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Thermostatventil mit einem Heizwiderstand
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Die Erfindung betrifft ein Thermostatventil mit einem als Temperaturfühler
dienenden Arbeitselement, vorzugsweise einem Dehnstoffelement, das durch einen an
eine Stromquelle anschließbaren Heizwiderstand beheizbar ist.
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Es ist bekannt (DE-OS 27 09 732 und DE-AS 28 01 297), das Arbeitselement
eines Thermostatventils durch einen elektrischen Heizwiderstand geringfügig zu beheizen,
um dadurch eine Nachtabsenkung an mit Thermostatventilen versehenen Heizkörpern
zu erzielen. Bei eingeschaltetem Heizwiderstand wird dem Thermostatventil eine höhere
Raumtemperatur als die tatsächlich vorhandene vorgetäuscht, so daß eine Absenkung
der von dem Thermostatventil gesteuerten Raumheizung erhalten wird.
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Der an sich einleuchtende und überzeugende Gedanke der elektrischen
Beheizung des Arbeitselementes eines Thermostatventils erweist sich in der praktischen
Verwirklichung als mit Schwierigkeiten verbunden.
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Diese Schwierigkeiten liegen nicht so sehr in der Führung der elektrischen
Leitungen, sondern vielmehr in der Art der Steuerung und Auslegung des Heizwiderstandes,
damit die gewünschte geringfügige Temperaturerhöhung erhalten wird, die in der Größenordnung
von etwa 5 bis 100C liegen soll. Es besteht die Möglichkeit, die dem Heizwiderstand
zugeführte Leistung zu begrenzen, um die gewünschte Temperaturerhöhung zu erhalten.
Es stellt ein erhebliches konstruktives Problem dar, den Heizwiderstand so auszubilden
und so anzuordnen, daß er unter allen möglichen Betriebsbedingungen des Thermostatventils,
insbesondere bei geringer oder bei starker Luftzirkulation seine Heizleistung in
der gleichen Weise an das Arbeitselement überträgt. Ein mit einem leistungsbegrenzten
Heizwiderstand
ausgerüstetes Thermostatventil muß daher zwangsläufig relativ ungenau arbeiten.
Eine exakte Regelung wäre nur dann möglich, wenn anstelle der Leistungsbegrenzung
eine Temperaturerfassung an dem Arbeitselement vorgenommen würde, was jedoch in
der Praxis einen viel zu hohen Aufwand bedeuten würde.
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Es ist auch bekannt (DE-OS 27 13 467), zwischen dem Arbeitselement
eines Thermostatventils und dem Ventilstößel des Heizkörperventils einen eine mechanische
Verstellung der Lage des Arbeitselementes bewirkenden Zeitbaustein anzuordnen. Diese
Bauart führt jedoch zu einer aufwendigen und teuren Konstruktion.
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Um den Schwierigkeiten zu entgehen, die durch die Anordnung eines
Heizwiderstandes entstehen, ist es auch bekannt geworden (DE-OS 27 09 013), für
das Umschalten der Thermostatventile von Tagbetrieb auf s Nachtabsenkung den Wasserdruck
im Heizsystem zu verändern und ausgehend von dieser Größe eine Umschaltung vorzunehmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Thermostatventil
der eingangs genannten Art eine einfache elektrische Verdrahtung zu ermöglichen
und das Thermostatventil derart auszubilden, daß eine exakte Einstellung der gewünschten
abgesenkten Temperatur erhalten wird. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als
Heizwiderstand ein PTC-Widerstand dient, dessen Widerstandskurve und dessen Abmessung
derart bemessen sind, daß er bei Anschluß an die Stromquelle eine Temperaturerhöhung
an dem Arbeitselement von einer vorgegebenen Höhe bewirkt.
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Bei dieser Ausbildung wird der Vorteil ausgenutzt, daß derartige PTC-Widerstände
oder Kaltleiter sich bei Anschluß an eine Stromquelle außerordentlich rasch erwärmen
und dabei ihren Innenwiderstand gegenüber dem kalten Zustand erheblich erhöhen und
bei einer definierten Temperatur praktisch nicht mehr elektrisch leitend sind. Durch
eine geeignete Wahl der Materialzusammensetzung kann der Temperaturwert exakt festgelegt
werden, an welchem die elektrische Leitfähigkeit praktisch aufhört. Es ergibt sich
somit eine äußerst einfache Schaltung, da
der PTC-Widerstand seine
Heizleistung selbst durch seine temperaturabhängige Widerstandsänderung einregelt.
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Es war bekannt (DE-OS 26 25 561), einen Stellmotor eines Regelkreises
aus einem temperaturabhängigen Antriebselement zu bil -den, das mit einem PTC-Widerstand
beheizt wird. Bei diesem in der Gattung abweichenden Gegenstand wird der Vorteil
des PTC-Widerstandes ausgenutzt, daß er durch die temperaturabhängige Erhöhung seines
inneren Widerstandes eine beschränkte Heizleistung aufbringt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der PTC-Widerstand
einseitig mit einer elektrischen Zuleitung versehen und liegt auf der anderen Seite
an dem Gehäuse des Arbeitselementes an, das geerdet ist. Dadurch ergibt sich eine
sehr einfache Stromzufuhr zu dem PTC-Widerstand, da nur eine Zuleitung benötigt
wird.
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Aus Sicherheitsgründen wird selbstverständlich mit Niederspannung
gearbeitet. Da der PTC-Widerstand direkt an dem Gehäuse anliegt, ergibt sich ein
sehr guter Wärmeübergang, so daß seine Heizleistung besonders gut auf das Arbeitselement
übertragen wird. Um die Wärmeabgabe des PTC-Widerstandes möglichst auf eine Abgabe
an das Gehäuse des Arbeitselementes zu beschränken, ist es zweckmäßig, wenn der
PTC-Widerstand in dem dem Gehäuse des Arbeitselementes abgewandten Bereich mit einer
Wärmeisolierung abgedeckt ist.
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Bei einer baulich besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
ist vorgesehen, daß der PTC-Widerstand als ein das Gehäuse des Arbeitselementes
umgebender Ring ausgebildet ist. Ein derartiger Ring hat den Vorteil, daß er so
bemessen und angeordnet werden kann, daß er die normale Funktion des Arbeitselementes
nicht behindet, das während des normalen Betriebes ohne eingeschalteten PTC-Widerstand
als eine Art Temperaturfühler wirkt.
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Da der PTC-Widerstand nur einen geringen Raum beansprucht, ist es
möglich, in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zwei oder mehr,
auf
unterschiedliche Temperaturerhöhungen des Arbeitselementes ausgelegte PTC-Widerstände
vorzusehen, die mit getrennten elektrischen Zuleitungen versehen sind. Es ist somit
möglich, ohne Veränderungen an dem Thermostatventil vorzunehmen, von einer zentralen
Steuerstelle aus, wahlweise verschiedene Temperaturen an dem gleichen Thermostatventil
für eine Nachtabsenkung einzuregeln.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsforz der Erfindung ist
vorgesehen, daß als Antriebselement ein an sich bekanntes Dehnstoffelement dient,
das aus einem einseitig geschlossenen Gehäuse und darin untergebrachtem Dehnstoff,
einem Gummieinsatz und einem Kolben gebildet ist und daß der oder die PTC-Widerstände
im Bereich des Ringbundes angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform bleibt der
die Raumtemperatur erfassende Bereich des Arbeitselementes während des normalen
Betriebes, d.h. ohne eingeschalteten PTC-Widerstand, völlig frei, so daß seine Funktion
durch die Anbringung des oder der PTC-Widerstände nicht beeinflußt wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Thermostatventils mit einem Schnitt durch ein mit PTC-Widerständen versehenes Arbeitselement
und Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgenäßen
Thermostatventils mit von dem Arbeitselement unabhängig angebrachten Heizwiderstand.
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Das Arbeitselement 3 besitzt ein einseitig geschlossenes zylindrisches
Gehäuse 6, das aus einem gut wärmeleitenden Werkstoffbesteht, beispielsweise Messing.
In das aufgeweitete, einen Ringbund 12 bildende andere Ende des Gehäuses 6 ist ein
Einsatz 13 eingepreßt, dar das Innere des Gehäuses nach außen abdichtet. Das Gehäuse
6 enthält in dem zylindrischen Teil einen Dehnstoff 9, der einen Gummieinsatz 10
umschließt, der sich im Bereich des Ringbundes erweitert und der den Bereich, in
welchem der Dehnstoff 9
aufgenommen ist, nach außen abdichtet. In
den Gummieinsatz 10 taucht ein durch den Einsatz 13 geführter Kolben 11 ein, der
nach außen über das offene Ende des Gehäuses 6 und den Einsatz 3 hervorsteht. Bei
einer Erwärmung des Dehnstoffes 9 dehnt sich dieser aus und drückt über das Gummielement
10 den Kolben 11 aus dem Gehäuse 6 heraus. Dieser Kolbenhub wird auf einen nur angedeuteten
Stößel 14 eines Heizkörperventils übertragen. Der Stößel 14 ist mit einem in einem
Ventilgehäuse 15 befindlichen Ventilteller 16 versehen, dem ein Ventilsitz des Ventilgehäuses
15 zugeordnet ist. Der Ventilstößel, der in einem Einsatz 18 des Ventilgehäuses
15 geführt ist, ist mit einer Druckfeder 17 belastet, die den Ventilteller 16 in
Öffnungsrichtung belastet. Das Arbeitselement 3 ist in einem als Drehgriff o.dgl.
ausgebildeten Gehäuseteil 19 befestigt, das über ein Zwischenstück in nicht näher
dargestellter Weise derart mit dem Ventilgehäuse 15 verbunden ist, daß das gesamte
Arbeitselement mit dem Gehäuseteil 19 in axialer Richtung des Kolbens und des Ventilstößels
14 verstellt werden kann, um das Ventil zu schließen oder zu öffnen.
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Durch die Verstellung des Gehäuseteils 19 erfolgt die Grundeinstellung
des Ventils, das über das Arbeitselement 3 geregelt wird.
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Das Arbeitselement 3 spricht auf die Raumtemperatur an, indem schon
bei der Raumtemperatur eine mehr oder weniger starke Ausdehnung des Dehnstoffes
9 erhalten wird, wodurch eine Regelung des Thermostatventils erfolgt.
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Um bei gegebener und von dem Thermostatventil über das Arbeitselement
3 korrekt eingeregelter Raumtemperatur eine Temperaturabsenkung zu erhalten, insbesondere
eine sogenannte Nachtabsenkung, wird vorgesehen, daß das Arbeitselement eine gegenüber
der Raumtemperatur um einen bestimmten Wert erhöhte Temperatur erhält, so daß es
auf diese erhöhte Temperatur einregelt, die dem Arbeitselement 3 als Raumtemperatur
vorgetäuscht wird.
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Um die Temperatur des Arbeitselementes 3 zu erhöhen ist an dem Ringbund
12 des Gehäuses 6 ein PTC-Widerstand 1 angebracht, der eine ringförmige Gestalt
besitzt und mit seinem Innenumfang flächig an dem Gehäuse 6 anliegt. An den Außenumfang
des PTC-Widerstandes 1 ist eine elektrische Zuleitung 4 angeschlossen, die in nicht
näher dargestellter Weise über ein Zeitschaltwerk o.dgl. an eine Stromquelle angeschlossen
ist. Die elektrische Zuleitung 4, die von der Seite des Ventilgehäuses 5 her durch
den Gehäuseteil 19 hindurch zu dem PTC-Widerstand 1 geführt ist, bildet den Pluspol,
für eine Gleichspannung von beispielsweise 24 Volt. Da der Heizkörper und damit
auch das Ventilgehäuse 15 geerdet sind, was mit dem Bezugszeichen 20 angedeutet
ist, und da eine metallische Verbindung zwischen dem Gehäuse 6 und dem Ventilgehäuse
5 besteht, dient das Gehäuse 6 als Massepol. Der ringförpige PTC-Widerstand 1 ist
an seinen dem Gehäuse 6 abgewandten Flächen mit einer Wärmeisolierung 7 abgedeckt.
Ein PTC-Widerstand hat den Vorteil, daß er ab einer bestimmten, durch seine Zusammensetzung
beeinflußbaren Temperatur einen sehr hohen Widerstand erhält, so daß er für die
vorliegende Anordnung als praktisch nicht leitend wirkt. Außerdem erwärmt sich ein
derartiger PTC-Widerstand sehr schnell bis zu dieser Temperatur.
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Dies führt zu dem Vorteil, daß der PTC-Widerstand 1 sich dann, wenn
über die Zuleitung 4 Strom zugeführt wird, sich sehr schnell auf die ihm vorgegebene
Temperatur erwärmt und dann den Strom -kreis unterbricht. Er führt damit selbst
eine exakte Temperaturregelung aus, indem durch ihn festgelegt ist, welche Temperatur
der PTC-Widerstand 1 selbst erreichen kann. Da er unmittelbar an dem Gehäuse 6 anliegt,
ergibt sich ein guter Wärmeübergang zu dem Gehäuse. Seine Größe wird so bemessen,
daß die in dem PTC-Widerstand 1 erhaltene Temperatur einen Wert erreicht, der einer
definierten Temperaturerhöhung des Dehnstoffes 9 und damit einem definierten Weg
des Kolbens 11 entspricht. Die gewünschte Auslegung des PTC-Widerstandes 1 läßt
sidi durch einfache Versuche durch Messungen des Kolbenweges ermitteln. Da der PTC-Widerstand
1 relativ klein gehalten ist, nimmt er nur einen geringen Raum ein, so daß der für
die Erfassung der Raumtemperatur bestimmte
Bereich,,nämlich der
zylindrische Teil des Gehäuses 6, des Arbeitselementes nicht gestört wird. Dadurch
wird der Normalbetrieb, d.h. bei nicht an die Stromquelle angeschlossenem PTC-Widerstand
1, nicht gestört. Da der PTC-Widerstand auf seinen dem Gehäuse 6 abgewandten Flächen
wärmeisoliert ist, gibt er seine Wärme praktisch vollständig an das Gehäuse ab.
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Er kann deshalb eine gegenüber der Raumtemperatur relativ hohe Temperatur
annehmen und entsprechend in seinem Platzbedarf klein dimensioniert werden.
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Insbesondere aufgrund des geringen Platzbedarfes ist es möglich, einen
weiteren PTC-Widerstand 2 an dem Gehäuse 6 anzubringen, der ebenfalls flächig an
dem Gehäuse 6 anliegt und dessen dem Gehäuse abgewandten Flächen durch eine Wärmeisolierung
8 abgedeckt sind. Für diesen PTC-Widerstand 2 ist eine eigene elektrische Zuleitung
5 vorgesehen. Der PTC-Widerstand 2 kann bezüglich seiner temperaturabhängigen Leitfähigkeit
und/ oder auch bezüglich seiner Abmessung verschieden von dem PTC-Widerstand 1 ausgelegt
werden, so daß eine unterschiedliche Aufheizung des Arbeitselementes 3 erhalten
wird, wenn der PTC-Widerstand 1 oder der PTC-Widerstand 2 an die Stromquelle angeschlossen
werden. Es ist auch möglich, beide PTC-Widerstände 1 und 2 gleichzeitig an die Stromquelle
anzuschließen und damit eine noch stärkere Temperaturerhöhung des Arbeitselementes
3 zu bewirken, d.h. eine tiefere Nachtabsenktemperatur. Auch hier ist die Verdrahtung
noch äußerst einfach, da jeweils nur eine elektrische Zuleitung zu den PTC-Widerständen
1 und 2 geführt werden braucht.
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Bei allen Thermostatventilen ist es notwendig, eine Überdrückfeder
vorzusehen, die so ausgelegt ist, daß sie auch dann noch eine Kolbenbewegung des
Arbeitselementes 3 ermöglicht, wenn der Ventilteller 16 bereits an dem Ventilsitz
zur Anlage gekommen ist. Die Federkraft dieser überdrückfeder wird wesentlich stärker
ausgelegt als die Federkraft ! der Druckfeder,
die das Öffnen des
Ventils besorgt. Es ist möglich, eine derartige Uberdrückfeder in nicht näher dargestellter
Weise zwischen dem Stößel 14 des Heizkörperventils und dem Kolben des Arbeitselementes
3 unterzubringen. Es ist aber auch möglich, das Arbeitselement 3 mit einer Überdrückfeder
an dem verstellbaren Gehäuseteil 19 zu halten, so daß sich dann, wenn der Ventilteller
an den Ventilsitz anlegt, das Arbeitselement 3 gegenüber dem Gehäuseteil 19 verlagern
kann und eine weitere Kolbenbewegung zuläßt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist das Arbeitselement 3 mit einer
Überdrückfeder 21 derart nachgiebig in einem beispielsweise aus Kunststoff bestehenden
Gehäuseteil 24 gehalten, daß sich das Arbeitselement 3 entgegen der Richtung des
Arbeitshubes verlagert, wenn der von dem Kolben 11 verstellte Ventilteller den Ventilsitz
erreicht hat. Der Gehäuseteil 24, der in nicht näher dargestellter Weise, beispielsweise
mittels eines Gewindes an einem ortsfest mit dem Heizkörperventil zu verbindenden
Bauteil in Richtung des Arbeitshubes verstellbar gehalten ist, ist ein Anschlag
23 vorgesehen, gegen den in Richtung des Arbeitshubes das Arbeitselement 3 mitder
Überdrückfeder 21 angedrückt wird. Die überdrückfeder 21, die eine kegelförmige
Gestalt besitzt, stützt sich mit einem Ende gegen eine in den Ringbund 12 des Gehäuses
6 des Arbeitselementes 3 übergehende Kegelfläche und mit dem anderen Ende an einem
Ringbund 27 des Gehäuseteils 24 ab. Sie drückt das Gehäuse 6 des Arbeitse1ementes
3 gegen den Anschlag 23. Zwischen dem Anschlag 23 und der Stirnfläche des Gehäuses
6 ist ein PTC-Widerstand 22 angeordnet, der eine scheibenförmige Gestalt aufweist
und der flächig an der mit der Austrittsöffnung für den Kolben 11 versehenen Stirnfläche
des Gehäuses 6 anliegt. Der Anschlag 23 ist Illit einer Durchtrittsöffnung 25 für
den Kolben 11 versehen, die ebenso wie die Durchtrittsöffnung 26 für den Kolben
11 einen relativ großen Abstand zu dem Kolben 11 einhält, so daß ein Luftspalt einer
bestimmten Größe gegeben ist. Der
PTC-Widerstand 22 ist auf einer
Seite, beispielsweise der dem Anschlag 23 zugewandten Seite, mit einer elektrischen
Zuleitung 4 und auf der anderen Seite mit einer einen Masseanschluß bildenden Leitung
28 versehen.
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Wenn der PTC-Widerstand beispielsweise durch Kleben mit der Stirnfläche
des Gehäuses 6 verbunden wird, so ergibt sich die zu Fig. 1 geschilderte Arbeitsweise
des Thermostatventils. Es ist jedoch auch möglich, den PTC-Widerstand 22 an dem
Gehäuseteil 24 derart ortsfest zu halten, daß sich bei einem Ansprechen der überdruckfeder
das Gehäuse 6 des Arbeitselementes 3 von dem PTC-Widerstand 22 abhebt. Bei einem
Abheben des Gehäuses 6 von dem PTC-Widerstand 22 wird der Wärmeübergang wesentlich
verschlechtert und somit die übertragbare Wärmemenge wesentlich verringert. Dieser
Effekt kann noch gesteigert werden, wenn sichergestellt wird, daß durch den zwischen
dem Gehäuse 6 des Arbeitselementes 3 und dem PTC-Widerstand 22 entstehenden Spalt
eine Luftzirkulation entstehen kann, was durch die relativ großen Durchtrittsöffnungen
25 und 26 begünstigt wird. Unter Umständen ist es zweckmäßig, Luftzutrittsöffnungen
in dem dem Arbeitselement 3 bezüglich des Anschlages 23 abgewandten Bereich des
Gehäuseteils 24 vorzusehen.
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Durch diese Möglichkeit der Verringerung des Wärmeübergangs und damit
der Verringerung der übertragbaren Heizleistung kommt es nicht mehr so sehr auf
eine exakte Festlegung einer Abschalttemperatur des PTC-Widerstandes 22 an. Diese
Abschalttemperatur braucht nur noch in relativ groben Grenzen festgelegt werden.
Es kommt vielmehr darauf an, daß der PTC-Widerstand 22 eine bestimmte Heizleistung
aufbringen kann, die zu einer vorgegebenen Brwärmung des Arbeitselementes 3 führt,
solange sich der PTC-Widerstand 22 und das Gehäuse 6 des Arbeitselementes 3 berühren.
Es ist deshalb auch möglich, anstelle eines PTC-Widerstandes 22 einen anderen elektrischen
Heizwiderstand in gleicher Weise anzuordnen, der auf eine bestimmte, konstante Heizleistung
ausgelegt ist und
der sich nicht selbst bezüglich der Temperatur
regelt. Es besteht ferner die Möglichkeit, den PTC-Widerstand 22 oder den elektrischen
Heizwiderstand in einem Schaltkreis anzuordnen, der abhängig von der gewünschten
abgesenkten Temperatur die Heizleistung des Widerstandes z.B. mittels eines von
dem Thermostatventil unabhängig angeordneten Raumthermostaten steuert. Durch die
Möglichkeit der Trennung des PTC-Widerstandes bzw. des Heizwiderstandes von dem
Gehäuse 6 des Arbeitselementes 3 wird der Vorteil erreicht, daß ein Heizwiderstand
mit relativ großer Leistung verwendet werden kann, da diese Leistung zu ihrem wesentlichen
Teil nur dann an das Arbeitselement 3 übertragen wird, wenn durch die direkte Berührung
ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist. Diese größere Heizleistung führt zu einem
schnelleren Ansprechen des Thermostatventils und Einregeln auf die abgesenkte Temperatur,
ohne daß eine zu tiefe Temperaturabsenkung auch bei extremen Bedingungen erhalten
wird.