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Druckausgleichsvorrichtung für Mischventile Die Erfindung betrifft
eine Druckausgleichsvorrichtung zur kontinuierlichen Regulierung de Zuflußmengen
zweier Flüssigkeiten zu einem Mischventil mit einem in zwei separaten Druckkammern
von den Drücken der zufließenden Flüssigkeiten in entgegengesetzten Richtungen beaufschlagten,
in einen Gehause schwimmend gelagerten Kolben als Regelorgan, der mit Durckflußöffnungen
versehen ist, welche im Gehäuse angeordnete Znfließöffnungen und Ausfließöffnungen
jeweils miteinander verbinden und mit ihren Steuerkanten die Zufließöffnungen in
Abhängigkeit von den jeweils herrschenden Zufließdrücken wechselweise mehr oder
weniger überdekken.
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Solche Druckausgleichsvosichtungen sind notwendig, um bei schwankenden
Zufließdrücken der Flüssigkeiten bei gleichbleibender Ventilstellung ein konstantes
Mischungsverhältnis der beiden Flüssigkeiten und, sofern es sich nm die Mischung
von kaltem und warmem Wasser handelt, konstante Mischtemperaturen zu erzielen.
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P>ei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DT-PS 189 056) ist
in einem Gehause ein axial beweglicher Kolben gelagert, der durch zwei einander
entgegenwirkende Federn in der Mittelstellung gehalten wird. Der Kolben ist von
beiden Seiten mit der zu regulierenden Flüssigkeit beaufschlagbar, so daß sich ein
Druckunterschied in den Flüssigkeiten in eine Axialverschiebung des Kolbens umwandelt.
Der Kolben ist mit zwei Drosselschiebern verbunden, die Schlitze aufweisen, welche
die quer zur Kolbenachse verlaufenden Einlaß- und Auslaßkanäle miteinander verbinden.
Durch die Verschiebung des Kolbens in der einen oder anderen Richtung werden die
Sin- und Auslaßkanäle wechselweise nzehr oder weniger geöffnet, so daß sich mit
der Verschiebung des Kolbens eine Veränderung des Mischungsverhältnisses der beiden
Flüssigkeiten ergibt.
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Bei einem anderen bekannten Mischventil (US-PS 3 105 519) ist in einem
mittels eines Handstellorganes axial verschiebbaren und drehbaren hohlzylindrischen
Mischventilkörper in axialer Richtung schwimmend ein Steuerkolben gelagert, der
von beiden Stirnseiten her mit den Zufließdnicken der beiden zu mischenden
Flüssigkeiten
beaufschlagbar ist und durch seine Axialbewegungen die Zulaufquerschnitte der im
Ventilkörper angeordneten schlitzförmigen Zufließöffnungen verändert.
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Diese bekannten Vorrichtungen benötigen eine in axialer Richtung der
Druckausgleichskolben große Bauhöhe. Außerdem sind sie sehr empfindlich gegen Verschmutzungen,
wie z. n. halkablagerungen, und deshalb sehr störanfällig, bei der letztgenannten
Vorrichtung kommt noch hinzu, daß der Druckausgleichskolben und das Ventilteil,
in dem er schwimmend gelagert ist, eine konstruktiv verhältnismäßig komplizierte
Form aufweisen und deshalb in der Herstellung sehr teuer sind.
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Bei einer anderen bekannten Reguliervorrichtung für den Heiß-und Kaltwasserzutritt
zu Mischventilen (DT-PS 1 650 528) sind die beiden Fließreguliereinrichtungen voneinander
unabhangig und lediglich durch zwei feststehende Flüssigkeitsleitungen miteinander
verbunden und ist das Ventil in Form eines innerhalb des Regulierralmes frei schwirmenden
Kolbens nilt einem Randteil ausgeführt, an den die Steuerkante vorgesehen ist. Die
feststehenden Flüssigkeitsleitungen verbinden die feststehende Flüssigkeitskammer
jedes Regulierraumes mit der Einlaßöffnung des Regulierraums der anderen Reguliereinrichtung,
wobei die Druckunterschiede in einer angelieferten Flüssigkeit den in dem Regulierraum
für die andere angeleferte Flüssigkeit befindlichen Kolben verschieben. Es sind
bei dieser bekannten Vorrichtung also zwei örtlich
voneinander getrennte
l-tegllliereinrichtullgen vorgesehen, de ren Regulierkammern durch Leitungen miteinander
verbunden sind. Diese Lösung ist jedoch sehr kostspielig und außerdem hat sie einen
großen Raumbedarf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Druckausgleichsvorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der beide Reguliereinrichtungen in einer
konstruktiven und baulichen Einheit geringer Baugröße zusammenzufassen sind, und
den konstruktiven Aufbau möglichst einfach zu gestalten, um gleich neben einer hohen
Regelgenauigkeit und Funktionssicherheit auch eine Konstenersparnis und einem geringen
Ru bedarf für die Installation der Vorrichtung zu erreichen.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß in einem zylindrischen
Hohlraum eines Gehäuses mit radialen Zuflußöffnungen ein mit getrennten Hohlräumen
und einem dazwischenliegenden Segmentausschnitt versehener, zylindrischer Kolben
drehbar gelagert ist, in dessen Segmentausschnitt eine am Gehäuse befestigte radiale
Trennwand steht und dessen Hohlräume jeweils mit einer der Zufließöffnungen sowie
jeweils mit einer der stirnseitig im Gehäuse angeordneten Abfließöffnungen und jeweils
auf verschiedenen Seiten der Trennwand mit dem Segmentausschnitt in Verbindung stehen.
Dadurch
kann eine wesentlich Kompaktere Bauweise, insbesondere niedrigere Bauhöhe, erzielt
werden, was sich besonders günstig bei Unterputzmontagen auswirkt. Die gesamte Vorrichtung
kann aus nur drei Einzelteilen bestehen, namlich den Gehäuse, dem Kolben, einem
Gehäusedeckel. Außerdem erlaubt die erfindungsgemäße Konstruktion große Druchlaßmengen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch leicht und in raumsparender Weise mit
einem Mischventil kombinierbar. Trotz großer Ansprechempfindlichkeit und damit großer
Regelgenauigkeit ist zugleich die bei bekannten Druckausgleichsvorrichtungen vorliandene
Gefahr, daß der Kolben bei stoßweise auftretenden Druckunterschieden ins Schwingen
kommt, völlig beseitigt.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Kolben auf einem zentrischen Zapfen des Gehäuses gelagert ist, und daß die Trennwand
über ihre ganze axiale Länge mit dem Zapfen verbunden ist.
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Durch die Zapfenlagerung des Kolbens wird eine Verringerung des Reibungswiderstandes
erzielt. Die Trennwand, welche den durch den Segmentausschnitt des Kolbens gebildeten
Kohlraum in zwei separate Druckkammern unterteilt, soll möglichst unnachgiebig sein
und die beiden Druckkammern undruchlässig voneinander trennen, damit in den Druckkammern
auftretende Druckunterschiede sich unmittelbar auf den Kolben auswirken und diesen
entsprechend verdrehen.
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Un eine möglichst lineare Regelcharakteristik zu erhalten, ist es
wichtig, daß der Kolben an seinem Umfang die Hohlräume mit den Zufließöffnungen
des Gehäuses verbindende Durchlaßöffnungen aufweist, deren Umfangslänge mindestens
der Hälfte der möglichen Winkelbewegung des Kolbens entspricht und mindestens doppelt
so groß ist wie die Umfangslänge einer Zufließöffnung und daß die Zufließöffnungen
jeweils zwei parallel in Umfangsrichtung verlaufende Begrenzungskanten und wenigstens
eine der in axialer Richtung verlaufenden Kanten mit dem Verlauf der Steuerkante
der betreffenden Durchfaßöffnung übereinstimmt. Dabei kann die Steuerkante parallel
oder schräg zur Kolbenachse verlaufen oder aber z. B. halbkreisförmig gebogen sein.
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Für eine hohe Ansprechemp-findlichkeit und damit hohe Regelgenauigkeit
ist es wichtig, daß die Hohlräume des Kolbens auf der den Abfließöffnungen des Gehäuses
zugekehrten Stirnseite offen und so ausgebildet bzw. angeordnet sind, daß sie in
jeder möglichen Winkellage des Kolbens den gesamten Querschnitt der Abfließöffnungen
freigeben und daß die Durchlaßquerschnitte der Abfließöffnungen zumindest annähernd
gelich groß sind wie die Durchlaßquerschnitte der Zufließöffnungen.
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Dadurch, dar der Kolben aus keramischen erkstoff besteht und geschliffene
Gleitflächen besitzt, wird eine reibungsarme Beweglichkeit des Kolbens auch bei
extrem unterschiedlichen Temperaturen der beiden die beiden Kolbenhälften getrennt
durchfließenden
Flüssigkeiten gewährleistet. AuMerden hat die Verwendung keramischen Werkstoffes
den Vorteil einer enormen korrosionsbeständigkeit und einen geringen Ausdehnungskoeffizienten,
so daß auch gute Paßsitze eingehalten werden können.
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Um den Kolben mit einer geringen Trägheitsmasse auszustatten, besteht
die Möglichkeit, ihn als dünnwandigen Hohlkörper auszubilden, dessen Hohlräume durch
eine Scheidewand voneinander getrennt sind.
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Anhand der beiliegenden Zeichnung werden nun im folgenden einige Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung
Fig. 2 einen Schnitt C-D durch Fig. 1 Fig. 3 einenSchnitt A-B durch Fig. 2 Fig.
4 eine Ausführungsform, bei der die Druckausgleichsvorrichtung mit einem Mischventil
kombiniert ist, im Längsschnitt Fig. 5 Querschnitte durch das Gehäuse gemäß Fig.
4 mit und 6 zwei verschiedenen Ausführungsformen des Regulierkolbens und der Abfließöffnungen
des Gehäuses.
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Bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 bis 3 hat das Gehäuse
1 eine kreisförmige tlerschni.ttsform (Fig. 2), zwei sich diar.letral gegenüberliegende
Gewindeanschlüsse 2 und 3 für die Zufuhrung des heißen und kalten Wassers, sowie
zwei
stirnseitig angeordnete Gewindeanschlüsse 4 und 5 zum Anschluß
an einem Mischventil. In den Gewindeanschlüssen 2 und 3 befinden sich quadratische
Zufließöffnungen, von denen jeweils zwei parallele Kanten 8 und 9 narallel zu den
Stirnseiten 10 und 11 des Gehäuses 1 verlaufen. Die Zufließöffnungen 6 und 7 münden
in einen zylindrischen Hohlraum 12, in dessen Zentrum sich ein zylindrischer Lagerzapfen
13 befindet. Im Boden 14 des Gehäuses 1 sind jeweils im Zentrum der Gewindeanschlüsse
4 und 5 Abfließöffnungen 15 und 16 vorgesehen. Auf der dem Boden 14 gegenüberliegenden
Stirnseite ist das Gehäuse 1 mit einem Deckel 17 versehen, der mittels einer Schraube
18, die in den Lagerzapfen 13 eingeschraubt ist, Gehalten wird. Auf der Winkelhalbierenden,
zwischen den beiden Zufließöffnungen 6 und 7 steht im Hohlraum 12 eine sich von
der Innenwandung des Hohlraumes 12 zum Lagerzapfen 13 erstreckende Trennwand 19,
die die gesamte axiale Höhe des Hohlraumes 12 einnimmt und in einer radialen Ebene
steht, Die Trennwand 19 ist über ihre ganze axiale Lange mit dem Lagerzapfen 13
und mit der zylindrischen Wandung des Gehäuses 1 verbunden.
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im zylindrischen Hohlraum 12 befindet sich ein auf dem tagerzapfen
13 drehbar gelagerter und dem Durchmesser des Hohlraumes 12 angepaßter zylindrischer
Kolben 20, der das bewegliche Druckregelorgan bildet. Der Kolben 20 besitzt einen
in seine den Lagerzapfen 13 aufnehmende Lagerbohrung mündenden Segmentausschnitt
21, der von der Trennwand 19 in zwei
separate Druckkammern 22 und
23 unterteilt ist. Der Segmentausschnitt 21 erstreckt sich iiber einen WinkeloC,
um welchen der Kolben 20 im zylindrischen Hohlraum 12 maximal drehbar ist.
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Außerdem besitzt der Kolben 20 zwei getrennte, sich diametral gegenüberliegende,
nierenfprmige Hohlräume 24 und 25, die auf beiden Stirnseiten offen sind, damit
der Kolben keiner axialen Druckbelastung ausgesetzt wird. Die beiden Hohlräume 24
und 25 erstrecken sich jeweils über einen Winkelbereich, der etwa dem maximalen
Bewegungswinkel, d. h. dem Öffnungswinkel :c des Segmentausschnittes 21 entspricht,
so daß in jeder möglichen Winkelstellung des Kolbens zwischen den Hohlräumen 24
und 25 und den Abfließöffnungen 15 und 16 im Boden 14 des Gehäuses 1 immer eine
direkte Verbindung mit maximalen. durch laßquerschnitt besteht. Durch Verbindungsöffnungen
26 und 27 stehen die beiden Hohlräume 24 und 25 direkt mit dem durch die Trennwand
19 in zwei Druckkammern 22 irnd 23 unterteilten Segmentausschnitt 21 in Verbindung.
Außerdem sind zwischen den Hohlräumen 24 und 25 und den Zufließöffnungen 6 und 7
rechteckförmige Druchlaßöffnungen 28 und 29 vorgesehen, die in Umfangsrichtung etwa
um den halben Bewegungswinkel (;) länger sind als die Zufließöffnungen 6 und 7,
wobei die Umfangslänge der Durchlaßöffnungen 28 und 29 mindestens doppelt so groß
sein muß wie die Umfangslänge einer Zufließöffnung 6 bzw. 7.
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Dabei sind die Durchlaßöffnungen 28 und 29 so angeordnet, daß ihre
Steuerkanten 30 und 31 in der Mittelstellung des Kolbens 20 sich in etwa mit den
axial verlaufenden Kanten 32 bzw. 33, die der Trennwand 19 am nächsten liegen, zumindest
annahernd
decken, das bedeutet, daß der T;Jinkelabstand der beiden Steuerkanten 30 und 31
etwa gleich ist dem Winkelabstand der beiden axial verlaufenden Kanten 32 und 33
der Zufließöffnungen 6 und 7. Dies gilt selbstverständlich auch dann, wenn sich
die beiden Zufließöffnungen 6 und 7 nicht genau diametral gegenüber liegen.
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Zur Erzielung einer linearen Regelcharakteristik ist es wichtig, daß
die Steuerkanten 30 und 31 der Durchlaßöffnungen 28 und 29 in axialer Richtung zu
den Kanten 32 und 33 der Zufließöffnungen 6 und 7 parallel verlaufen. Aus diesem
Grunde sind auch die Kanten 8 und 9 der Zuflußöffnungen 6 und 7 zueinander und zu
den Stirnseiten 10 und 11 des Gehäuses 1 parallel.
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Solange in den beiden Druc}ckamSlern 22 und 23 Gleichgewicht herrscht,
befindet sich der Kolben 20 in der in Fig. 2 dargestellten Lage, in welcher die
Zufließöffnungen 6 und 7 völlig geöffnet sind. Wird das Gleichgewicht in den beiden
Druckkartnnern 22 und 23 gestört, so findet eine entsprechende Verdrehung des DruckRolbens
20 und dadurch eine teilweise Schliessung der Zufließöffnung 6 oder 7 statt, je
nachdem in welcher der beiden Druckkammern 22 oder 23 der höhere Druck herrscht.
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Auf diese Weise wird auf der entsprechenden Seite der Zufließquerschnitt
verringert, wahrend er auf der anderen Seite unverändert bleibt, so daß das volumenmäßige
Mischungsverhältnis in dem an die Ausflußöffnungen 15 und 16 angeschlossene
Mischventil
auf dem eingestellten Wert gehalten wird.
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Zweckmäßigerweise besteht der Kolben 20 aus keramischem Material,
das den Vorteil eines gerillten Aus dehnung ske effizienten hat und mit geschliffenen
Gleitflächen am Umfang und in der Lagerbohrung, die den Lagerzapfen 13 aufnimmt,
mit engen Passlmgstoleranzen hergestellt werden kann und trotzdem geringen Reibungswiderständen
ausgesetzt ist. Weramisches Material ist auch besonders widerstandsfähig gegen Korrosion
und Kalkablagerungen sowie sonstige Verunreinigungen.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist die im wesentlichen gleich
wie bei der eben geschilderten Ausführungsform gemäß den Figuren 1, 2 und 3 aufgebaute
Druckausgleichsvorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse 34 mit einem nicht ganz
vollständig dargestellten Mischventil 3) kombiniert. Statt des Gehäuses 1 weist
hier das Gehäuse 34 die beiden Gelsindeanschlüsse 35 und 36 für den Zufluß des heißen
und kalten Wassers auf. Außerdem ist ein Gewindeanschluß 37 für den Mischwasserauslauf
vorgesehen. Das den Kolben 20 aufnehmende Gehäuse li unterscheidet sich vd n dem
Gehäuse 1 der vorbeschriebenen Ausführungsform im wesentlichen dadurch, daß seine
Umfangsform kreisförmig ist und seine Zylinderschale iiber den Boden 14 hinaus verlängert
ist. Diese Verlängerung bildet einen durch einen eingeschraubten Deckel 38 stirnseitig
geschlossenen Mischraum 39, der durch einen Wanddurchbruch 40 und eine sich damit
deckende Öffnung 41 im Gehäuse 34
mit dem Gewindeanschluß 37 verbunden
ist. Statt des mit einer Schraube 18 am Lagerzapfen 13 befestigten Deckels 17 ist
bei der Ausftihrungsform gemäß Fig. 4 ein mit einem Außengewinde versehener Deckel
17' in das Gehäuse 1' eingeschraubt. Die mit den Öffnungen 6' und 7' im Gehäuse
34 fluchtenden Zufließöffnungen 6 und 7 sind gleich wie bei der vorbeschriebenen
Ausführungsform, ebenso die übrigen Teile, die sich im Raum des Kolbens 20 befinden.
Der Kolben 20 hat hier die gleiche Form wie beim Ausführungsbeispiel der Figuren
1 bis 3. Auch die Funktionsweise der Druckausgleichsvorrichtung gemäß Fig. 4 ist
die gleiche wie diejenige der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen.
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Auf der Außenseite des Bodens 14 ist hier jedoch statt der Gewindeanschlüsse
4 eine eben aufliegende, mit Mischöffnungen 42 und 43 versehene Ventilscheibe 44
angeordnet, deren Schaft 45 mit einem Handgriff 46 versehen und in dem Deckel 38
sowie in einem weiteren, das Gehäuse 34 abschließenden Deckel 47 drehbar gelagert
ist Durch Drehung des Handgriffes 46 und der Ventilscheibe 44 kann das Mischungsverhältnis
der beiden aus den Abflußöffnungen 15 und 16 ausströmenden Flüssigkeiten in beliebigen
enzen variiert werden.
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Dieses Ausführungsbeispiel zigt insbesondere die Möglichkeit einer
vorteilhaften Kombination der erfindungsgemäßen Bruckausgleichsvorrichtung mit einem
Mischventils wobei der Mauptvorteil
in der konstruktiven Einfachheit
und in der möglichen Kompaktheit der Bauweise zu sehen ist.
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In den Figuren 5 und 6 sind zwei Varianten des Kolbens 20 dargestellt
und verschiedene Anordnungen und Querschnittsformen der Abfließöffnungen im Boden
14 des Gehäuses 1>. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 besteht der Kolben 20'
aus einem dünnwandigen, zylindrischen Hohlkörper mit zwei auf beiden Stirnseiten
offenen, durch eine Scheidewand 48 voneinander getrennten Hohlräumen 24' und 25'.
Die beiden Abfließöffnungen 15' und 16' im Boden 14 des Gehäuses 1' haben statt
einer kreisförmigen, eine segmentförmige Querschnittsform.
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Die segmentförmige Querschnittsform der Abfließöffnungen 15' und 16
ist günstiger als eine runde Querschnittsform, wenn das Mischventil, wie in Fig.
4, sich direkt stirnseitig an die Druckausgleichsvorrichtung anschließt.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 unterscheidet sich der Kolben
20" vom kolben 20 dadurch, daß die nierenförmigen Hohlräume 24"'und 25" direkt in
den Segmentausschnitt 21 verlängert sind, was erforderlich ist, weil dabei die Abfließöffnungen
15 und 16" im Bereich der Druckkammern 22 und 23 enger beeinander liegen. Im übrigen
entsprechen die mit gleichen Bezugszeichen bezeichneten Teile der Figuren 4, 5 und
6 denen der Figuren 1 bis 3.
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Aufgrund seiner Dünnwandigkeit kann der Kolben 20 nicht aus
keramischem
Material hergestellt werden. Es eignet sich hierzu jedoch Rohguß- oder Sintermetall.
Auch Kunststoff mit genügender Formfestigkeit und Resistenz gegenüber in den beiden
getrennten Hohlräumen 24' und 25' auftretenden Temperaturunterschiede ist für die
Herstellung des Kolbens 20' u.U. geeignet.
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Während bei den in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen die Trennwand
19 jeweils fest mit dem Lagerzapfen 13 verbunden und der Lagerzapfen selbst fester
Bestandteil des Gehäuses 1 bzw. 1' ist, besteht auch die Möglichkeit, den Kolben
20 bzw. 20' oder 20" schwimmend im Gehäuse i bzw. 1' zu lagern und auf den Lagerzapfen
13 als Führungselement zu verzichten. In diesem Fall ist es jedoch aus Herstellungsgründen
zweckmäßig, die Nabe des Kolbens mit einem dem Lagerzapfen 13 entsprechenden jedoch
losen, d.h. nicht mit dem Gehäuse 1 bzw. i' verbundenen zylindrischen Kern zu versehen.
Dieser Kern kann lose, d.h. drehbar in der Nabe gelagert sein oder darin einen festen
Sitz haben. Im letzten Fall ist es erforderlich oder zumindest zweckmäßig, zwischen
der Trennwand 19 und der Mantelfläche des zylindrischen Kerns eine Dichtun- anzuordnen,
weich die beiden Druckkammern beiderseits der Trennwand abdichtet. Andererseits
kann, wenn der Kern nn der Nabe drehbar ist, eine formschlüssige Verbindung zwischen
der Trennwand 19 und dem Kern bestehen, z.B in Form einer Axialnut, in welcher die
Trennwand dicht hineinragt.