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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der thermostatischen Ventile, die dazu
bestimmt sind, die Temperatur über die sie durchsetzende Fluidmenge einzustellen
bzw. zu regulieren. Die zugeordneten Einstell- oder Regulierverfahren sind im
übrigen erfindungsgemäß in Betracht gezogen.
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Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit Ventilen, die durch ein
erstes wärmeempfindliches oder sich in der Wärme ausdehnendes Element wie
ausdehnbares Wachs betätigt werden.
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In üblicher Weise wirkt bei solchen Ventilen eine ausdehnbares Wachs
umschließende Kapsel und in Kontakt mit dem Fluid steht, auf eine Klappe wirkt, die
öffnet, sobald die Temperatur der Kapsel einen Schwellenwert überscheitet; die
Klappe bleibt unterhalb dieses Schwellenwerts geschlossen. Eine besonders
interessante Anwendung dieses Typs von Ventilen bezieht sich auf Kühlkreisläufe
von thermischen Motoren. In diesem Fall werden die Thermostate an Kühlkreisläufe
der Motoren an einem Ort angebracht, wo sie den Kühlradiator kurzschließen
können, um zu vermeiden, dass die Kühlflüssigkeit etwa den Radiator durchsetzen
würde. Dies verhindert, dass die Flüssigkeit gekühlt wird, indem sie den Radiator
durchfließt und trägt also dazu bei, die Erwärmung des Motors und der
Fahrzeugkabine zu beschleunigen. Ist der Motor heiß, so besteht die Rolle solcher
Ventile darin, die Temperatur der Flüssigkeit in einem bestimmen Regulier- oder
Einstellintervall, beispielsweise zwischen 80ºC und 90ºC, zu halten.
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Es existieren also Ventile, welche wärmeempfindliche Elemente enthalten, die über
einen ersten Schwellenwert entsprechend einer geringen Öffnung des Ventils und
einen zweiten Temperaturschwellenwert, der höher für die volle Öffnung ist,
verfügen. Das Steuerintervall befindet sich zwischen diesen beiden Werten.
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Zahlreiche Veröffentlichungen erfolgten bereits auf diesem Gebiet wie beispielsweise
die Patentschriften US 4 875 437, US 4 828 167, oder die Patentanmeldungen EP
383 249, EP 653 554, FR 2 668 853.
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Diese Dokumente beschreiben Verbesserungen am vorgenannten Basiskonzept.
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Die japanische Patentschrift JIP 60 256692 hat eine Vorrichtung zum Gegenstand,
welche zwei Ausdehnungsmittel besitzt, die in dauerndem Kontakt mit dem Fluid
steht. Eines der Ausdehnungssysteme dehnt sich ab einem gewissen Schwellenwert
aus, während das andere seine Ausdehnung ausgehend von einem zweiten
Schwellenwert entsprechend einer höheren Temperatur des Fluids beginnt.
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Die japanische Patentschrift JP 61 101 617 verfügt über einen Thermostaten mit
zwei Schwellenwerten. Das zweite wärmeempfindliche Element wird erreicht, wenn
das Ventil für das erste Element offen ist. In diesem Fall ist zu beachten, dass das
zweite Element empfindlich für eine Temperatur, die höher als die erste liegt, ist.
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Die US PS 2 137 136 beschreibt eine Kombination von zwei Schwellenwert-
Thermostaten unterschiedlichen Temperaturschwellenwerts, die sich hinter zwei
Klappen befindet, welche eine unterschiedliche Öffnung als Funktion der Temperatur
der Kühlflüssigkeit ermöglichen.
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Die FR 1 397 781 zeigt eine Kombination von in Reihe angeordneten Thermostaten,
die dazu bestimmt ist, eine Ventilanordnung bei unterschiedlichen Temperaturen zu
öffnen.
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Die vorliegende Erfindung bietet insbesondere eine einfache und originelle Lösung
für das Problem der Temperaturschwankungen der Flüssigkeit um einen Steuerwert.
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In Praxis sind diese Schwankungen zurückzuführen auf eine Aufeinanderfolge von
Öffnungs- und Schließvorgängen des Ventils, die durch die Ansprechverzögerung
ungleich Null des thermoempfindlichen Elements induziert werden.
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Selbstverständlich sind diese verschiedenen Schwankungen nicht wünschenswert,
da sie im Falle der Steuerung von Kühlkreisläufen von Motoren die Einstellung bzw.
Regulierung stören und die Kreisläufe periodischen Druck- und Temperaturzwängen
unterwerfen, welche die Elemente des Kreises ermüden.
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Lösungen für dieses Problem sind bereits vorgeschlagen, wie beispielsweise
Thermostate mit Mehrfach-Schwellenwerten oder mit Kalibrierung, diese Lösungen
sind jedoch oft komplizierter und damit teurer.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es insbesondere, in einfacher und wirksamer
Weise dem vorgenannten Problem zu begegnen.
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So ist das Ziel der vorliegenden Erfindung ein Steuerverfahren für die Temperatur in
einem Fluidkreis, der über ein thermostatisches Ventil verfügt.
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Erfindungsgemäß besteht das Verfahren darin, eine Verlustmenge über ein Ventil
aufrecht zu erhalten, sobald dieses zum ersten Mal geöffnet wurde, um die
Temperaturschwankungen dieses Fluids um eine Einstell-Temperatur zu eliminieren.
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Genauer: man verwendet wenigstens zwei in der Wärme ausdehnbare Elemente,
deren Temperaturschwellenwerte unterschiedlich sind, wobei der Schwellenwert des
den Verlust hervorrufenden Elements niedriger als der der anderen ist.
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Die Erfindung betrifft im übrigen ein thermostatisches Ventil, das dazu bestimmt ist,
die Temperatur eines Fluids um wenigstens einen Wert einzustellen bzw. zu steuern
und umfasst wenigstens ein erstes in der Wärme ausdehnbares Element.
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Erfindungsgemäß umfasst das Ventil im übrigen die Mittel, die dazu bestimmt sind,
eine geregelte Verlustmenge aufrecht zu erhalten, sobald das Ventil (zum ersten
Mal) geöffnet worden ist.
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Insbesondere umfassen die die Verlustmenge sicherstellenden Mittel ein zweites, in
der Wärme ausdehnbares Element, das in Kontakt mit dem Fluid angeordnet ist,
wenn das Ventil zum ersten Mal geöffnet wurde.
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Vorzugsweise sind das erste und zweite in der Wärme ausdehnbare Element
gebildet durch ausdehnbare Wachse, die je über einen unterschiedlichen
Temperaturausdehnungs-Schwellenwert verfügen.
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So ist der Ausdehnungstemperaturschwellenwert des verwendeten Wachses zur
Sicherstellung des Verlustdurchsatzes kleiner oder gleich dem
Temperaturschwellenwert der Ausdehnung des Wachses, das für das erste Öffnen
des Ventils verwendet worden ist.
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Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden besser deutlich
beim Lesen der folgenden Beschreibung, mit der in nicht begrenzender Weise auf
die beiliegenden Zeichnungen bezug genommen wird, in denen
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- Fig. 1 eine Temperaturkurve der eingestellten Temperatur als Funktion der Zeit
nach dem Stand der Technik zeigt;
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- Fig. 2 ist ein vereinfachtes Schema eines bekannten Thermostaten;
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- Fig. 3 ist eine Temperaturkurve der regulierten Flüssigkeit als Funktion der Zeit,
wenn erfindungsgemäß erhalten;
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- Fig. 4 ist ein vereinfachtes Schema eines thermostatischen bekannten Ventils
nach der Erfindung, dargestellt im geschlossenen Zustand und Fig. 5 ist ein
vereinfachtes Schema eines Ventils nach der Erfindung im offenen Zustand.
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Fig. 1 betrifft somit die Funktionsweise eines thermostatischen Ventils wie
beispielsweise in Fig. 2 dargestellt. Insbesondere wurde die Kurve der Fig. 1
erhalten, indem man die Temperatur des Wassers eines Kühlkreislaufs eines
thermischen Motors als Funktion der Zeit misst. Diese Kurve zeigt einen fast linearen
Anstieg der Temperatur von Umgebungs-Temperatur (20ºC) bis gegen 82ºC, bei
der es sich üblicherweise um die Einstell-Temperatur handelt. Dieser
Temperaturanstieg wird in etwa 5 Minuten realisiert.
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Dann schwankt die Temperatur um 80 bis 90ºC über die Betriebszeit des Motors.
Diese Schwankungen sind aus den oben genannten Gründen nicht wünschenswert.
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Ein thermostatisches Ventil, wie es üblicherweise verwendet wird, um die oben
erwähnte Steuerung zu erhalten, ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Die
wesentlichen Elemente eines solchen Ventils sind somit ein Gehäuse 1, eine Klappe
2, ein Sitz 5 für die Klappe 2 und ein in der Wärme ausdehnbares Element 3, das
dem Rückstellelement 4 zugeordnet ist.
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Das in der Wärme ausdehnbare Element 3 kann in bekannter Weise eine Kapsel
sein, welche ausdehnbares Wachs umfasst, und zwar kontinuierlich über einen
Temperaturintervall.
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Da das Element 3 immer in Kontakt mit der einzustellenden Flüssigkeit steht, dehnt
sich das enthaltene Wachs, wenn die Temperatur dieser Flüssigkeit zunimmt, was
zur Folge hat, dass ein Schub gegen die Rückstellfeder 4 ausgeübt wird und damit
die Klappe 2 von ihrem Sitz 5 entfernt wird. Dies lässt somit den Durchgang der
Kühlflüssigkeit durch das Ventil zu.
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Das Wachs beginnt, sich ausgehend von einer ersten gegebenen Temperatur
auszudehnen und ermöglicht eine erste Längung des Elements 3, d. h. ein Öffnen
von geringer Amplitude des Ventils, während dann, wenn die Flüssigkeit eine zweite
Temperatur erreicht (höher als die erste), die somit einem maximalen
Ausdehnungsschwellenwert des Wachses entspricht, öffnet sich das Ventil weiter
und lässt auf diese Weise einen größeren Durchsatz zu.
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Wie verständlich wird, beruht das Funktionsprinzip dieses Ventiltyps auf der
Einstellung der Durchsatzmenge, die null, gering oder dagegen maximal sein kann.
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In der Realität erfolgt die Temperaturregulierung in nicht-zufriedenstellender Weise
über eine Reihe von aufeinander folgenden Öffnungs- und Schließvorgängen des
Ventils, was zu den in Fig. 1 sichtbaren Schwankungen mit den vorgenannten
Konsequenzen führt.
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Werden solche Ventile für andere Anwendungen auf dem Sanitärgebiet
beispielsweise verwendet, so sind die Schwankungen für den Benutzer durchaus
nicht akzeptabel, der wünscht, ein Wasser mit stabiler Temperatur, und dies schnell
und verlässlich, sowie reproduzierbar zu erhalten.
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Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäß erhaltene Kurve. Diese Kurve ist mit der der
Fig. 1 zu vergleichen. Die Arbeitsbedingungen sind die gleichen. Man stellt ein
quasi-Fehlen von Schwankungen um die Einstelltemperatur, die sich hier bei 83ºC
befindet, fest. Dieses Merkmal wurde erhalten, indem man in überraschender Weise
einen Verlustdurchsatz über das Ventil feststellt, sobald dieses einmal zum ersten
Mal geöffnet wurde. Was dagegen aus der Lehre des Stands der Technik
hervorgeht, wo man beispielsweise versucht, eine vollständige Dichtheit um einen
gewissen Temperaturschwellenwert zu realisieren, lässt man hier eine Verlustmenge
zu, sobald die erste Öffnung stattgefunden hat.
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Es ist wichtig, dass der Verlust nicht vor dem ersten Öffnen des Ventils stattfindet, da
dies ungünstig für den Temperaturanstieg der Flüssigkeit wäre, der vor dem ersten
Öffnen umgangen werden muss und das Ventil nicht durchsetzen darf.
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Wie oben erwähnt, werden zwei in der Wärme ausdehnbare Elemente, deren
Schwellenwerte unterschiedlich sind, vorzugsweise beim Ventil nach der Erfindung
verwendet.
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Fig. 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung. Dieses in der Wärme
ausdehnbare Ventil umfasst im wesentlichen die gleichen Elemente wie die in Fig. 2
gezeigten, nämlich ein Gehäuse 1, eine Klappe 2 und einen Sitz 5 für die Klappe, ein
erstes, in der Wärme ausdehnbares Element 3, zugeordnet zu einer Rückstellfeder
4. Im übrigen umfasst das Ventil nach Fig. 4 ein zweites, in der Wärme
ausdehnbares Element 6, das abströmseitig zum Ventil angeordnet ist, d. h., dass es
nicht im Kontakt mit dem Fluid, wenn das Ventil geschlossen ist, steht, wie in Fig. 4
gezeigt. Das erste in der Wärme ausdehnbare Element wird also vor der Klappe
angeordnet, während das zweite Element abströmseitig angeordnet wird.
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Selbstverständlich ist das Gehäuse 1 hier etwas höher als bei einem üblichen Ventil
wegen des Vorhandenseins des zweiten in der Wärme ausdehnbaren Elements 6
ausgebildet, welches bevorzugt in der Verlängerung des Elements 3 angeordnet ist.
Die Fig. 5 zeigt das Ventil der Fig. 4 mit einer Verlustmenge (Pfeile A), das dank
eines zweiten, in der Wärme ausdehnbaren Elements 6, das abströmseitig zum
Ventil angeordnet ist, erhalten wurde, und zwar in der Verlängerung des ersten in der
Wärme ausdehnbaren Elements 3, um seinen eigenen Schub mit dem Schub des
ersten in der Wärme ausdehnbaren Elements 3 zu kombinieren.
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Wenn somit die Temperatur der Flüssigkeit, in dem dauernd das erste, in der Wärme
ausdehnbare Element 3 badet, einen ersten Schwellenwert erreicht, dehnt sich
dieses (3) aus, was ein erstes Öffnen des Ventils ermöglicht. Das zweite, in der
Wärme ausdehnbare Element 6 badet dann seinerseits in der Flüssigkeit. Seine
Schwellenwerttemperatur ist dann geringer als die des ersten in der Wärme
ausdehnbaren Elements, das zweite, in der Wärme ausdehnbare Element 6 dehnt
sich derart aus, dass die Klappe 3 nicht mehr in Kontakt mit ihrem Sitz 5 kommen
kann. Dies erzeugt einen Verlustdurchsatz, indem man einen Resthub im Falle des
neuerlichen Öffnens des Ventils aufrecht erhält.
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Der Verlustdurchsatz soll ausreichend sein, um das zweite in der Wärme
ausdehnbare Element 6 in ausdehnbarer Stellung zu erhalten, wo die
Schwellentemperatur der Ausdehnung geringer als die des ersten in der Wärme
ausdehnbaren Elements 3 ist.
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Um eine Vorstellung zu geben: der Ausdehnungstemperaturschwellenwert des
zweiten, in der Wärme ausdehnbaren Elements kann in der Größenordnung von 50
bis 60ºC liegen, wenn der des ersten in der Wärme ausdehnbaren Elements sich
zwischen 80 und 90% befinden kann.
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Im Falle einer Anwendung auf einen Kühlkreislauf eines Motors und nach einer
interessanten Charakteristik nach der Erfindung, sobald der Motor einmal still gesetzt
ist, mit dem allgemeinen Abfall der Temperatur, kommt das Ventil automatisch in
seinen Ursprungszustand zurück, d. h. geschlossen wie in Fig. 4 dargestellt. Bei
jedem Anlaufen des Motors ist das Ventil nach der Erfindung geschlossen und öffnet
zum ersten Mal, wenn die Kühlflüssigkeit eine gewisse Temperatur erreicht hat.
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Die oben in Betracht gezogene Ausführungsform der Erfindung zeigt, dass die
beiden in der Wärme ausdehnbare Elemente 3, 6 auf ein und die gleiche Klappe 2
wirken. Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann vorgesehen sein, dass
jedes in der Wärme ausdehnbare Element auf eine Klappe, wenn dies
wünschenswert erscheint, wirkt.