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Thermostatventil
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Die Erfindung betrifft ein Thermostatventil, insbesondere für den
Sanitärbereich, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Bekannte Thermostatventile dieser Art besitzen als Regelelement einen
Kolben, der vom Stellglied verschoben wird. Je nach Relativstellung gibt dieser
Kolben einen Warmwassersitz und/oder einen Kaltwassersitz mehr oder weniger frei.
Als dynamische Dichtelemente finden dabei im allgemeinen O-Ringe Verwendung. Diese
bekannten Thermostatventile besitzen nicht nur den Nachteil, daß die O-Ringe am
Kolben einem starken Verschleiß ausgesetzt sind.
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Sie benötigen zwingend ein gesondertes Absperr- und Mengenventit,
da die Funktion vom Kolben nicht mit übernommen werden kann.
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Ein Thermostatventil, bei dem die Mengenregulierung baueinheitlich
integriert ist, baut dauer sehr groß.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Thermostatventil der
fraglichen Art so auszubilden, daß die Regelelemente über /hinweq die Lebensdauer
des Thermostatventils wartungsfrei bleiben und daß die baulichen Abmessungen (auch
bei Einschluß einer Mengenregulierung) k letn bleiben.
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Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch beschriebene Erfindung
gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäß vor3eschlagenen Steuerscheiben sind praktisch
abriebfrei. Sie können koaxial zum Stellelement bei geringem Platzbedarf untergebracht
werden. Eine Axialbewegung der Steuerscheiben findet nicht statt, wofür also auch
kein Raum freigehalten werden muß. Der Ausbau zum Thermostatventil mit Mengenregelung
erfolgt
durch Zufügen einer dritten Steuerscheibe sowie einer zum Stellelement koaxialen
Hülse. Dadurch vergrößern sich die Ahmessungen des Thermostatventils in axialer
und in radialer Richtung nur unwesentlich.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der
Zeichnung näher erläutert; es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Thermostatventil; Fig. 2a bis 2c Draufsichten auf die drei im Thermostatventil von
Fig. 1 verwendeten Steuerscheiben.
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Das Thermostatventil besitzt ein Gehäuse 1 mit Warmwasser-Einlauf
2, Kaltwasser-Einlauf 3 und Mischwasser-Auslauf 4 Das Gehäuse 1 weist einen becherförmigen
Innenraum 5 auf, der im Bodenbereich 6 etwas im Durchmesser verkleinert ist.
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Der Boden des Innenraumes 5 ist über Kanäle 7,8 mit dem Warmwasser-Einlauf
2 bzw, dem Kaltwasser-Einlauf 3 verbunden, Ein Ringkanal 9 im oberen Bereich des
Gehäuses 1 kommuniziert über einen Kanal 10 mit dem Mischwasser-Auslaß 4.
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Auf dem Boden des Gehäuse-Innenraumes 5 liegt eine Flachdichtung 11,
auf der ein Hohlzylinder 12 aufsteht. Der Hohlzylinder 12 weist etwa denselben Durchmesser
auf wie der Bodenbereich 6 des Gehäuse-Innenraumes 5 . Auf diese Weise entsteht
im oberen Bereich des Gehäuse-Innenraumes 5 zwischen Hohlzylinder 12 und Gehäuse
1 ein Ringraum 13.
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Der Hohlzylinder 12 umschließt drei übereinander liegende Steuerscheiben
14,15,16, die vorzugsweise aus Keramik hergestellt
sind und deren
gegenseitige Rrührungsflächen auf hohe Güte poliert sind. Bei der Beschreibung dieser
Steuerscheiben 14, 15, 16 wird zusätzlich auf Fig. 2 Bezug genommen.
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Die unterste, auf der Flachdichtung 11 aufliegende Steuerscheibe 14
(Fig.2c), nachfolgend Grundscheibe genannt, weist den größten Durchmesser auf. Ausnehmungen
17 am Umfang nehmen entsprechende Vorsprünge (nicht dargestellt) des Hohlzylinders
12 auf, so daß eine Relativverdrehung zwischen Grundscheibe 14 und ortsfest montiertem
Hohlzylinder 12 nicht möglich ist.
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Die Grundscheibe 14 ist damit selbst ortsfest. Sie besitzt zwei Sätze
18,19 einander gegenüberliegender Schlitze, die als /Vasserdurchflußöffnungen für
Kalt- und Warmwasser dienen.
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Die über der Grundscheibe 14 liegende Steuerscheibe 15 wird zur Regulierung
der Menge des ausfließen den Mischwassers benutzt. Sie heißt daher nachfolgend "Mengenscheibe".
Die Mengenscheibe 15 besitzt zwei Schlitzsätze 20,21, die den Schlitzsätzen 18 bzw.
19 der Grundscheibe 14 völlig entsprechen. Die Mengenscheibe 15 kann in noch zu
beschreibender Weise unter Mitwirkung der Umfangsausnehmungen 22 gegenüber der Grundscheibe
14 verdreht werden, wobei beide Steuerscheiben 14,15 aber immer koaxial bleiben.
Auf diese Weise kann die Überlappung der Schlitzsätze 20,21 der Mengenscheibe 15
mit den entsprechenden Schlitzsätzen 18 bzw. 19 der Grundscheibe 14 verändert werden.
Dies bedeutet, daß der effektive Durchflußquerschnitt von Katt- und Warmwasser variiert
wird. Dabei ist zu beachten, daß die Mengenscheibe 15 -im Gegensatz zur nachfolgend
besprochenen Tempew rierscheibe- für Kalt- und Warmwasser immer den gleichen Durchflußquerschnitt
freigibt.
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Die zuoberst, also über der Mengen scheibe 15 liegende Steuerscheibe
16 dient der Temperaturregelung und wird daher nach folgend "Temperierscheibe" genannt.
Sie besitzt den kleinsten
Durchmesser und ist außerdem auf gegenüberliegenden
Seiten so abgeflacht, daß zwei parallele Führungsflächen 23 entstehen.
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Auch die Temperierscheibe 16 weist zwei Schlitzsätze 24,25 auf, die
den Schlitzsätzen 20,21 der Mengenscheibe 15 und den Schlitzsätzen 18,19 der Grundscheibe
14 entsprechen. Cer Abstand der Schlitzsätze 24,25 in der Temperierscheibe 16 ist
allerdings um eine Schlitzbreite kleiner als in den beiden anderen Steuerscheiben
14,15. Wenn also beispielsweise der Schlitzsatz 24 der Temperierscheibe 16 in voller
Deckung mit dem Schlitzsatz 20 der Mengenscheibe 15 ist, dann besteht keinerlei
Überlappung zwischen dem Schlitzsatz 25 der Temperierscheibe 16 und dem Schlitzsatz
21 der Mengenscheibe 15 . In der mittleren Relativstellung der Temperierscheibe
16 zur Mengenscheibe 15 überlappen die Schlitzsätze 24,25 der Temperierscheibe 16
die entsprechenden Schlitzsätze 20,21 der Mengenscheibe 15 jeweils zur Hälfte.
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Die Mengenscheibe 15 wird in einer noch zu beschreibenden Weise in
Drehverbindung mit der Temperierscheibe 16 gehalten. Dies geschieht so, daß in allen
Winkelstellungen der Mengenscheibe 15 die durch die Schlitzsätze 24,25 gehende Symmetrieachse
der Temperierscheibe 16 mit der durch die Schlitzsätze 20,21 gehenden Symmetrieachse
der Mengenscheibe 15 zusammenfällt. Zusätzlich kann die Temperierscheibe 16 gegenüber
der Mengenscheibe 15 in Richtung der genannten Symmetrieachsen linear?verschoben
werden. Diese Linearverschiebung vergrößert, je nach Richtung, die Überlappung des
einen Schlitzsatzes (z.12. 24) der Temperierscheibe 16 mit dem zugeordneten Schlitzsatz
(im Beispiel 20) der Mengenscheibe 15 und umgekehrt. Auf diese Weise ergeben sich
zwischen Mengenscheibe 15 und Temperierscheibe 16 unter schiedliche effektive Durchflußquerschnitte
für Kalt- und Warmwasser, deren Einzelgröße von der Stellung der Temperierscheibe
16 gegenüber der Mengenscheibe 15 abhängt. Die Summe der Durchflußquerschnitte für
Kalt- und Warmwasser zwischen diesen
Steuerscheiben 15,16 ist jedoch
konstant, sodaß die Relativstellung der Temperierscheibe 16 keinen Einfluß auf die
Mischwasser-Menge hat.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält jeder Schlitzsatz 18,19,20,21,24,25
der Steuerscheiben 14,15,16 zwei Einzel schlitze. Andere Zahlen sind selbstversändlich
möglich, wobei unter Umständen auch ein einziger Einzelschlitz an die Stelle eines
Schlitzsatzes treten kann. Die Breite der Einzelschlitze wird durch den vom Stellglied
des Thermostatventils erzielbaren Regelhub nach oben begrenzt, gegebenenfalls modifiziert
durch die Eigenschaften des kraftübertragenden Mechanismus. Die Zahl der Einzelschlitze
und die Größe der Scheiben richtet sich nach der angestrebten Literleistung des
Thermostatventils Die Bogenlänge der Einzelschlitze schließlich bestimmt sich daraus,
um welchen VVinkel der Hand-Mengenhebel zwischen der vollständigen Offenstellung
und der vollständigen Schließstellung verschwenkt werden soll.
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In dem Hohlzylinder 12 (vgl. Fig.1) ist eine konzentrische Mitnahmebuchse
26 drehbar geführt, die am offenen unteren Ende mit geeigneten Vorsprüngen (nicht
dargestellt) in die Umfangsausnehmungen 22 der Mengenscneibe 15 eingreift. Die Mitnahmebuchse
26 enthält ebenfalls nicht dargestellte, innere Führungsflächen, die mit den Führungsflächen
23 der Temperierscheibe 16 zusammenwirken. Auf diese Weise überträgt sich die Drehbewegung
der Mitnahmebuchse 26 auf die Mengenscheibe 15 wie auf die Temperierscheibe 16,
wobei die Temperierscheibe zusätzlich in der erforderlichen Weise parallel zu uhren
Führungsflächen 23 verschoben werden kann.
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Die Mitnahmebuchse 26 wird durch eine Ringmutter 28 niedergehalten,
die in das obere Ende des Hohlzylinders 12 eingeschraubt
ist und
auf einen äußeren Radialflansch 27 der Mitnahmebuchse 26 wirkt. Die Verdrehbarkeit
der Mitnahmebuchse wird hierdurch nicht behindert.
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Auf der Oberseite der Ringmutter 28 liegt die Unterseite einer Außentür
se 29 auf, die mittels eines äußeren Radialflansches 30 auf der oberen Stirnseite
des Gehäuses 1 festgeschraubt ist.
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Ein in einer Umfangsnut der Außenhülse 29 einliegender O-Ring 31 dichtet
die Außenhülse 29 gegen das Gehäuse 1 ab. Die Außenhülse 29 ist außerdem am unteren
Ende mit nach unten offenen Ausnehmungen 32 versehen, über welche der Innenraum
33 der Außenhülse 29 mit dem Ringraum 13 und damit mit dem Ring~ kanal 9, dem Kanal
10 und dem Mischwasser-Auslauf 4 kommuniziert.
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Der Innenraum 3.3 der Außenhülse 29 ist doppelt abgestuft, sodaß sich
drei zylindrische Bereiche mit unterschiedlichem Durchmesser bilden. In den oberen
beiden Bereichen mit dem mittleren und dem kleinsten Durchmesser ist eine Innenhülse
34 drehbar geführt.
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Die Innenhülse 34 ist jedoch nach unten kein zweites Mal abgestuft,
sodaß sich zwischen dem weitesten Bereich des Außenhülsen-Innenraumes 33 und dem
unteren Bereich der Innenhülse 34 ein Ringraum 35 ergibt. Dieser Ringraum 35 steht
über mehrere Durchtrittsöffnungen 36 in Verbindung mit dem Innenraum 37 der Innenhülse
34. Cer untere Rand der Innenhülse 34 greift formschlüssig, beispielsweise mittelsteiner
Klauenverbindung, in den oberen Rand der Mitnahmebuchse 26 an, sodaß sich Mitnahmebuchse
26 und Innenhülse 34 gemeinsam verdrehen. Ein in einer Umfangsnut der Innenhülse
34 einliegender O-Ring 38 dichtet die Innenhülse 34 gegen die Außenhülse 29 ab.
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Auf den Hals 39 der Innenhülse 34, der über die Außenhülse 29 hinausragt,
ist formschlüssig ein Ring 40 aufgeschoben, der mit
einer Madenschraube
41 gesichert ist und einstückig mit einem Hand-Mengenhebel 42 ausgebildet ist.
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Der Innen raum 37 der Innenhülse 34 enthält ein als solches bekanntes
Dehnstoffelement 43, welches einen glockenförmigen Dehnstoff-Aufhahmeraum 44 besitzt.
Von einer unteren, zentralen Sackbohrung 45 des Dehnstoffelements 43 wird ein Führungszapfen
46 aufgenommen, der an einem Deckel 47 der Mitnahmebuchse 26 angeformt ist. Eine
Cruckfeder 48 umgibt den Fühw rungszapfen 46 und drückt das Dehnstoffelement 43
in der Zeichnung nach oben.
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Im Deckel 47 der Mitnahmebuchse 26 ist eine Durchtrittsöffnung 49
vorgesehen, durch welche sich ein Schenkel eines QVinkelhebels 50 erstreckt. Das
Ende dieses Schenkels liegt am unteren Rand des Dehnstoffelements 43 an. Der Winkelhebel
50 ist an einem Schwenkzapfen 51 angelenkt, der senkrecht zur Bewegungsrichtung
der Temperierscheibe 16 in der Mitnahmebuchse 26 befestigt ist. Ein zweiter Schenkel
des Winkelhebels 50 ist in Anlage an einem Vorsprung 52, der an der in Fig. 1 nach
oben gerichteten Rückseite der Temperierscheibe 16 angeformt ist. Eine zwischen
diesem Vorsprung 52 und der Innenwand der Mitnahmebuchse 26 eingespannte Druckfeder
53 sorgt für eine stets kraftschlüssige Verbindung zwischen Temperierscheibe 16
und Dehnstoffelement 43.
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Das Dehnstoffelement 43 dreht sich mit der Innenhülse 34 mit.
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Es besitzt hierzu Führungsflächen 54, die mit komplementären Führungsflächen
an einem inneren Ringwulst 55 der Innenhülse 34 zusammenwirken. Das Dehnstoffelement
43 kann auch drehfest angeordnet werden. In diesemFalle gleitet der Winkelhebel
n 50 an unteren Rand des Dehstoffelements 43, wenn die Mitnahmebuchse 26 mittels
Handhebel 42 und Innenhülse 34 verdreht wird.
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Das Dehnstoffelement 43 stützt sich nach oben über einen Druckstift
56 an einer Einstellspindel 57 ab. Das obere Ende der Einstellspindel 57 ist im
Durchmesser erweitert und wird von einem Zylindergehäuse 58 aufgenommen. Es steht
dort unter der Einwirkung von einer oder mehreren Druck-Sicherheitsfedern 59, welche
verhältnismäßig starr sind und das verbreiterte obere Ende der Einstellspindel 57
gegen den Boden des Zylindergehäuses 58 zu drücken suchen.
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Der obere Bereich des Zylindergehäuses 58 ist in eine Axialbohrung
60 eines hohlzylindrischen Teils 61 eingeschraubt und dort fixiert. Das hohlzylindrische
Teil 61 ist auf eine Haltebuchse 62 aufgeschraubt, die ortsfest innerhalb der Innenhülse
34 angeordnet ist. Die Fixierung der Haltebuchse 62 erfolgt mittels einer Schraube
63, die in den oberen Bereich der Außenhülse 29 eingeschraubt ist und durch einen
Schlitz 64 in der Innenhülse 34 in eine Sackbohrung 65 der Haltebuchse 62 ragt.
Die Länge des Schlitzes 64 in der Innenhulse 34 begrenzt den Winkelbereich, um den
die Innenhülse 34 samt den von ihr mitgeführten Teilen mit dem Handhebel 42 verschwenkt
werden kann.
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Die Haltebuchse 62 weist eine mehrfach abgestufte Zentralbohrung 66
auf, in der (von oben nach unten in Fig. 1 gesehen) das Zylindergehäuse 58, die
Einstellspindel 57, der Cruckstift 56 und der obere Bereich des Dehnstoffelements
43 axial verschiebbar geführt sind. Ein O-Ring 67 in der Mantelfläche der Haltebuchse
62 sowie ein den Druckstift 56 in der Zentralbohrung 66 umgebender O-Ring 68 dichten
den Wasserbereich des Thermostatventils nach oben ab.
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Auf die äußere Mantelfläche des hohlzylindrischen Teils 61 ist ein
Drehgriff 69 aufgeschraubt und dort durch eine Madenschraube 70 gesichert.
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Die Wasserwege in dem beschriebenen Thermostatventil verlaufen wie
folgt Das Warmwasser tritt über den Einlauf 2 und den Kanal 7 ein.
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Es durchsetzt die Schlitzsätze 19,21 und 25 der Steuerscheiben 14,15,16
in einer Menge, die von der Relativstellung der Steuerscheiben 14,15,16 zueinander
abhängt. Im Raum unterhalb des Deckels 47 der Mitnahmebuchse 26 vermischt sich das
Warmwasser mit dem Kaltwasser.
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Cieses Kaltwasser tritt über den Einlauf 3, den Kanal 8 und die Schlitzsätze
18,20,24 der ãteuerscheiben 14,15,16 ein, wobei diese Menge ebenfalls von der Relativstellung
der Steuerscheiben 14,15,16 zueinander abhängt.
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Das Mischwasser strömt durch die Durchtrittsöffnung 49 im Deckel 47
der Mitnahmebuchse 26 in den Innenraum 37 der Innenhülse 34 ein. Danach fließt es
am Dehnstoffelement 43 entlang, und zwar zur Optimierung der thermischen Ankoppelung
innerhalb und außerhalb des glockenförmigen Dehnstoff-Aufnahmeraumes 44. Über die
Durchtrittsöffnungen 36 der Innenhülse 34, den Ringraum 35 zwischen Innenhülse 34
und Außenhülse 29, die unteren Ausnehmungen 32 der Außenhülse 29, den Ringraum 13
zwischen Außenhülse 29 und Gehäuse 1, den Ringkanal 9 und den Kanal 10 gelangt das
Mischwasser zum Auslauf 4 Die Menge des ausfließen den Mischwassers wird durch Verschwenken
des Handhebels 42 um die in Fig. 1 senkrecht verlaufende Haupt achse des Thermostatventils;
verändert. Diese Verschwenkung bewirkt eine Verdrehung der Innenhülse 34 (ggf. samt
Dehnstoffelement 43), der Mitnahmebuchse 26 und insbesondere der Mengenscheibe 15
sowie der Temperierscheibe 16.
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Durch die Verdrehung der Mengen scheibe 15 gegen die ortsfeste
Grundscheibe
14 verändert sich die Überlappung der einander zugeordneten Schlitzsätze 18,20 bzw.
19,21 . Dies hat, wie oben /d ausführlich geschildert, eine gleichsinnige Veränderung
es effektiven Durchflußquerschnitts von Kalt- und Warmwasser zur Folge, welche das
Mischungsverhältnis des Mischwassers unberührt läßt.
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Die Temperaturregelung des Mischwassers geschieht auf folgende Weise:
Ändert sich die Temperatur des Mischwassers, so bewegt sich der untere Rand des
Dehnstoffelements 43 in axialer Richtung.
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Diese Axialbewegung bewirkt eine Drehbewegung des Winkelhebels 50
um den Schwenkzapfen 51, die ihrerseits wieder eine Linearbewegung der Temperierscheibe
16 zur Folge hat. Diese Linearbewegung verändert, wie oben ausführlich beschrieben,
die effektiven Durchflußquerschnitte für Kalt- und Warmwasser gegensinnig, und zwar
so, daß der Temperatur-Sollwertabweichung Entgegen gewirkt wird.
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Die Temperaturvorwahl erfolgt in bekannter Weise am Drehgriff 69 .
Wird dieser gemeinsam mit dem hohlzylindrischen Teil 61 auf dem Gewinde der Haltebuchse
62 verdreht, so verschieben sich das Zylindergehäuse 58, die Stellspindel 57, der
Druckstift 56 und das Dehnstoffelement 43 axial innerhalb der Innenhiilse 34 bzw.
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der Haltebuchse 62.
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Das beschriebene Thermos tatventil kann auch ohne Mengenregulierung
ausgebildet werden. Dann en tfallen der Handgriff 42 samt Ring 40, die Innenhülse
34, die Mitnahme buchse 26 und die Mengenscheibe 15. Die Temperierscheibe 16 liegt
dann direkt auf der Grundscheibe 14 auf; sie ist in diesem Falle linear im Gehäuse
1 geführt. Der Winkelhebel 50 ist über seinen Schwenkzapfen 51 ebenfalls direkt
am Gehäuse 1 angebracht.
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Insbesondere in den Fällen, in denen keine Mengenregelung gewünscht
wird, kann die Relativbewegung zwischen Temperierscheibe und Grundscheibe auch eine
Drehbewegung sein.