ARMATUR ZUR UMKEHR DER STROMUNGSRICHTUNG EINES MEDIUMS
Die Erfindung betrifft eine Armatur zur Umkehr der Strömungsrichtung eines Mediums, mit einem Gehäuse, das zwei Primäranschlüsse, nämlich einen Einlaß und Auslaß für das Medium, und zwei durch eine Sekundärleitung verbundene Sekundäranschlüsse aufweist, und mit einer in dem Gehäuse aufgenommenen Ventilanordnung zum Vertauschen der Verbindungen zwischen den Primär- und Sekundäranschlüssen.
Solche Armaturen werden beispielsweise in Rohrleitungssystemen für Wärmeaustauscher eingesetzt, in deren Röhren Reinigungsbürsten dadurch hin und her bewegt werden, daß die Strömungsrichtung des Mediums periodisch umgekehrt wird. Bei größeren Anlagen werden dazu getrennte Ventilarmaturen einge- setzt, die elektrisch gekoppelt sind. Bei kleinen und mittleren Anlagen läßt sich jedoch der Aufwand für die Rohrleitungsführung wesentlich verringern, wenn für die Strömungsumkehr nur eine einzige Armatur eingesetzt wird.
Ein einfaches Beispiel einer solchen Armatur ist ein Vierwegehahn, dessen dreh- bares Küken jeweils zwei der vier Wege miteinander verbindet. Bei Verwendung eines solchen Vierwegehahns ist jedoch eine Überkreuzung der Rohrleitungen unvermeidbar.
In DE 34 30 860 C2 und DE 35 14 899 AI werden Beispiele für Armaturen der eingangs genannten Art beschrieben, bei denen sich eine Überkreuzung der Rohrleitungen vermeiden läßt. Auch bei diesen Armaturen ist jeweils nur ein einziges Ventilglied vorgesehen, das entweder als Drehkolben oder als rohrförmi- ger Axialkolben ausgebildet ist.
Ein Nachteil dieser bekannten Armaturen besteht darin, daß die Gesamtlänge der benötigten Dichtungen relativ groß ist, so daß entsprechend hohe Kosten entstehen und, insbesondere bei verhältnismäßig hohen Systemdrücken, eine zufriedenstellende Abdichtung in den Endlagen des Ventiglieds nur schwer zu erreichen ist, so daß nicht unbeträchtliche Leckverluste auftreten können. Im Falle eines Axialkolbens muß zudem der Verschiebeweg des Kolbens relativ groß sein, so daß ein entsprechend hoher Verschleiß auftritt und die Effizienz der Armatur außerdem durch verhältnismäßig lange Schaltzeiten beeinträchtigt wird.
Im Falle eines Drehkolbens lassen sich diese Nachteile nur dann weitgehend vermeiden, wenn der Drehkolben eine verhältnismäßig komplizierte Form aufweist, die entsprechend hohe Herstellungskosten verursacht.
Aus DE 26 08 469 AI ist ein Vierwege-Mischventil für Heizungsanlagen bekannt, dessen Gehäuse durch Trennwände in vier Kammern aufgeteilt ist. Die Öffnungen in den Trennwänden liegen einander paarweise gegenüber und werden mit Hilfe zweier synchron bewegbarer Axialkolben abwechselnd geöffnet und geschlossen. Diese Armatur dient jedoch nicht zur Strömungsumkehr, sondern vielmehr dazu, dem Vorlauf der Heizungsanlage einerseits Heißwasser aus dem Kessel und andererseits kälteres Wasser aus dem Rücklauf der Heizungsanlage in einem einstellbaren Mischungsverhältnis zuzuführen.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Armatur der eingangs genannten Art zu schaf- fen, die kompakt aufgebaut und einfach herstellbar ist und sich durch gute Dichtungseigenschaften und kurze Schaltzeiten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gehäuse durch Trennwände aufgeteilt ist in zwei Primärkammern, denen jeweils einer der Pri- märanschlüsse zugeordnet ist, und zwei Sekundärkammern, denen jeweils einer der Sekundäranschlüsse zugeordnet ist, daß jede Primärkammer eine mit einer Öffnung versehene Trennwand mit jeder der Sekundärkarnmern gemeinsam hat, und daß die Ventilanordnung durch zwei getrennte Ventilglieder gebildet wird, die jeweils zwei der Öffnungen abwechselnd öffnen und schließen.
Durch die Verwendung von zwei getrennten Ventilgliedern, die jedoch synchron angetrieben werden können, läßt sich eine beträchtliche bauliche Vereinfachung der Armatur erreichen, ohne daß die angeschlossenen Rohrleitungen einander überkreuzen müssen. Durch kurze Stellwege der beiden Ventilglieder wird au- ßerdem eine Verkürzung der Schaltzeiten und eine Verringerung des Verschleißes erreicht. Weiterhin sind die Dichtungseigenschaften der Armatur verbessert, da im Prinzip nur die Ränder der vier Öffnungen in den Trennwänden abgedichtet zu werden brauchen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Ventilglieder können wahlweise als Drehkolben oder als Axialkolben ausgebildet sein.
Die Ausbildung als Drehkolben ermöglicht eine einfache Herstellung. Beispiels- weise können die Drehkolben einfach als Hohlzylinder ausgebildet sein, die drehbar und mediendicht in den zugehörigen Kammern des Gehäuses aufgenommen sind und in ihrer Wand zwei axial versetzte Öffnungen aufweisen, die je nach Winkelstellung mit einer der Öffnungen in den Wänden der Kammer fluchten. Die Öffnungen in den Drehkolben oder den Trennwänden der Kammer brauchen in Umfangsrichtung nur so weit gegeneinander versetzt zu sein, daß die eine Öffnung sicher geschlossen ist, wenn die andere Öffnung ganz geöffnet ist. Folglich brauchen auch die zum Umschalten benötigten Drehwinkel der Drehkolben nur entsprechend klein zu sein, so daß der Verschleiß minimiert wird und kurze Schaltzeiten ermöglicht werden.
In einer anderen Ausführungsform wird jedes Ventilglied einfach durch zwei schräg auf einer gemeinsamen Achse angeordnete Taumelscheiben gebildet, die jeweils in einer Öffnung einer unter demselben Winkel schräg zur Drehachse angestellten Trennwand angeordnet sind, so daß sie die Öffnung je nach Winkel- Stellung entweder freigeben oder verschließen.
Die Ausführungsform mit Axialkolben hat den Vorteil, daß der Verschleiß an den Dichtflächen minimiert werden kann und außerdem durch Anpressung der Ventilglieder gegen die Dichtflächen eine hohe Dichtwirkung erzielt werden kann. Da sich die beiden als Axialkolben ausgebildeten Ventilglieder jeweils gegensinnig zueinander bewegen, heben sich bei einem Druckgefälle im Sekundärkreis die an den beiden Axialkolben auftretenden hydrosthatischen Kräfte gegenseitig auf, so daß ähnlich wie bei Drehkolbenarmaturen keine hohen Kräfte erforderlich sind, um die Ventilglieder in ihrer jeweiligen Endlage zu halten und/ oder um sie beim Umschalten aus der Endlage heraus zu bewegen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Armatur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines von zwei Drehkolben der Armatur nach
Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 - 6 einen Drehkolben gemäß einen abgewandelten Ausführungsbeispiel in einer Frontansicht, Seitenansicht und in der Draufsicht;
Fig. 7 einen Schnitt durch eine Armatur gemäß einem zweiten Ausfüh- rungsbeispiel;
Fig. 8 die Armatur nach Fig. 7 in der Draufsicht;
Fig. 9 einen Schnitt durch eine Armatur gemäß einem dritten Ausfüh- rungsbeispiel; und
Fig. 10 A - C perspektivische Ansichten eines Ventiltellers der Armatur nach Fig. 9 in unterschiedlichen Stellungen.
Die in Fig. 1 gezeigte Armatur weist ein Gehäuse 10 mit einem ovalzylindrischen Mantel 12 auf, der am oberen und unteren Ende durch Platten 14, 16 abgeschlossen ist. Eine auf halber Höhe zwischen den Platten 14, 16 angeordnete Trennwand 18 unterteilt das Gehäuse 10 in eine obere Kammer 20 und eine untere Kammer 22.
In die Platten 14, 16 und die Trennwand 18 sind zwei parallele Rohre 24, 26 eingelassen, die am unteren Ende offen sind und am oberen Ende durch eine Platte 28 jeweils bis auf eine Wellendurchführung 30 abgeschlossen sind. Das Innere jedes Rohres 24, 26 bildet eine Kammer 32, die im folgenden als Primär kammer bezeichnet werden soll, während die Kammern 20 und 22 als Sekundärkammern bezeichnet werden. Die unteren Enden 34, 36 der Rohre 24 und 26 werden als Primäranschlüsse bezeichnet. Der Primäranschluß 34 bildet einen Einlaß für ein flüssiges oder gasförmiges Medium, während der Primäranschluß 36 einen Auslaß für dieses Medium bildet. Innerhalb jeder der Sekundärkammern 20, 22 ist in dem Mantel 12 ein Sekundäranschluß 38, 40 ausgebildet. Die Sekundäranschlüsse 38 und 40 sind durch eine in Fig. 2 gezeigte Sekundärleitung S, beispielsweise das Röhrensystem eines Wärmetauschers, miteinander ver-
bunden.
In der Wand des Rohres 24 sind zwei Öffnungen 42, 44 ausgespart, die jeweils in einer der Sekundärkammern 20, 22 liegen und in Umfangsrichtung um einen Winkel von beispielsweise 90° oder etwas mehr als 90° gegeneinander versetzt sind. In Fig. 1 ist die Öffnung 42 lediglich gestrichelt angedeutet, da sie unsichtbar in dem abgeschnittenen Teil des Rohres 24 liegt. In der Draufsicht gemäß Fig. 2 sind die Öffnungen 42 und 44 symmetrisch zur Längsmittelebene des Gehäuses 10 angeordnet, und beide sind dem Inneren des Gehäuses 10 zuge- wandt. Das Rohr 36 weist zwei Öffnungen 46 und 48 auf, die punktsymmetrisch zu den Öffnungen 42 und 44 angeordnet sind. Durch die Öffnungen 42, 44, 46 und 48 wird jede Primärkammer 32 mit jeder der Sekundärkarnmern 20, 22 verbunden.
Jedes der Rohre 24, 26 dient zur drehbaren Aufnahme eines Drehkolbens 50, dessen Aufbau in Fig. 3 gezeigt ist. Der Drehkolben hat die Form eines am unteren Ende offenen und am oberen Ende geschlossenen Hohlzylinders 52, in dessen Mantel zwei Öffnungen 54, 56 ausgespart sind, die auf derselben Höhe liegen wie die Öffnungen 42 und 44 bzw. 46 und 48 und etwa dieselbe lichte Weite wie diese Öffnungen aufweisen. Jede Öffnung 54, 56 ist von einer Dichtungsbrille 58 umgeben, die an der Innenfläche des Rohres 24 bzw. 26 abdichtet. Eine zusätzliche umlaufende Dichtung 60 zwischen den Öffnungen 54 und 56 stellt eine Zentrierung des Drehkolbens 50 in der betreffenden Primärkammer 32 sicher. Eine vom oberen Ende des Drehkolbens ausgehende Welle 62 ist drehbar und mediendicht durch die Wellendurchführung 30 in der Platte 28 hindurchgeführt.
In Fig. 2 erkennt man die Hohlzylinder 52 der beiden in die Rohre 24 und 26 eingesetzten Drehkolben. In dem in Fig. 2 gezeigten Zustand ist bei dem Rohr 24 die Öffnung 54 des Drehkolbens so weit gegenüber der Öffnung 42 des Rohres winkelversetzt, daß keine Überlappung besteht. Somit ist die im Inneren des Rohres 24 gebildete Primärkammer 32 gegenüber der Sekundärkammer 20 abgedichtet. Bei dem Rohr 26 fluchten dagegen die Öffnungen 54 und 46 des Drehkolbens und des Rohres, so daß die Sekundärkammer 20 mit der im Inne- ren des Rohres 26 gebildeten Primärkammer 32 verbunden ist. Da die Öffnungen 44 und 48 winkelversetzt zu den Öffnungen 42 und 46 angeordnet sind, die Öffnungen 56 der Drehkolben jedoch denselben Azimut haben wie die Öffnun-
gen 54, sind die Verhältnisse in der unteren Sekundärkammer 22 gerade umgekehrt. In dem in Fig. 2 gezeigten Schaltzustand gelangt somit das über die Öffnung 34 eingeleitete Medium über die Öffnung 44 in die Sekundärkammer 22 und von dort über den Sekundäranschluß 40 in die Sekundärleitung S. Das aus der Sekundärleitung zurückströmende Medium gelangt über den Sekundäranschluß 38 in die obere Sekundärkammer 20 und von dort über die Öffnung 46 zum Auslaß 36.
Die Wellen 62 der beiden Drehkolben sind durch ein nicht gezeigtes Getriebe miteinander gekoppelt, so daß sie gegensinnig antreibbar sind. Wenn in Fig. 2 der linke Drehkolben im Uhrzeigersinn und entsprechend der rechte Drehkolben im Gegenuhrzeigersinn um etwas mehr als 90° gedreht wird, so wird die Öffnung 42 des Rohres 24 durch die Öffnung 54 des Drehkolbens freigegeben, und in dem anderen Rohr 26 wird die Öffnung 46 durch den Drehkolben versperrt. Entsprechend kehren sich auch die Verhältnisse in der unteren Sekundärkammer 22 um. Das über den Einlaß 34 eingeleitete Medium gelangt dann also über die obere Öffnung 42 in die obere Sekundärkammer 20 und strömt nun entgegengesetzt zur bisherigen Strömungsrichtung, vom Sekundäranschluß 38 zum Sekundäranschluß 40, durch die Sekundärleitung S. Vom Sekundäranschluß 40 gelangt das Medium über die untere Sekundärkarnmer 22 und die Öffnung 48 wieder zum Auslaß 36.
Die beiden Drehkolben 50 brauchen somit nur um einen relativ kleinen Winkel gedreht zu werden, um die Strömungsrichtung in der Sekundärleitung umzu- kehren. Bei dem Umschaltvorgang brauchen die Drehkolben nicht den Druck des Mediums zu überwinden, so daß nur geringe Stellkräfte erforderlich sind. Auch zum Fixieren der Drehkolben in ihrer jeweiligen Endlage sind nur geringe Kräfte erforderlich. Die Armatur weist dabei einen kompakten Aufbau auf und erleichtert die Rohrleitungsführung dadurch, daß sowohl die Primäranschlüsse 34 und 36 als auch die Sekundäranschlüsse 38 und 40 jeweils in einer Ebene liegen. Während im gezeigten Beispiel die Sekundäranschlüsse 38 und 40 auf derselben Seite des Gehäuses 10 angeordnet sind, ist es wahlweise auch möglich, die Sekundäranschlüsse auf entgegengesetzten Seiten des Gehäuses anzuordnen. Generell können die Sekundäranschlüsse an beliebigen Stellen des Mantels 12 angeordnet werden.
Figuren 4 bis 6 zeigen ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Drehkolbens
50. An der Welle 62 ist hier eine S-förmig gebogene Platte 64 befestigt, die in der Draufsicht gemäß Fig. 6 kreisförmig erscheint und auf ihrem gesamten Um- fangsrand an der Innenfläche des Rohres 24 bzw. 26 abdichtet. Mit ihrem annähernd vertikal verlaufenden Mittelbereich trennt die Platte 64 somit die beiden Öffnungen 42 und 44 bzw. 46 und 48, so daß jeweils nur eine dieser Öffnungen mit dem Einlaß 34 bzw. mit dem Auslaß 36 verbunden ist. Das Umschalten erfordert hier eine Drehung der beiden Drehkolben um jeweils 180°.
Figuren 7 und 8 zeigen eine Armatur, bei der die Ventilglieder nicht als Drehkol- ben, sondern als Axialkolben 66 ausgebildet sind. Jeder Axialkolben 66 weist eine axial in dem Gehäuse 10 verschiebbare Kolbenstange 68 auf, die zwei spiegelbildlich zueinander angeordnete kegelsturnpfförrnige Ventilteller 70 trägt. Die Kolbenstangen 68 sind mit ihren unteren Enden verschiebbar in gehäusefesten Führungen 72 gehalten und im Bereich ihrer oberen Enden mit Hilfe von Durch- führungen 74 mediendicht aus dem Gehäuse 10 herausgeführt. Mit Hilfe eines Ritzels 76 sind die beiden Kolbenstangen 68 synchron und gegensinnig antreibbar. Das Gehäuse 10 weist im gezeigten Beispiel bombierte obere und untere Böden 78 auf, die jeweils unter Zwischenfügung einer Trennwand 80 mit dem zylindrischen Mantel 12 zusammengeflanscht sind. Die verschiedenen Teile des Gehäuses 10 werden durch Zuganker 81 druckfest zusammengehalten.
Die Sekundärkammern 20 und 22 werden jeweils durch einen der Böden 78 und die zugehörige Trennwand 80 begrenzt. Die Sekundäranschlüsse 38 und 40 liegen bei diesem Beispiel auf entgegengesetzten Seiten des Gehäuses. Der Ein- laß 34 und der Auslaß 36 sind hier einander diametral gegenüberliegend in dem Mantel 12 ausgebildet. Die beiden Primärkammern 32 werden durch eine rechtwinklig zwischen den beiden Trennwänden 80 angeordnete Trennwand 82 voneinander getrennt.
Die Öffnungen 42 und 44 sind einander gegenüberliegend in den Trennwänden 80 ausgebildet, so daß sie abwechselnd durch die Ventilteller 70 des linken Axialkolbens 66 verschlossen werden können. Entsprechendes gilt für die Öffnungen 46 und 48 auf der Seite des Auslasses 36.
In dem in Fig. 7 gezeigten Zustand strömt das Medium vom Einlaß 34 über die Öffnung 44 zum Sekundäranschluß 40 und, nachdem es die Sekundärleitung durchströmt hat, vom Sekundäranschluß 38 über die Öffnung 46 zum Auslaß
36. Bei einem großen Druckabfall in der Sekundärleitung ergibt sich ein entsprechendes Druckgefälle an den Ventiltellern 70, die die Öffnungen 42 und 48 verschließen. Auf beide Kolbenstangen 68 wirken daher aufwärts gerichtete Kräfte, die sich durch die Wirkung des Ritzels 76 gegenseitig aufheben. Beim Umschalten der Armatur in die entgegengesetzte Schaltstellung brauchen deshalb auch hier keine hohen hydrosthatischen Kräfte überwunden zu werden. Durch die konischen Dichtflächen an den Ventiltellern und den zugehörigen Öffnungen, und durch Ausübung einer geeigneten Schließkraft mit Hilfe des Ritzels 76 läßt sich bei dieser Ausführungsform jedoch eine zuverlässige Abdichtung der Öffnungen 42 und 48 bzw. 44 und 46 erreichen, so daß Leckverluste minimiert werden. Diese Ausführungsform eignet sich deshalb besonders für Anwendungen mit relativ hohem Systemdruck.
Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, daß hinsichtlich des Aufbaus des Gehäuses der Ausführungsform nach Fig. 7 ähnelt, bei dem jedoch die Ventilglieder wieder als Drehkolben 50 ausgebildet sind.
Die Trennwände 80 sind hier einander rechtwinklig kreuzend angeordnet und jeweils unter einen Winkel von 45° zur Längsachse des Gehäuses 10 angestellt.
Die Welle 62 jedes Drehkolbens 50 trägt zwei Taumelscheiben 84, die ebenfalls unter einem Winkel von 45° zur Achse der Welle 62 angestellt sind und die so in den Öffnungen 42, 44, 46 und 48 angeordnet sind, daß sie diese Öffnungen je nach Winkelstellung entweder verschließen oder freigeben. In der Öffnungsstel- lung wirken diese Taumelscheiben 84 zugleich als Leitbleche, die die Umlen- kung der Strömung des Mediums unterstützen.
Die Umschaltung der Armatur erfolgt durch synchrone gleich- oder gegensinnige Drehung beider Wellen 62 um 180°. Die dabei von den Taumelscheiben 84 aus- geführte Bewegung wird in Figuren 10 A, 10 B und 10 C in 45°-Schritten illustriert. Jede Taumelscheibe ist auf ihrem Rand mit einer nicht gezeigten Dichtung versehen, die am Innenrand der zugehörigen Öffnung (z.B. 42) abdichtet.
Für alle beschriebenen Ausführungsbeispiele gilt, daß die Funktionen der Pri- mär- und Sekundärkammern austauschbar sind.