder unterschreitet, erzeugt die Regelungselektronik, insbesondere der Mikrocontroller, ein Steuersignal, der das vollständige Schließen oder Öffnen des Ventils, insbesondere dessen Durchströmungsquerschnitts, veranlasst. Überwacht die Regelungselektronik die Vorlauftemperatur, ist sichergestellt, dass bei einem exzessiven Abzug von Wärme oder Kälte aus dem thermischen Verbraucher, die Zufuhr von Arbeitsfluid an den thermischen Verbraucher gestoppt wird, zum Beispiel falls der thermische Verbraucher eine Kühldecke ist und der durch die Kühldecke gekühlte Raum gegenüber einer sommerlich warmen Umgebung geöffnet würde, sodass die Kühlung durch den thermischen Verbraucher ineffizient ins Leere liefe. Vorzugsweise ist der mindestens eine Temperaturgrenzwert der Regelungselektronik über das Bedienpanel vorgebbar.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Temperaturgrenzwert dann einen Temperaturminimalwert, wenn das Arbeitsfluid im thermischen Verbraucher, wie eine Kühldecke, Wärme aufnimmt, oder einen Temperaturmaximalwert, wenn das Arbeitsfluid im thermischen Verbraucher, wie einen Heizkörper, Wärme abgibt. Vorzugsweise ist bei einem wärmeabgebenden thermischen Verbraucher einen Temperaturmaximalwert vorgegeben, anhand dem die Regelungselektronik beispielsweise die Nachlauftemperatur überprüft, um sicherzustellen, dass der thermische Verbraucher eine bestimmte Maximaltemperatur nicht überschreitet, so dass eine Überhitzung des Verbrauchers vermieden wird. Ein Steuersignal, dass von der Regelungselektronik, insbesondere dem Microcontroller, abgegeben wird, weil ein Temperaturmesswert einen Temperaturgrenzwert über- oder unterschreitet, ist folglich ein Sicherheits-Steuersignal.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Stellantrieb eine elektrischer Antrieb, wie einen Elektromotor, insbesondere ein Schrittmotor. Ein elektrischer Stellantrieb ist unabhängig von der Zufuhr zusätzlicher Hilfsenergie, wie pneumatischer oder hydraulischer Hilfsenergie, und erlaubt so ein besonders einfaches und kompaktes Stellgerät. Vorzugsweise veranlasst das Steuersignal den Stellantrieb dazu, das Ventilglied, insbesondere zum Vergrößern des Durchströmungsquerschnitts, schrittweise zu verfahren, wobei insbesondere zwischen einzelnen Verfahrensschritten ein minimaler Zeitabstand gewahrt bleibt. Auf einfache Weise ist eine stabile Regelung ermöglicht.
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Die Erfindung betrifft auch eine Stellgeräteanordnung umfassend einen thermischen Verbraucher und einen Heiz- oder Kühlkörper, den betriebsgemäß ein Arbeitsfluid durchströmt. Die Stellgeräteanordnung umfasst auch eine Arbeitsfluidleitung zum Transportieren des Arbeitsfluids zu dem thermischen Verbraucher und eine Arbeitsfluidleitung zum Abtransportieren des Arbeitsfluids aus dem Verbraucher sowie ein erfindungsgemäßes Stellgerät. Die Arbeitsfluidleitung kann zumindest teilweise thermisch isoliert oder gedämmt sein. Entweder in der Arbeitsfluidleitung stromaufwärts des thermischen Verbrauchers oder in der eine Arbeitsfluidleitung stromabwärts des thermischen Verbrauchers ist das Stellventil des Stellgeräts angeordnet.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Heiz- oder Kühlsystem umfassend zwei oder mehr Stellgeräteanordnungen, insbesondere sämtliche Stellgeräteanordnungen einer Fabrik oder eines Gebäudes, sowie einen thermischen Versorger, wie eine Wärme- oder Kältequelle, zum Erwärmen- oder Abkühlen des Arbeitsfluids. Eine Wärmequelle kann beispielsweise ein zentraler Boiler, ein Wärmetauscher zum Anbinden des Heizsystems an ein Fernwärmesystem oder ein Durchlauferhitzer sein. Eine Kältequelle kann als Wärmetauscher einer Kühleinheit realisiert sein. Das Heiz- oder Kühlsystem umfasst auch ein Arbeitsfluidleitungssystem zum Verbinden der Stellgeräteanordnungen mit dem thermischen Versorger, insbesondere zum Verbinden eines einzelnen thermischen Versorgers mit mehreren Stellgeräteanordnungen eines Heiz- oder Kühlsystems. Erfindungsgemäß sind zumindest zwei der Stellgeräteanordnungen parallel an dem Arbeitsfluidleitungssystem angebunden, das heißt, stromaufwärts jeder Stellgeräteanordnung durchströmt das Arbeitsfluid eine Abzweigung, durch die das Arbeitsfluid in einzelne Ströme zu den einzelnen Stellgeräteanordnungen unterteilt wird. Das Arbeitsfluid fließt also anders gesagt, nachdem es von dem thermischen Versorger erwärmt oder abgekühlt wurde, entweder durch eine erste Stellgeräteanordnung oder durch eine andere Stellgeräteanordnung, in der das erwärmte Arbeitsfluid Wärme abgibt oder das abgekühlte Arbeitsfluid Wärme aufnimmt. Durch eine derartige parallele Anordnung von Stellgeräteanordnungen an einem Arbeitsfluidleitungssystem kann eine besonders effiziente Wärme- oder Kälteversorgung eines Gebäudes automatisiert verwirklicht werden, da an jeder einzelnen Stellgeräteanordnung der individuelle Arbeitsfluidstrom energieeffizient geregelt ist. So kann in dem insbesondere thermisch isolierten oder thermisch gedämmten Arbeitsfluidleitungssystem ein Arbeitsfluid mit möglichst effizienter Temperatur vorgehalten werden. Je nach Bedarf der einzelnen Stellgeräteanordnungen des Systems können deren verbraucherindividuelle Stellgeräte die Arbeitsfluidströmung verbraucherindividuell anpassen, und so ein energetisch hocheffizientes Heiz- oder Kühlsystem realisieren.
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Weitere Eigenschaften, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Stellgeräteanordnung mit einem Stellgeräts und einem Verbraucher;
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführung eines Stellgeräts gemäß der Erfindung mit einem thermische Verbraucher; und
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3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellgeräts.
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In 1 ist ein kompaktes, erfindungsgemäßes Stellgerät im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 1 versehen und eine erfindungsgemäße Stellgeräteanordnung im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 2. Mit dem kompakten Stellgerät ist die Strömung des Arbeitsfluids zu einem Verbraucher 9, wie einen Heizkreis oder einem Kühlkreis, beispielsweise einem Heizkörper oder einer Kühldecke, geregelt, und somit auch die Temperatur beziehungsweise die Wärmezufuhr oder Kältezufuhr zu dem thermischen Verbraucher 9 durch das Arbeitsfluids. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Stellgerät 1 mit jeder Art von Wärmetauscher oder Wärmeübertrager als thermischem Verbraucher 9 verwendet werden, durch den zur Erwärmung oder Kühlung ein Arbeitsfluid fließt, wenn eine effiziente Erwärmung oder Kühlung durch den Wärmetauscher gewünscht ist und insbesondere nur eine Arbeitsfluidversorgungsleitung vorgesehen ist. Zur Bereitstellung des Arbeitsfluids für den thermischen Verbraucher 9 ist eine nicht dargestellte Arbeitsfluidpumpe oder Arbeitsfluidquelle vorgesehen, die die Strömungsrichtung 27 des Arbeitsfluids vorgibt. Der thermische Verbraucher 9 ist Teil einer Anlage zur Fabrikautomatisierung oder Gebäudeautomatisierung (nicht dargestellt). Vorzugsweise ist jedem thermischen Verbraucher 9 nur ein erfindungsgemäßes Stellgerät 1 zugeordnet.
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Das Stellgerät 1 umfasst ein Stellventil 3, dessen Gehäuse 37 einen Eingangsanschluss 38 und einen Ausgangsanschluss 39 hat, um das Ventil an Rohre oder Schläuche einer Arbeitsfluidleitung 21 anzuschließen, die hier stromaufwärts vor dem thermischen Verbraucher 9 liegen und durch die das Arbeitsfluid in Strömungsrichtung 27 fließen muss, bevor es zum thermischen Verbraucher 9 gelangt. In 1 ist das Ventil 3 in einem horizontalen Abschnitt der Arbeitsfluidleitung 21 angeordnet und das Gehäuse 5 des Stellgeräts 1 vertikal darüber. Die Arbeitsfluidleitungen 21, 23 sind im Wesentlichen vollständig von einem (nicht abgebildeten) thermischen Dämmmaterial umhüllt. Das Arbeitsfluid durchströmt bei geöffnetem Stellventil 3 die Arbeitsfluidleitungen 21, 23 und den thermischen Verbraucher.
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Zwischen einem Eingangsanschluss 38 und einem Ausgangsanschluss 39 hat das Ventil 3 einen Ventilsitz 35, der in struktureller Einheit mit dem Gehäuse 37 des Ventils 3 gebildet ist und eine Öffnung bereitstellt, durch das Arbeitsfluid fließen kann. Der Ventilsitz 35 wirkt zusammen mit einem Ventilglied 31, das eine einstellbare Position gegenüber dem ortsfesten Ventilsitz 35 einnehmen kann, so dass der Durchfluss- oder Durchströmungsquerschnitt des Ventils 3 durch zusammenwirken des Ventilglieds 31 mit dem Ventilsitz 35 variabel eingestellt, oder sogar vollständig verschlossen werden kann. Das Ventilglied 31 hat eine Stell- beziehungsweise Antriebsstange- oder welle 34, über die es mit einem (nicht dargestellten) Stellantrieb im Gehäuse 5 form- oder kraftschlüssig verbunden ist, so dass der Stellantrieb die Position des Ventilglieds relativ zum Ventilsitz 35 festlegt. Je nach Ventilbauart wird das Ventilglied 31 relativ zum Ventilsitz 35 mit einer Antriebswelle verdreht oder mit einer Antriebsstange axial verschoben, um den Durchströmungsquerschnitt des Ventils zu vergrößern oder zu verkleinern.
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Alle Bauteile, die sich in Durchflussrichtung 27 hinter dem thermischen Verbraucher 9 an der Arbeitsfluidleitung 23 befinden, sind im sogenannten Nachlauf des Verbrauchers 9. Die Bauteile stromaufwärts des thermischen Verbrauchers 9 befinden sich in dessen Vorlauf.
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In einem Rohr der Arbeitsfluidleitung 21 im Vorlauf des thermischen Verbrauchers 9 ist ein Sensor 11 angeordnet, um die Temperatur des Arbeitsfluids im Vorlauf des thermischen Verbrauchers 9 zu messen. In einem Rohr oder Schlauch, den das Arbeitsfluid erst nach dem thermischen Verbraucher 9 passiert, ist ein Nachlauftemperatursensor 13 angeordnet. Der Nachlauftemperatursensor 13 misst die Temperatur des Arbeitsfluids, das den thermischen Verbraucher 9 verlässt. Wenn der thermische Verbraucher 9 einen Heizkörper ist, misst der Nachlauftemperatursensor 13 also üblicherweise eine niedrigere Temperatur als der Vorlauftemperatursensors 11. Der Nachlauftemperatursensor kann auch als erster Temperatursensor bezeichnet werden und der Vorlauftemperatursensor entsprechend als zweiter Temperatursensor.
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Mittels einer Überwurfmutter 33 ist das Stellgerätegehäuse 5 an dem Ventilgehäuse 37 befestigt die Verbindung kann beispielsweise eine Dichtscheibe oder ähnliches umfassen. Ein Joch oder eine Laterne ist zwischen dem Stellventil 3 und dem Gehäuse 5 nicht vorgesehen. Die Antriebsstange 34 verläuft von dem Ventilglied 31 durch einen Hals 36 des Ventils und durch die Öffnung der Überwurfmutter 33 in das Stellgerätegehäuse 5 zum (nicht dargestellten) Stellantrieb. Die Stellstange oder -welle 34 kann monolithisch oder mehrteilig sein, um das Ventilglied 31 mit dem Stellantrieb zu verbinden. Stromabwärts des Ventils 3 ist der Vorlauftemperatursensor 11 angeordnet.
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Das Stellgerätegehäuse 5 hat einen Eingang 57 für elektrische Versorgungsleitungen 63 zum Anbinden des Stellgeräts an eine 24 Volt Wechselspanungsquelle 65 oder andere Stromversorgung, beispielsweise eine Batterie. Das Stellgerätegehäuse 5 hat auch einen Eingang 51 zum Anschließen der Signalübertragungsleitung 67 des Vorlauftemperatursensors 11 und einen Eingang 53 zum Anschließen der Signalübertragungsleitung 68 des Nachlauftemperatursensors 13. Die Eingänge 51, 53 und 57 des Gehäuses 5 sind fluiddicht geschlossen. Auch die Öffnung des Gehäuses 5 für die Antriebsstange 34 ist fluiddicht.
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An seinem Boden 56 hat das Gehäuses 5 die Überwurfmutter 33 zu festen Verbindung mit dem Hals 36 des Ventils 3. Ein Deckel 55 ist von dem Boden 56 des Gehäuses 5 abnehmbar, beispielsweise daran festgeschraubt. An dem Deckel 55 ist ein Bedienpanel 16 befestigt, das ein Eingabepanel 15 zum manuellen Steuern des Stellgeräts hat und eine Ableseeinheit 17, anhand der ein Benutzer Steuer- und/oder Messwerte des Stellgeräts 1 ablesen kann. Die Ableseeinheit 17 kann beispielsweise die Vorlauftemperatur und die Nachlauftemperatur abbilden, oder einen Temperaturmaximalwert, der im Vorlauf oder im Nachlauf des thermischen Verbrauchers 9 nicht überschritten werden darf. Die Ausgabeeinheit oder Ableseeinheit 17 kann als Rückmeldung auch die vom Benutzer manuell vorgegebenen Sollwerte, beispielsweise für eine gewünschte Soll-Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur am Eingang und am Ausgang des Verbrauchers 9, darstellen, oder eine Ist-Temperaturdifferenz. Das Eingabepanel 15 kann zur Eingabe Knöpfe, Tasten, Drehgeber oder dergleichen umfassen. Als Bedienpaneel 16 kommt auch ein berührungsempfindliches Display in Frage, welches die Funktion einer Ausgabeeinheit 17 und eines Eingabepanels 15 in funktionsunion realisiert.
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Das in 2 dargestellt Gehäuse 5 weist einen Stellantrieb 7, ein Eingabepanel 15, eine Ableseeinheit 17 und einen Mikrocontroller 61 mit einer oder mehreren elektrischen Versorgungsleitungen 63 auf. Die Regelungselektronik kann alternativ teilweise oder vollständig analog realisiert sein, also ohne Mikrocontroller. In diesem Fall sind einzelne Elektronikbauteile des Stellgeräts 1 mit elektrischen Versorgungsleitungen verbunden. Wie in 1 ist auch bei der in 2 dargestellten Ausführung das Stellventil 3 im Vorlauf des thermischen Verbrauchers 9 als Teil der stromaufwärtigen Arbeitsfluidleitung 21 realisiert. Das Stellventil 3 ist hier aber zwischen dem Vorlauftemperatursensor 11 und dem Verbraucher 9 positioniert.
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Der Mikrocontroller 61 empfängt ein Vorlauftemperatur-Signal v des zweiten Temperatursensors 11, ein Nachlauftempertursignal n des ersten Temperatursensors 13 und ein Eingabesignal e entsprechend einer manuellen Benutzereingabe am Eingabepanel 15. Die Manuelle Eingabe umfasst einen Nachlauf-/Vorlauftemperatur-Soll-Differenzwert oder einfach gesagt einen Soll-Differenzwert. Der Mikrocontroller 61 sendet ein Stellsignal s an den Stellantrieb 7 zum Bewegen oder Ortsfesthalten eines Ventilglieds (nicht dargestellt).
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Der Mikrocontroller 61 bestimmt das Stellsignal s, indem er zunächst eine Differenz zwischen dem Vorlauftemperatursignal v und der Nachlauftemperatursignal n ermittelt, deren Vorzeichen entweder davon abhängt, ob die Nachlauftemperatur von der Vorlauftemperatur subtrahiert wird oder umgekehrt, und ob die Ist-Differenz als stets positiver Absolutwert betrachtet und verarbeitet wird.
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Das Eingabesignal e gibt der elektronischen Regelung, hier in Form eines Mikrocontrollers 61, zumindest ein Temperatur-Soll-Differenz oder (Soll-Temperaturdifferenz) und vorzugsweise einen oder mehrere Temperaturgrenzwerte, wie Temperaturmaximalwert oder Temperatur-minimalwert vor. Der Mikrocontroller 61 vergleicht die Soll-Temperaturdifferenz mit der vorliegenden Ist-Temperaturdifferenz.
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Einen Regelalgorithmus des Mikrocontrollers 61 erzeugt ein Steuersignal s für den Stellantrieb 7, um die Durchflussöffnung des Stellventils 3 vorzugsweise so einzustellen, um die Ist-Temperaturdifferenz durch Erhöhen oder Vermindern der Strömungsrate des Arbeitsfluids an die Soll-Temperaturdifferenz anzunähern, vorzugsweise bis die Ist-Temperaturdifferenz so groß wie oder kleiner als die Soll-Temperaturdifferenz wird. Insbesondere kann der Mikrocontroller 61 den Stellantrieb 7 zum Verkleinern des Durchflussquerschnitts ansteuern, wenn die Temperatur Ist-Differenz größer als die Temperatur-Soll-Differenz ist. Der Mikrocontroller 61 kann insbesondere als Sicherheitsvorkehrung auch dann ein vollständiges Schließen des Stellventils 3 veranlassen, wenn von der Temperatur des Arbeitsfluids an einem Messpunkt ein Temperaturgrenzwert erreicht, unterschritten oder überschritten wird.
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2 zeigt ein Kühl- oder Heizsystem mit einem erfindungsgemäßen Stellgerät 1. Das Gehäuse 5, hier schematisch dargestellt, ist an einen hier ebenfalls schematisch dargestellten Ventil 3 angeordnet, dass anders als bei 1 horizontal neben einem senkrechten Rohr der Arbeitsfluidleitung 21 angeordnet ist.
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In beiden Ausführung nach 1 in 2 kann das gleiche Stellgerätegehäuse 5 verwendet wird, ohne dass einzelne Teile davon verändert werden müssen. Insbesondere muss die Ableseeinheit 17 zum Ablesen in Horizontalrichtung nicht je nach der Lage des Gehäuses 5 oder der eigenen Lage im Raum, an dem Gehäuse 5 neu positioniert werden, wenn das gleiche Gehäuse einmal für eine vertikale und einmal für eine horizontale Rohrleitung verwendet wird. Um das zu ermöglichen, wird ein Lagesensor 19 verwendet, der ein Lagesignal l an einen Mikrocontroller 61 des Stellgeräts 1 abgibt, so dass der Mikroprozessor 61 ein Ausgangssignal a an die Ableseeinheit 17 senden kann, das nicht nur die Daten umfasst, die die Ableseeinheit 17 für den Verbraucher sichtbar darstellen soll, sondern insbesondere ein Positionssignal, von dem die Orientierung der von den Ableseeinheit dargestellten Messwerte, Sollwerte oder Skalierung abhängt. So kann eine digitale Ausgabe eines LCD-Displays die dargestellten Werte in 90°-Schritten Verschwenken oder die Anzeige, insbesondere die Skala, einer analogen Ausgabeeinheit sich abhängig von der Schwerkraft ausrichten.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Stellgerät 1 mit im Wesentlichen den gleichen Bestandteilen wie die in 1 und 2 abgebildeten Stellgeräte 1. Bei der in 3 dargestellten bevorzugten Ausführung verläuft die Arbeitsfluidleitung 21 vor dem thermischen Verbraucher 9 und die Arbeitsfluidleitung 23 nach den thermischen Verbraucher 9 horizontal.
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Anders als bei den vorhergehenden Figuren ist das Stellventil 3 bei 3 im Nachlauf des thermischen Verbrauchers 9 angeordnet. Das heißt, das Arbeitsfluid fließt in Strömungsrichtung 27 zunächst durch den thermischen Verbraucher 9 und kann erst anschließend das Stellventil 3 passieren.
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Umfasst ein (nicht dargestelltes) Heiz- oder Kühlsystem mehrere Stellgeräteanordnungen 2, müssen die einzelnen Stellgeräteanordnungen 2 ebenfalls nicht alle identisch ausgebildet sein, solange jedes Stellgerät 1 ein Vorlauftemperatursensor 11 und einen Nachlauftemperatursensor 13 hat. Auch können mehrere in Reihe geschaltete Heiz- oder Kühlkörper, zum Beispiel alle Heizungen eines Raumes, einen Verbraucher bilden.
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In der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stellgerät
- 2
- Stellgeräteanordnung
- 3
- Ventil
- 5
- Gehäuse
- 7
- Stellantrieb
- 9
- Thermischer Verbraucher
- 11
- erster Temperatursensor
- 13
- zweiter Temperatursensor
- 15
- Eingabepanel
- 16
- Bedienpanel
- 17
- Ableseeinheit
- 19
- Lagesensor
- 21
- Arbeitsfluidleitung (stromaufwärts des thermischen Verbrauchers)
- 23
- Arbeitsfluidleitung (stromabwärts des thermischen Verbrauchers)
- 25
- Arbeitsfluidleitungsabschnitt (gehäuseintern)
- 27
- Strömungsrichtung des Arbeitsfluids
- 31
- Ventilglied
- 33
- Überwurfmutter
- 34
- Antriebsstange oder -welle
- 35
- Ventilsitz
- 36
- Ventilgehäusehals
- 37
- Ventilgehäuse
- 38
- Eingangsanschluss
- 39
- Ausgangsanschluss
- 51
- Gehäuseeingang (Vorlauftemperatursensor)
- 53
- Gehäuseeingang (Nachlauftemperatursensor)
- 55
- Gehäusedeckel
- 56
- Gehäuseboden
- 57
- Gehäuseeingang (Energieversorgung)
- 61
- Mikrocontroller
- 63
- elektrische Versorgungsleitungen
- 65
- Wechselspannungsquelle
- 67, 68
- Signalübertragungsleitungen
- a
- Ausgangssignal
- e
- Eingangssignal
- l
- Lagesignal
- n
- Nachlauftemperatursignal
- v
- Vorlauftemperatursignal
- s
- Steuersignal (s)
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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