DE102008031584A1

DE102008031584A1 - Anordnung zum Verstellen eines Ventils

Info

Publication number: DE102008031584A1
Application number: DE200810031584
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Geburek; Christian Seelmann
Original assignee: Moehlenhoff Waermetechnik GmbH
Current assignee: Unovatis De GmbH
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-07-04
Also published as: DE102008031584B4

Abstract

Es wird eine Anordnung zum Verstellen eines Ventils angegeben, das einen unter der Wirkung einer Rückstellfeder stehenden Stößel (2) aufweist. An einem am Ventil anzubringenden Grundkörper ist ein temperaturabhängiges, aus einer Legierung mit eingeprägtem Formgedächtnis bestehendes metallisches Stellelement (9) angeordnet. In Montageposition des Grundkörpers liegt ein Druckteil (13) an der Stirnseite des Stößels (2) des Ventils an. Das Stellelement (9) nimmt bei Erwärmung in einer ersten Endstellung eine dem eingeprägten Formgedächtnis entsprechende Form ein. An dem Grundkörper ist ein auf das Stellelement (1) einwirkendes rückstellendes Bauteil (F) angebracht, durch welche dasselbe bei Fortfall der Erwärmung in einer zweiten Endstellung gehalten ist. Das Stellelement (9) ist zwischen den zwei Endstellungen verstellbar, welche der Offenstellung des Ventils einerseits und dessen Schließstellung andererseits entsprechen. Das Stellelement (9) ist ein langgestrecktes Bauteil, das in Arbeitsposition im nicht erwärmten Zustand gegenüber seiner dem eingeprägten Formgedächtnis entsprechenden Länge verlängert ist. Es ist an seinem einen Ende an einem Festpunkt (10) des Grundkörpers angebracht und an seinem anderen Ende mit einem Ende eines Hebels (11) verbunden, der um eine am Grundkörper angebrachte Drehachse (12) drehbar ist. Am anderen, auf der anderen Seite der Drehachse (12) liegenden Ende des Hebels (11) ist das rückstellende Bauteil (F) befestigt und das Druckteil (13) ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Verstellen eines Ventils, das einen unter der Wirkung einer Rückstellfeder stehenden Stößel aufweist, bei welcher an einem am Ventil anzubringenden Grundkörper ein temperaturabhängiges, aus einer Legierung mit eingeprägtem Formgedächtnis bestehendes metallisches Stellelement angeordnet ist, bei welcher in Montageposition des Grundkörpers ein Druckteil an der Stirnseite des Stößels des Ventils anliegt, bei welcher das Stellelement bei Erwärmung in einer ersten Endstellung eine dem eingeprägten Formgedächtnis entsprechende Form einnimmt, bei welcher an dem Grundkörper ein auf das Stellelement einwirkendes rückstellendes Bauteil angebracht ist, durch welche dasselbe bei Fortfall der Erwärmung in einer zweiten Endstellung gehalten ist, und bei welcher das Stellelement zwischen den zwei Endstellungen verstellbar ist, welche der Offenstellung des Ventils einerseits und dessen Schließstellung andererseits entsprechen ( WO 2007/036285 A1 ).
Eine derartige Anordnung wird beispielsweise in der Heizungs- und Lüftungstechnik eingesetzt. Sie kann grundsätzlich überall dort verwendet werden, wo durch ein Ventil eine Verstellbewegung durchgeführt werden soll. Es können dadurch beispielsweise Klappen bewegt oder lichte Rohrquerschnitte verändert werden, wodurch auch die Durchflußmenge eines durch ein entsprechendes Rohrsystem strömenden bzw. fließenden Mediums verändert werden kann. Ein solches Medium ist beispielsweise Wasser oder Luft.
Ein metallisches Stellelement mit eingeprägtem Formgedächtnis, wie es bei der Anordnung nach der Erfindung eingesetzt wird, besteht aus einer an sich bekannten Formgedächtnislegierung. Sie hat beispielsweise die Komponenten Nickel, Titan und Kupfer. Ein Bauteil aus einer solchen Legierung erhält mit einer speziellen Behandlung unterhalb einer kritischen Temperatur mit bleibender Verformung ein Formgedächtnis mit der Maßgabe eingeprägt, daß es nach einer Verformung aus seiner eingeprägten Form heraus in eine andere Form bei Erwärmung in die eingeprägte Form zurückgeht, und zwar mit erheblicher Kraftentwicklung. Dabei können solche Bauteile bei unterschiedlichen Temperaturen reagieren, und zwar in Abhängigkeit von den zu ihrem Aufbau verwendeten Legierungsbestandteilen. Sie können bei Fortfall der Erwärmung in einer gegebenen Position gehalten oder mit relativ geringem Kraftaufwand, beispielsweise mittels einer Feder, wieder in die durch die erwähnte Verformung erreichte andere Form zurückgebracht werden.
Die bekannte Anordnung nach der eingangs erwähnten WO 2007/036285 A1 weist ein an einem Ventil anzubringendes Gehäuse auf, in dem ein Grundkörper angeordnet ist, an dem ein temperaturabhängiges, mit einem in seiner Achsrichtung verstellbaren Arbeitskolben zusammenwirkendes Stellelement mit eingeprägtem Formgedächtnis angebracht ist. In Montageposition des Gehäuses liegt der Arbeitskolben an der Stirnseite des Stößels des Ventils an. Das Stellelement ist ein aus einer Legierung mit eingeprägtem Formgedächtnis bestehendes metallisches Bauteil, das sich im wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens erstreckt und das bei Erwärmung in einer ersten Endstellung eine dem eingeprägten Formgedächtnis entsprechende Form einnimmt. An dem Grundkörper ist außerdem eine auf das metallische Bauteil einwirkende Druckeinheit angebracht, durch welche dasselbe bei Fortfall der Erwärmung in einer zweiten Endstellung gehalten ist. Das Stellelement ist einschließlich Arbeitskolben in dessen Bewegungsrichtung zwischen den zwei Endstellungen verstellbar, welche der Offenstellung des Ventils einerseits und dessen Schließstellung andererseits entsprechen. Zwischen dem Stellelement und der Druckeinheit ist ein Federteller aus mechanisch stabilem Kunststoff angeordnet, in welchem auf der dem metallischen Bauteil zugewandten Seite ein elektrisches Heizelement integriert ist. Diese Anordnung hat sich in der Praxis bewährt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte Anordnung vorteilhaft weiterzubilden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

– daß das Stellelement ein langgestrecktes Bauteil ist, das in Arbeitsposition im nicht erwärmten Zustand gegenüber seiner dem eingeprägten Formgedächtnis entsprechenden Länge verlängert ist,
– daß das Stellelement an seinem einen Ende an einem Festpunkt des Grundkörpers angebracht und an seinem anderen Ende mit einem Ende eines Hebels verbunden ist, der um eine am Grundkörper angebrachte Drehachse drehbar ist und an dessen anderem, auf der anderen Seite der Drehachse liegendem Ende das rückstellende Bauteil befestigt ist, und
– daß das Druckteil an dem Hebel angebracht ist.

Diese Anordnung ist mit wenig Einzelteilen platzsparend aufgebaut. Das Stellelement ist mit Vorteil als langgestreckter Streifen bzw. als Draht ausgebildet. Es führt seine temperaturabhängige Formänderung in seiner Längsrichtung als lineare Bewegung aus. Bei dieser Formänderung wird das an dem Hebel angebrachte und in Montageposition am Stößel des Ventils anliegende Druckteil durch die Drehung des Hebels derart mitgenommen, daß der Stößel zwischen zwei Positionen bewegt werden kann, welche einerseits der Offenstellung und andererseits der Schließstellung des Ventils entsprechen. Eine dieser Positionen ist dann erreicht, wenn das Stellelement bei Erwärmung seine dem eingeprägten Formgedächtnis entsprechende Länge – im folgenden kurz „eingeprägte Länge” genannt – einnimmt. Die andere Position wird bei Fortfall der Erwärmung durch die Wirkung des rückstellenden Bauteils erreicht, welches das Stellelement in seine gegenüber der eingeprägten Länge vergrößerte Länge zurückzieht. Es reichen schon Bewegungen des Stößels von wenigen Millimetern aus, um beispielsweise ein Ventil einer Heizungsanlage zwischen seiner Schließstellung und seiner Offenstellung zu verstellen.
Wenn als rückstellendes Bauteil ebenfalls eintemperaturabhängiges, langgestrecktes Bauteil mit eingeprägtem Formgedächtnis eingesetzt wird, dann kann der Stößel des Ventils auch in Positionen gebracht und gehalten werden, die zwischen der Schließstellung und der Offenstellung des Ventils liegen. Das kann gezielt durch das Ein- und Ausschalten einer der Erwärmung dienenden Stromquelle bzw. Spannungsquelle in Verbindung mit einem Wegmeßsystem erreicht werden, das die jeweilige Position des Stößels erfaßt. Das Wegmeßsystem erzeugt beispielsweise elektrische Stromimpulse, die zur Steuerung der Erwärmung verwendet werden.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine an einem Ventil befestigte Anordnung nach der Erfindung.
2 einen auf einem Ventil montierten Halter.
3 eine Anordnung nach der Erfindung in vergrößerter Darstellung.
4 und 5 eine gegenüber 3 abgewandelte Ausführungsform der Anordnung in zwei unterschiedlichen Stellungen.
6 eine Einzelheit der Anordnung in weiter vergrößerter Darstellung.
In den 3 bis 5 sind Schraffuren von im Schnitt dargestellten Teilen nicht eingezeichnet. Auch ist eine genauere Darstellung eines vorzugsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff bestehenden Grundkörpers, an dem die Einzelteile der Anordnung angebracht sind, fortgelassen. Außerdem sind weitere, zu der Anordnung gehörende Teile, die zum Verständnis der Erfindung nicht benötigt und erläutert werden, mit durchgehenden Linien angedeutet.
Statt der Worte „rückstellendes Bauteil” wird im folgenden das kürzere Wort „Feder” verwendet.
Gemäß 1 ist in einer Rohrleitung 1, in der beispielsweise Heizungswasser geführt wird, ein Ventil 2 angeordnet. An dem Ventil 2 ist eine in den 3 bis 5 genauer dargestellte Anordnung 3 angebracht, mit der die Stellung des Ventils 2 temperaturabhängig gesteuert werden kann. Das Ventil 2 hat gemäß 2 einen in Richtung des Doppelpfeils 4 durch eine nicht dargestellte Rückstellfeder beaufschlagten Stößel 5, der maximal zwischen zwei Endstellungen verstellbar ist. Konzentrisch zum Stößel 5 kann ein Gewindestutzen 6 angebracht sein, auf den hier ein aus Kunststoff bestehender Halter 7 aufgeschraubt ist. Er hat an seiner Umfangsfläche eine in bevorzugter Ausführungsform umlaufende, nutförmige Vertiefung 8, in welche in Montageposition einrastende Verriegelungselemente eines die Anordnung 3 umschließenden Gehäuses eingreifen können. Die Anordnung 3 kann aber auch auf andere Art und Weise am Ventil 2 befestigt werden. Ein Gehäuse kann vorzugsweise aus einem stabilen Kunststoff bestehen. Es kann mittels des Halters 7 auf das Ventil 2 aufgesetzt werden. Das Gehäuse ist in den 3 bis 5 der Einfachheit halber nicht mit dargestellt. Es enthält die Anordnung, die zum Verstellen des Ventils verwendet wird. Sie geht in Ausführungsbeispielen aus den 3 bis 5 hervor.
Die Anordnung weist gemäß 3 ein langgestrecktes, streifenförmiges Stellelement 9 aus einem Metall mit eingeprägtem Formgedächtnis auf, das an seinem einen Ende an einem Festpunkt 10 des Grundkörpers festgelegt und an seinem anderen Ende mit einem Hebel 11 verbunden ist, der in 6 als Einzelteil dargestellt ist. Der Hebel 11 ist um eine am Grundkörper angebrachte Drehachse 12 drehbar. Zum Hebel 11 gehört ein Druckteil 13, das in Montageposition der Anordnung an der Stirnseite des Stößels 2 anliegt. Am anderen Ende des Hebels 11 greift eine Feder F als rückstellendes Bauteil mit einem Ende an, die mit ihrem anderen Ende an einem Festpunkt 14 des Grundkörpers angebracht ist. Die Feder F verläuft vorzugsweise parallel zum Stellelement 9. Sie kann aber auch eine andere axiale Richtung haben. Die Feder F ist gemäß 3 als Schraubenfeder 15 ausgeführt. Es können aber auch andere Federn eingesetzt werden. Am Stellelement 9 ist außerdem ein elektrisches Heizelement 16 angebracht, bei dem es sich mit Vorteil um einen PTC-Widerstand handelt.
Die Anordnung nach 3 arbeitet beispielsweise wie folgt:
Die in 3 schematisch dargestellte Stellung der Anordnung entspricht beispielsweise der Schließstellung des Ventils 1. Das Druckteil 13 wird durch die Spiralfeder 15 mit ausreichender Kraft gegen den Stößel 2 gedrückt. Das Stellelement 9 hat eine gegenüber seiner eingeprägten Länge größere Länge. Zum Öffnen des Ventils 1 wird das Heizelement 16 mit Strom versorgt, so daß das Stellelement 9 erwärmt wird. Es geht dadurch mit großer Kraftentwicklung in seine eingeprägte, kürzere Länge zurück. Dadurch wird der Hebel 11 in Richtung des Pfeiles 17 gedreht, so daß das Druckteil 13 in Richtung des Pfeiles 18 bewegt wird und damit den Stößel 2 entlastet. Dieser wird dementsprechend in die Offenstellung des Ventils 1 bewegt. Für die Erwärmung des Stellelements 9 wird in bevorzugter Ausführungsform das beschriebene Heizelement 16 verwendet. Es ist aber auch möglich, das Stellelement 9 durch direkten Anschluß an eine Stromquelle bzw. Spannungsquelle zu erwärmen.
Wenn das Ventil 1 wieder geschlossen werden soll, wird das Heizelement 16 abgeschaltet, so daß das Stellelement 9 nicht mehr erwärmt wird. Der Hebel 11 wird dann durch die Schraubenfeder 15 entgegen der Richtung des Pfeiles 17 gedreht, wodurch das Stellelement 9 wieder in seine der Arbeitsposition entsprechenden Länge verlängert wird. Das Druckteil 13 drückt dabei den Stößel 2 in die Schließstellung des Ventils 1 zurück.
Die Anordnung nach 3 kann mit einem Wegmeßsystem 19 ausgerüstet sein, das in 3 durch ein rechteckiges Kästchen angedeutet ist. Ein solches Wegmeßsystem geht beispielsweise aus der EP 1 035 456 B1 hervor. Es kann einen Mikroprozessor aufweisen, der einen zwischen dem Heizelement 16 und einer Spannungsquelle angeordneten elektrischen Schalter betätigt. Mit einem solchen Wegmeßsystem kann die Länge des aus dem Ventil 1 herausragenden Teils des Stößels 2 kontinuierlich gemessen und ausgewertet werden. Es ist auf diese Weise möglich, den Stößel 2 in einer Position zu halten, die zwischen seinen beiden Endstellungen liegt. Dadurch kann die Menge des durch das Rohrsystem fließenden Heizmediums ständig den gegebenen Anforderungen angepaßt werden. Zur Einhaltung der entsprechenden Stellung des Stößels 2 wird das Heizelement 16 im ständigen Wechsel ein- und ausgeschaltet, beispielsweise mittels eines gepulsten elektrischen Stroms.
Die gleiche Funktionsweise, wie sie grundsätzlich für die Anordnung nach 3 beschrieben ist, gilt für die Anordnung nach den 4 und 5, bei welcher als Feder F statt der Schraubenfeder 15 ein dem Stellelement 9 entsprechender Streifen 20 aus einem Metall mit eingeprägtem Formgedächtnis eingesetzt ist. An dem Streifen 20 ist ein elektrisches Heizelement 21 angebracht, bei dem es sich wieder um einen PTC-Widerstand handeln kann. In 4 ist die Stellung der Anordnung bei geschlossenem Ventil 1 dargestellt, während 5 die Offenstellung des Ventils wiedergibt. Der Übersichtlichkeit halber sind nur die für das Verständnis der Wirkungsweise der Anordnung erforderlichen Bezugszahlen eingetragen. Es gelten insgesamt die Bezugszahlen der 3 auch für die 4 und 5. Auch der Streifen 20 kann direkt an eine Stromquelle angeschlossen sein.
Die Anordnung nach den 4 und 5 arbeitet analog zur Beschreibung zu 3 wie folgt:
Nach Einschaltung des Heizelements 16 geht das Stellelement 9 infolge der Erwärmung maximal auf seine eingeprägte, kürzere Länge zurück. Das Druckteil 13 wird dabei durch den Hebel 11 bzw. mit demselben in Richtung des Pfeiles 18 bewegt. Dadurch wird der Stößel 2 des Ventils 1 entlastet. Er nimmt als zweite Endstellung die in 5 dargestellte Position ein, in welcher das Ventil 1 vollständig geöffnet ist. Während der Verkürzung des Stellelements 9 wird der Streifen 20, der bei der Stellung der Anordnung nach 4 seine eingeprägte Länge hat, über den Hebel 11 verlängert. Die Stellung der Anordnung nach 5 bleibt solange erhalten, wie das Heizelement 16 eingeschaltet ist.
Wenn das Ventil 1 wieder geschlossen werden soll, wird die Stromzufuhr an das Heizelement 16 abgeschaltet. Gleichzeitig wird die Stromzufuhr an das Heizelement 21 eingeschaltet, das daraufhin den Streifen 20 erwärmt. Der Streifen 20 geht dann maximal auf seine aus 4 ersichtliche, eingeprägte Länge zurück. Dabei werden gleichzeitig das Stellelement 9 wieder auf seine der Arbeitsposition entsprechende größere Länge verlängert und der Stößel 2 in die Schließstellung des Ventils 1 verschoben.
Auch bei der Anordnung nach den 4 und 5 kann zusätzlich ein Wegmeßsystem eingesetzt werden, dessen Arbeitsweise dem der Anordnung nach 3 entspricht. Es braucht hier zur Einhaltung einer bestimmten Position des Stößels 2 allerdings nur die Stromzufuhr an das gerade wirksame Heizelement 16 oder 21 abgeschaltet zu werden. So kann bei der Anordnung nach den 4 und 5 jede Position des Stößels 2 zwischen seinen beiden Endstellungen sehr genau eingestellt werden, wenn bei der Öffnungsbewegung des Stößels 2 das Heizelement 16 bei einer bestimmten, von Stößel 2 zurückgelegten Wegstrecke abgeschaltet wird. Diese Position vom Stellelement 9 und damit vom Stößel 2 bleibt stabil erhalten, weil der Streifen 20 nicht als rückstellende Feder wirkt, solange dessen Heizelement 21 nicht eingeschaltet ist.
Die Bewegung des Stellelements 9 in Richtung seiner eingeprägten Länge und damit die Bewegung des Stößels 2 kann durch Wiedereinschalten des Heizelements 16 bis zu einer weiteren vorgebbaren Position – maximal ist es die Offenstellung des Ventils 1 – fortgesetzt werden. Der gleiche Sachverhalt gilt, allerdings in entgegengesetzter Richtung, auch für den Streifen 20, wenn derselbe durch Erwärmung als Feder F wirksam wird. Hier wird dann analog zum Heizelement 16 das Heizelement 21 abgeschaltet und wieder eingeschaltet.
Der Hebel 11 ist in bevorzugter Ausführungsform ein aus 6 ersichtliches Winkelstück mit drei, in einem der Schenkel angebrachten Löchern 22, 23 und 24. Das Loch 22 dient zur Befestigung des Stellelements 9, während das Loch 24 zur Befestigung der Feder F vorgesehen ist. Das Loch 23 dient zur Anbringung des Hebels 11 auf der Drehachse 12 des Gehäuses. Am anderen Schenkel des Hebels 11 ist das Druckteil 13 angeformt, und zwar vorzugsweise einstückig mit dem Hebel 11. Das Druckteil 13 kann aber auch als separates Teil am Hebel 11 angebracht sein. Der Hebel 11 kann auch eine von der Darstellung in 6 abweichende Form haben. Er kann beispielsweise insgesamt geradlinig verlaufen.
Das Stellelement 9 und der Streifen 20 können – abweichend von der beschriebenen Form – auch drahtförmig bzw. als Drähte ausgeführt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/036285 A1 [0001, 0004]
- EP 1035456 B1 [0022]

Claims

Anordnung zum Verstellen eines Ventils, das einen unter der Wirkung einer Rückstellfeder stehenden Stößel aufweist, bei welcher an einem am Ventil anzubringenden Grundkörper ein temperaturabhängiges, aus einer Legierung mit eingeprägtem Formgedächtnis bestehendes metallisches Stellelement angeordnet ist, bei welcher in Montageposition des Grundkörpers ein Druckteil an der Stirnseite des Stößels des Ventils anliegt, bei welcher das Stellelement bei Erwärmung in einer ersten Endstellung eine dem eingeprägten Formgedächtnis entsprechende Form einnimmt, bei welcher an dem Grundkörper ein auf das Stellelement einwirkendes rückstellendes Bauteil angebracht ist, durch welche dasselbe bei Fortfall der Erwärmung in einer zweiten Endstellung gehalten ist, und bei welcher das Stellelement zwischen den zwei Endstellungen verstellbar ist, welche der Offenstellung des Ventils einerseits und dessen Schließstellung andererseits entsprechen, dadurch gekennzeichnet, – daß das Stellelement (9) ein langgestrecktes Bauteil ist, das in Arbeitsposition im nicht erwärmten Zustand gegenüber seiner dem eingeprägten Formgedächtnis entsprechenden Länge verlängert ist, – daß das Stellelement (9) an seinem einen Ende an einem Festpunkt (10) des Grundkörpers angebracht ist und an seinem anderen Ende mit einem Ende eines Hebels (11) verbunden ist, der um eine am Grundkörper angebrachte Drehachse (12) drehbar ist und an dessen anderem, auf der anderen Seite der Drehachse (12) liegenden Ende das rückstellende Bauteil (F) befestigt ist, und – daß das Druckteil (13) an dem Hebel (11) angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (9) streifenförmig oder drahtförmig ausgebildet und temperaturabhängig in seiner Längsrichtung verstellbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Stellelement (9) ein elektrisches Heizelement (16) befestigt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung des rückstellenden Bauteils (F) parallel zum Stellelement (9) verläuft.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rückstellende Bauteil (F) ein aus einer Legierung mit eingeprägtem Formgedächtnis bestehendes, temperaturabhängiges Bauteil (20) ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rückstellende Bauteil (F) eine Schraubenfeder (15) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe zur Einstellung einer vorgebbaren Stellung des Stößels (2) des Ventils (1) mit einem Wegmeßsystem (19) ausgerüstet ist.