DE2856313C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein thermostatisches Element, insbesondere für thermostatische Hähne von Zentralheizungkörpern, mit einer flachen Membrane, die an ihrem Umfang zwischen dem freien Rand einer Manschette und einem der Enden einer Rohrführung eingefaßt ist, mit einem dehnbaren Werkstoff auf Wachsbasis, der sich in einer durch die Manschette und die Membrane begrenzten Kammer befindet und mit einem Kolben, der teilweise im Inneren der Rohrleitung montiert und so angeordnet ist, daß er durch eine Belastung von außen unter Zwischenlage einer ausdrückfesten Unterlegscheibe im Kontakt mit der Membrane gehalten ist. Derartige thermostatische Elemente werden vielfach verwendet. Sie sind beispielsweise aus der US-PS 29 31 390 bekannt geworden. Hinsichtlich des Schaltverhaltens bedürfen sie jedoch noch Ergänzungen.

Bekanntlich dehnt sich das Wachs bei Temperaturveränderungen in der Umgebung der Manschette mehr oder weniger aus. Hierdurch ragt der Kolben mit Hilfe der Membrane und der ausdrückfesten Unterlegscheibe mehr oder weniger, in Bezug auf seine Führung, heraus.

Die Qualität dieser thermostatischen Elemente ist besonders mit ihrer "Hysterese", d. h. dem Verhaltensunterschied bei Erwärmung und Abkühlung, verknüpft. Man kann diese Hysterese durch die Abweichung zwischen den Temperaturen bewerten, bei denen der Kolben bei Erwärmung und Abkühlung im Bezug auf seine Führung in der gleichen Höhe hervorragt. Diese Elemente, sowie sie zur Zeit auf dem Markt angetroffen werden, weisen eine Hysterese von mehr als 1°C auf. Bei bestimmten Anwendungen besteht jedoch ein Interesse, über ein thermostatisches Element zu verfügen, dessen Hysterese so schwach wie möglich ist. Das bedeutet, daß die Verkleinerung dieser Hysterese die Wärmeverluste verringert und dem zur Folge zur Wirtschaftlichkeit der Öl- und anderen Brennstoffe beiträgt, wenn das thermostatische Element in einem Hahn eines Zentralheizungskörpers in der Weise eingebaut ist, daß es auf die Temperatur des zu beheizenden Teiles anspricht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem thermostatischen Element der eingangs genannten Art, die Hysterese weiter zu verkleinern. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Hysterese des thermostatischen Elementes unter 1°C reduzierbar ist, wobei der Arbeitshub C des Kolbens höchstens 1,1 d ist. Hierbei ist d der Durchmesser des Kolbens, wobei die Rohrführung im Inneren auf ihrer gesamten Länge als Zylinder ausgebildet ist, wobei die auf den Kolben ausgeübte Höchstlast 0,08 d³ entspricht und diese Last in Kilogramm und d in Millimeter ausgedrückt ist, wobei der Quotient D 2/H zwischen dem Durchmesser D 2 der Manschette und ihrer inneren Höhe H zwischen 0,5 und 2 liegt. Durch diese Maßnahmen wird ein thermostatisches Element geschaffen, das in seinem Hysterese-Verhalten wesentlich günstiger als die bisher bekannten abschneidet, so daß mit einem solchen thermostatischen Element Zentralheizungskörper in Abhängigkeit der jeweiligen Umgebungstemperatur feinfühlig regulierbar sind.

Weitere Einzelheiten und Verbesserungen sowie Vervollkommnungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen entnehmbar, hierbei ist der Aufbau des thermostatischen Elementes zum großen Teil in Verbindung mit dem Durchmesser d des Kolbens gesetzt.

Es sei hier darauf hingewiesen, daß einzelne Merkmale aus dem Stande der Technik bereits bekannt sind. So zeigt beispielsweise die GB-PS 6 21 261 bereits eine Rohrführung, die im Inneren auf ihrer gesamten Länge als Zylinder ausgebildet ist. Aus der US-PS 26 36 776 ist es bereits bekannt, daß auf der Membrane ein Stopfen vorgesehen ist. Aus der DE-PS 24 44 931 ist es bereits bekannt, eine Hohlkehle am Beginn der Rohrführung vorzusehen. In allen Druckschriften ist jedoch bei den bekannten Merkmalen nicht angesprochen, daß diese zur Verkleinerung der Hysterese dienen sollen.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Achsschnitt durch ein thermostatisches Element, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Stellung, die bei der Mindestnutzungstemperatur eingenommen wird,

Fig. 2 zeigt das thermostatische Element nach Fig. 1 in einer Stellung, die bei der Höchstnutzungstemperatur eingenommen wird

Fig. 3 zeigt in einem Achsschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 zeigt die graphische Darstellung des Kolbenhubs (in mm) bei diesem Element, der von der Temperatur (in °C) abhängig ist,

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch die Membrane im nicht eingebauten Zustand bzw. Ruhezustand,

Fig. 6-9 zeigen Vergleichsdarstellungen, wie die Membrane der Fig. 5 sich entsprechend den Bedingungen ihrer Einfassung verformt.

Das thermostatische Element 1, daß in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, wird gebildet:

• - durch eine flache Membrane 2, die am Umkreis zwischen dem freien Rand 3 einer Manschette 4 und einem der Enden einer Rohrführung 5 eingefaßt wird;
• - durch einen dehnbaren Werkstoff 6 auf Basis von mikrokristallinem Wachs, das sich in der durch die Manschette 4 und die Membrane 2 begrenzten Kammer befindet und
• - durch einen Kolben oder Tauchkörper 7, der teilweise im Inneren der Rohrführung 5 montiert und so angeordnet ist, daß er durch eine äußere, durch einen Pfeil F schematisierte Belastung im Kontakt mit der Membrane 2, mit Zwischeneinsatz einer ausdrückfesten Unterlegscheibe 8, gehalten wird. Die Manschette 4 und die Rohrführung 5 haben im großen und ganzen die Form koaxialer Zylinder.

Die Unterlegscheibe 8, deren Rolle es ist zu verhindern, daß das Gummi der Membrane 2 in das bestehende Spiel zwischen der inneren Fläche der Rohrführung 5 und der äußeren Fläche des Kolbens 7 gedrückt wird, besteht aus einem halbfesten Material wie PFTE (Polytetrafluoraethylen) und weist im Ruhezustand einen äußeren Durchmesser auf, der etwas größer als der Durchmesser der Rohrführung 5 ist.

Der Arbeitshub C des Kolbens 7 (zwischen den Mindest- und Höchsttemperaturen) ist höchstens gleich 1,1 d, wobei d den Durchmesser des Kolbens bezeichnet.

Der freie Durchmesser D 1 der Membrane 2 im eingebauten Zustand muß mindestens gleich 2,2 d sein, unter dem Vorbehalt, daß die Manschette 4, die den dehnbaren Werkstoff 6 enthält, unter der Druckeinwirkung von innen sich praktisch nicht verformt. Dadurch wird erreicht, daß das Verhältnis D 2/H (wobei D 2 der Durchmesser der Manschette 4 und H ihre innere Höhe ist) zwischen ½ und 2, vorzugsweise bei 1 liegt, und daß die Dicke e 1 der Manschette 4, die aus Messing oder Kupfer besteht, zwischen 0,08 D 2 und 0,12 D 2 einbegriffen ist. Insbesondere muß der Wert für die Dicke e 1 ausreichend groß gewählt werden, damit die Manschette 4 gut den inneren Druckhälften widersteht, aber auch klein genug, daß ihre Wand schnell die Umgebungstemperaturschwankungen auf den dehnbaren Werkstoff 6 überträgt.

Die aus den üblicherweise verwandten Gummimischungen hergestellte Membrane 2 (z. B. Kopolymerisat von Butadien und Acrylnitrit), weist eine bevorzugte Dicke zwischen 0,15 und 0,25 d auf, vorausgesetzt, die auf den Kolben wirkende Höchstlast (Pfeil F) ausgedrückt in Kilogramm ist höchstens gleich 0,08 d³, wobei d selbst in Millimeter angegeben wird.

Das thermostatische Element 1, 1 a kann ebensogut ohne (vergleiche das thermostatische Element 1 in den Fig. 1 und 2) wie mit einem elastischen, verschiebbaren Stopfen z. B. aus Gummi 9 (vergleiche das thermostatische Element 1 a in Fig. 3) angewandt werden. Hierbei ist der Gummistopfen 9 zwischen der Unterlegscheibe 8 und der Membrane 2 so angeordnet, daß er die Dichte zwischen der Manschette 4 sowohl nach außen als auch nach innen vervollständigt. Wenn das Element 1 a mit einem solchen Stopfen 9 (Fig. 3) versehen ist, so darf die Höhe h des letzeren höchstens gleich d/3 sein, wobei das thermostatische Element 1 a so ausgeführt ist, daß der Stopfen 9 sich im inneren zylindrischen Teil der Führung 5 bewegt.

Der Kolben 7 und die Führung 5 können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, und zwar insbesondere aus Messing oder aus einem Kunststoff mit einem Dehnungskoeffizienten, der bei dem Koeffizienten des Messings liegt.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform haben die diversen Parameter des thermostatischen Elementes 1 oder 1 a folgende numerische Werte, wenn die Manschette 4 aus Kupfer und die Membrane 2 aus dem Mischpolymerisat aus Butadien und Acrylnitrit besteht

d= 6,65 mmC= 5 mmD 1= 15 mm D 2= 13,6 mm H= 15 mm e 1= 1,1 mm e 2= 1,2 mm h= 2 mm Höchstbelastung= 15 kg

Somit erhält man ein thermostatisches Element 1 oder 1 a, dessen Betriebskurve (Kurve der gemessenen Durchschnittswerte an mehreren unterschiedlichen Elementen) in der Fig. 4 dargestellt wurde. Ebenso wie die beiden Pfeile, in bezug auf die beiden Abschnitte der Kurve dargestellt, anzeigen, entspricht der untere Teil der Kurve dem Temperaturanstieg des Elements 1 oder 1 a und der obere Teil dem Temperaturabfall. Fig. 4 ist zu entnehmen, daß die Hysterese, d. h. die horizontale Abweichung zwischen den beiden Kurventeilen ziemlich unter 1° liegt.

Im folgenden soll dieses Ergebnis kurz erläutert werden: Je größer der Durchmesser d des Kolbens 7 ist, um so kleiner ist der innere Druck aufgrund einer Belastung des Kolbens 7. Je kleiner dieser Druck ist, um so kleiner ist die Volumenänderung des dieser Belastung ausgesetzten dehnbaren Werkstoffes 6, und um so größer ist die Steifheit des Elementes 1 oder 1 a (wobei die Steifheit durch das Eindringen des Kolbens 7 bei konstanter Temperatur und unter Einwirkung einer einheitlichen Belastung von z. B. 10 N bewertet wird). Folglich nimmt die Hysterese linear mit der Steifheit ab. Schließlich ist die Hysterese um so kleiner, je größer der Durchmesser d des Kolbens 7 ist, wobei der Arbeitshub C des Kolbens 7 höchstens gleich 1,1 d ist.

Das thermostatische Element 1 oder 1 a ist hinsichtlich seiner Breite etwas größer ausgelegt als die üblichen Elemente, aber für die Manschette 4, die den dehnbaren Werkstoff 6 enthält, benötigt man nicht mehr Werkstoff als für die derzeitigen Elemente. Die erforderliche Menge des dehnbaren Werkstoffs 6 ist gewiß höher, aber sein Einfluß auf den Preis ist unbedeutend und wird in jedem Fall durch eine Preisverringerung der Manschette 4 und der Rohrführung 5 ausgeglichen, was leichter zu verwirklichen ist. Außerdem erhöht sich die Ansprechzeit nicht, denn wenn der Durchmesser des dehnbaren Werkstoffes 6 vergrößert wird, verringert sich der innnere Druck, wodurch der Einfluß dieses Durchmessers auf die Ansprechzeit ausgeglichen wird.

Die Bedingungen, unter welchen die Einfassung der Membrane 2 erfolgt, beeinflußt ebenfalls die Qualität des thermostatischen Elementes 1,1 a, so wie es die Fig. 5-9 zeigen.

Die Fig. 5 zeigt im Schnitt die Membrane 2 im Ruhezustand bzw. nicht eingebauten Zustand. Die Membrane 2 ist dann flach und gleichmäßig dick.

Wenn die Membrane 2 so eingebaut ist, wie es die Fig. 6 zeigt, und zwar zwischen dem freien Rand 3 der Manschette 4 und einem zylindrischen Ring 19, so wird sie an ihrem Umfang durch den Einfassungsdruck zusammengedrückt, so daß ihr nicht eingefaßter Bereich die Form einer Kugelkalotte annimmt und zwar entweder nach oben (wie es in ausgezogener Linie gezeichnet ist) oder nach unten (wie es gestrichelt gezeichnet ist).

Obwohl die Membrane 2 im Schnitt in den Fig. 1-3 und 5-9 dargestellt ist, hat man die Schnittstriche bei den Fig. 1-3 und 6 bis 9 weggelassen, um die Zeichnung klarer zu gestalten.

Bei den herkömmlichen Ausführungsformen, wie Fig. 7 zeigt, endet die Rohrführung 5 mit einem flachen Einfassungsflansch 10, der an der Membrane 2 Spannungen und dadurch Faltenbildungen 11 verursacht, die die Funktion des thermostatischen Elements 1,1 a beeinträchtigen. Die Membrane 2 wird nämlich einerseits durch den Kolben 7 oder durch die ausdrückfeste Unterlegscheibe 8 daran gehindert, die nach oben gewölbte, in der Fig. 6 gezeigte Kugelkalottenform anzunehmen, und andererseits wird der in der Manschette 4 enthaltene dehnbare Werkstoff 6 daran gehindert, die in Fig. 6 gestrichelt gezeichnet dargestellte Form anzunehmen.

Die Fig. 8 zeigt, wie die Faltenbildung 11 der Fig. 6 beseitigt werden kann. Zu diesem Zweck ist die Rohrführung 5 mit einem Einfassungsflansch 10 a versehen, dessen zur Manschette 4 zugewandten Fläche 12 sich genau der Kugelkalottenform der Membrane 2 anpaßt, wenn diese sich unter der Einwirkung des Einfassungsflansches 10 a nach oben wölbt. Um eine Beschädigung der Membrane 2 im sich Ausdehnen des thermostatischen Elementes 1,1 a zu vermeiden, wird die Fläche 12 mit der inneren zylindrischen Fläche der Rohrführung 5 durch eine Hohlkehle 13 verbunden. In diesem Fall besteht für die Membrane 2 das Risiko, wenn sich die ausdrückfeste Unterlegscheibe 8 nicht vollständig im Inneren der Rohrführung 5 angeordnet ist, zwischen der Hohlkehle 13 und der ausdrückfesten Unterlegscheibe 8 eingeklemmt zu werden.

Die Fig. 9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform zur Vermeidung der beim Einfassen der Membrane 2 möglichen Schwierigkeiten. Dazu hat die Fläche 12 a des Flansches 10 a der Führung 5 eine solche Form, daß in der Ausgangsposition (Mindestbetriebstemperatur) die Membrane 2 eine Fläche gleich ihrer freien Fläche ohne Ausdehnung hat, und die ausdrückfeste Unterlegscheibe 8 sich im Inneren der Rohrführung 5 jenseits des Anfangs der Hohlkehle 13 befindet. Bei der Fig. 9 hat man zum Vergleich gestrichelt die Fläche 12 gemäß Fig. 8 eingezeichnet. Damit die Membrane 2 die Ausgangsposition gemäß der Fig. 9 einnimmt, genügt es, wenn man örtlich einen permanenten Druck auf die Manschette ausübt, um den verformbaren Werkstoff 6 in der Weise zu verdrängen, daß er die Membrane 2 gegen die Fläche 12 a, die Hohlkehle 13, den Beginn der inneren zylindrischen Fläche der Führung 5 und die Unterseite der ausdrückfesten Unterlegscheibe 8 drückt.

Claims (5)

1. Thermostatisches Element, insbesondere für thermostatische Hähne von Zentralheizungskörpern, mit einer flachen Membrane,
die an ihrem Umfang zwischen dem freien Rand einer Manschette und einem der Enden einer Rohrführung eingefaßt ist,
mit einem dehnbaren Werkstoff auf Wachsbasis, der sich in einer durch die Manschette und die Membrane begrenzten Kammer befindet, und
mit einem Kolben, der teilweise im Inneren der Rohrführung montiert und so angeordnet ist, daß er durch eine Belastung von außen unter Zwischenlage einer ausdrückfesten Unterlegscheibe im Kontakt mit der Membrane gehalten ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hysterese des thermostatischen Elementes unter 1°C reduzierbar ist, wobei der Arbeitshub C des Kolbens (7) höchstens gleich 1,1 d ist, hierbei ist d der Durchmesser des Kolbens (7), wobei die Rohrführung (5) im Inneren auf ihrer gesamten Länge als Zylinder ausgebildet ist, wobei die auf den Kolben (7) ausgeübte Höchstlast 0,08 d³ entspricht und diese Last in Kilogramm und d in Millimeter ausgedrückt ist, wobei der Quotient D 2/H zwischen dem Durchmesser D 2 der Manschette (4) und ihrer inneren Höhe H zwischen 0,5 und 2 liegt.

2. Thermostatisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ausdrückfesten Unterlegscheibe (8) und der Membrane (2) ein elastischer, verschiebbarer Stopfen (9) vorgesehen ist, daß der Stopfen (9) eine Länge h von höchstens d/3 hat, und im Inneren des Zylinders der Rohrführung (5) angeordnet ist.

3. Thermostatisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrführung (5) mit einem Einfassungsflansch (10 a) versehen ist, dessen gegen die Membrane (2) gerichtete Fläche (12 a) über eine Hohlkehle (13) mit der inneren zylindrischen Fläche der Rohrführung (5) verbunden ist, daß in der Ausgangsstellung die Membrane (2) die ausdrückfeste Unterlegscheibe (8) jenseits des Anfangspunktes der Hohlkehle (13) trägt.

4. Thermostatisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke e 1 der Manschette (4) zwischen 0,08 D 2 und 0,12 D 2 liegt, hierbei ist D 2 der Durchmesser der Manschette (4).

5. Thermostatisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) einen Durchmesser d von 6,65 mm aufweist, daß der Durchmesser D 1 der gummielastischen Membrane (2) nach der Einfassung 15 mm beträgt, daß der Quotient D 2/H aus dem Durchmesser D 2 der aus Kupfer bestehenden Manschette (4) und ihrer inneren Höhe H bei 0,91 liegt.