DE3829830A1 - Elektrisch betaetigtes ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigtes Ventil zum Steuern eines fließenden Mediums, insbesondere Sanitär­ ventil, mit

• a) einem Gehäuse, welches einen Einlaßkanal und einen Aus­ laßkanal aufweist;
• b) einem Ventilverschlußglied, das mit einem im Strömungs­ weg zwischen dem Einlaßkanal und dem Auslaßkanal liegen­ den Ventilsitz zusammenwirkt;
• c) einer Stelleinrichtung für das Ventilverschlußglied, welche ein elektrisch beheiztes Dehnstoffelement umfaßt, das mit dem Ventilverschlußglied kraftschlüssig verbun­ den ist;
• d) einem Kühlkörper, der thermisch an das Dehnstoffelement angekoppelt ist.

Bei elektrisch betätigten Ventilen, mit denen ein fließ­ fähiges Medium, insbesondere Wasser, gesteuert wird, han­ delt es sich in den meisten Fällen um Magnetventile. Zu deren Einsatz ist - jedenfalls im sanitären Bereich - regel­ mäßig eine sogenannte Vorsteuerung erforderlich, welche kleine Pilotöffnungen notwendig macht. Diese Öffnungen mit geringen Abmessungen neigen zur Verkalkung, wodurch die gesamten Ventile außer Funktion gesetzt werden können. Außerdem ist es schwierig, das dynamische Ansprechverhalten derartiger Magnetventile so zu beherrschen, daß im sanitä­ ren Einsatzbereich Wasserschläge in dem angeschlossenen Hausleitungssystem vermieden werden können.

Aus der DE-OS 37 07 337 ist ein elektrisch betätigtes Ven­ til der eingangs genannten Art bekannt. Hier wird die Öff­ nungskraft für das Ventilverschlußglied von einem Dehnstoff­ element abgeleitet, welches elektrisch beheizt wird: Erwärmt sich das in dem Dehnstoffelement enthaltene Wachs, so fährt ein Druckstift aus dem Dehnstoffelement aus, über den dann entweder direkt oder indirekt das Ventilverschlußglied vom zugeordneten Ventilsitz abgehoben werden kann. Wird der elektrische Strom abgestellt, so muß die noch in der Wachs­ füllung des Dehnstoffelements enthaltene Wärme abgeführt werden. Dies geschieht bei dem bekannten Ventil über eine Kühlplatte, die in Wärmetausch mit der Umgebungsluft steht. Da aber die Umgebungsluft unterschiedliche Temperaturen aufweisen kann und die Kühlwirkung zudem durch unkontrol­ lierbare Strömungsverhältnisse der Umgebungsluft beein­ flußt werden, ist das Ansprechverhalten des bekannten Ventils nach dem Abstellen des Stromes, also die Schließ­ charakteristik, weitgehend undefiniert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisch betätigtes Ventil der eingangs genannten Art derart aus­ zugestalten, daß ein definiertes Ansprechverhalten insbeson­ dere beim Schließvorgang gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• e) der Kühlkörper stromab vom Ventilsitz in oder an einem Kanal angeordnet ist, der von dem fließenden Medium durchströmbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des elektrisch be­ tätigten Ventiles wird also das Dehnstoffelement nicht mehr von der Umgebungsluft sondern von dem fließenden Medium selbst gekühlt. Letzteres weist - jedenfalls in dem für die Erfindung vorgesehenen Einsatzbereich - eine praktisch konstante Temperatur auf, so daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlkörper und dem kühlenden, fließenden Me­ dium nicht mehr dem Zufall überlassen ist. Dadurch, daß der Kühlkörper stromab vom Ventilsitz in dem Strömungsweg des fließenden Mediums angeordnet ist, kann nur das Ab­ klingverhalten, also das Verhalten nach dem Abstellen des Stromes, und nur in geringerem Umfange das Ansprechverhal­ ten beim Öffnen des Ventiles durch die Kühlwirkung beein­ flußt werden. Dies ist wiederum für die hier ins Auge ge­ faßten Anwendungsbeispiele ein erwünschtes Charakteristikum.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Er­ findung ist der Kühlkörper in einem Nebenweg des fließen­ den Mediums angeordnet, wobei der Anteil des in den Neben­ weg einfließenden Mediums durch ein Regelventil einstellbar ist. Wird in den Nebenweg verhältnismäßig viel fließendes Medium eingeleitet, so ist auch die Kühlwirkung auf den Kühlkörper und damit auf das Dehnstoffelement entsprechend größer. Die nach dem Abschalten des elektrischen Stromes noch in der Wachsfüllung enthaltene Wärme wird auf diese Weise verhältnismäßig rasch abgeführt, so daß sich die Wachsfüllung schnell zusammenziehen kann. Das Ventilver­ schlußglied wird dann rasch in seine Schließstellung zurück­ geführt. Wenn dagegen nur verhältnismäßig wenig fließendes Medium in den Nebenweg eingelassen wird, ist seine Kühl­ wirkung verhältnismäßig schwach; es benötigt dann vergleichs­ weise lange Zeit, bis das Dehnstoffelement abgekühlt und somit das Ventilverschlußglied wieder in seine Schließ­ stellung zurückgekehrt ist. Durch Verstellen des Regelven­ tiles läßt sich so in einfacher Weise die Schließcharak­ teristik des Ventiles bestimmen, wodurch insbesondere den örtlichen Verhältnissen angepaßt die Entstehung von Wasser­ schlägen beim Schließen des Ventils verhindert werden kann.

Bei dem Nebenweg kann es sich um einen Ringkanal im Gehäuse handeln, der geometrisch und herstellungstechnisch einfach zu realisieren ist.

In diesem Falle empfiehlt sich wiederum aus geometrischen Gründen, wenn das Dehnstoffelement in einem trockenen Hohl­ raum untergebracht ist, um den der Ringkanal herumgeführt ist.

Der Kühlkörper kann eine durch Wellungen vergrößerte Ober­ fläche aufweisen und über eine Stange an das Dehnstoff­ element thermisch angekoppelt sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; die einzige Figur zeigt schematisch ein elektrisch betätigtes Wasserventil im Schnitt.

Das dargestellte Wasserventil umfaßt ein Gehäuse 1 mit einem Wasser-Einlaßkanal 2 und einem Wasser-Auslaßkanal 3. Das innere Ende des Wasser-Einlaßkanals 2 steht über eine Bohrung 4 mit einem inneren Ringkanal 5 in Verbindung. An der Mündungsstelle der Bohrung 4 in den Wasser-Einlaßkanal 2 ist ein Ventilsitz 6 ausgeformt, der mit einem Ventil­ verschlußglied 7 zusammenwirkt. Das Ventilverschlußglied 7 wird durch eine Druckfeder 8 gegen den Ventilsitz 6 ge­ drückt, so daß die Bohrung 4, welche den Durchgang vom Wasser-Einlaßkanal 2 in den Ringkanal 5 bildet, normaler­ weise verschlossen ist.

Das in den Ringkanal 5 gelangte Wasser wird durch ein dreh­ bares Regelventil 8 in zwei Ströme geteilt. Der Hauptteil des Wasser fließt in allen Drehstellungen des Regelventiles 8 über einen inneren Kanal 9 zum Wasser-Auslaufkanal 3. Ein zweiter Teil des Wasserstromes wird vom Regelventil 8 über eine Ausnehmung 10 in den Ringkanal 5 geleitet, wo­ bei dieser zweite Teil des Wasserstromes nunmehr stark von der Drehstellung des Regelventiles 8 abhängt. Der Sinn dieser Maßnahme wird weiter unten deutlich werden.

Das Ventilverschlußglied 7, welches letztendlich den Wasser­ strom zwischen dem Wasser-Einlaßkanal 2 und dem Wasser-Aus­ laßkanal 3 regelt, wird durch ein Dehnstoffelement 11 be­ tätigt, wie es in seinem grundsätzlichen Aufbau von sanitä­ ren Thermostatventilen her bekannt ist. Es ist in einem Hohlraum 12 innerhalb des Ringkanales 5 untergebracht. Der Hohlraum 12 ist trocken, wird also vom Wasser nicht ange­ strömt.

Das Gehäuse 13 des Dehnstoffelementes 11 enthält in be­ kannter Weise eine Füllung 14 aus Wachs mit hohem thermi­ schem Ausdehnungskoeffizienten, welche einen Kolben 15 be­ aufschlagt. Der Kolben 15 steht über eine Kolbenstange 16, die durch das Gehäuse 13 des Dehnstoffelementes 11 axial heraus und - abgedichtet - durch die Wand 17 zwischen dem Ringkanal 5 und dem inneren Hohlraum 12 des Gehäuses 1 hin­ durchgeführt ist, mit dem Ventilverschlußglied 7 in Ver­ bindung.

Die Wand 17 wird außerdem - ebenfalls abgedichtet - von einer weiteren Stange 18 durchsetzt, welche das Gehäuse 13 des Dehnstoffelementes 11 thermisch an einen Kühlkörper 19 ankoppelt. Der durch Wellungen 20 mit einer hohen Ober­ fläche versehene Kühlkörper 19 wird von dem den Ringkanal 5 durchströmenden Wasser beaufschlagt.

Schließlich ist das Gehäuse 13 des Dehnstoffelementes 11 von einer elektrischen Wicklung 21 koaxial umgeben, deren Zuführleitungen 22 in geeigneter Weise aus dem Gehäuse 1 nach außen geführt sind.

Die Funktionsweise des oben beschriebenen Wasserventils ist wie folgt:

Normalerweise, wenn also die Wicklung 21 nicht bestromt ist, liegt das Ventilverschlußglied 7 unter der Wirkung der Druckfeder 8 am Ventilsitz 6 an. Der Durchgang von Was­ ser zwischen dem Wasser-Einlaßkanal 2 und dem Ringkanal 5, damit auch dem Wasser-Auslaufkanal 3, ist versperrt; das Ventil ist geschlossen.

Soll das Ventil geöffnet werden, wird die Wicklung 21 be­ stromt. Die sich entwickelnde Wärme verursacht eine Aus­ dehnung der Wachsfüllung 14 im Dehnstoffelement 11, wodurch dessen Kolben 15 nach unten geschoben wird. Diese Bewegung wird über die Kolbenstange 16 auf das Ventilverschlußglied 7 weitergegeben, welches vom Ventilsitz 6 abhebt. Nunmehr kann Wasser vom Wasser-Einlaufkanal 2 in den Ringkanal 5, von dort über den inneren Kanal 9 des Regelventils 8 in den Wasser-Auslaufkanal 3 strömen.

Je nach der Drehstellung des Regelventiles 8 fließt außer­ dem ein bestimmter Wasseranteil durch den Ringkanal 5 und beaufschlagt dabei den Kühlkörper 19.

Soll das Ventil wieder geschlossen werden, wird die Strom­ zufuhr zur Wicklung 21 beendet. Die Wachsfüllung 14 des Dehnstoffelementes 11 kühlt sich ab, was von einer ent­ sprechenden Volumenverringerung begleitet wird. Unter dem Einfluß der Druckfeder 8 wird das Ventilverschlußglied 7 gegen den Ventilsitz 6 und damit zugleich der Kolben 15 in der Zeichnung innerhalb des Gehäuses 13 des Dehnstoff­ elementes 11 nach oben verschoben. Der Wasserfluß zwischen dem Wasser-Einlaufkanal 2 und dem Wasser-Auslaufkanal 3 kommt zum stehen.

Die Verzögerung, mit welcher das Ventilverschlußglied 7 auf das Abschalten des die Wicklung 21 durchfließenden Stromes reagiert, hängt von der Kühlung des Dehnstoffelemen­ tes 11 ab. Diese wiederum ist davon abhängig, wieviel Wasser den Ringkanal 5 durchströmt und auf den Kühlkörper 19 einwirken kann.

Wenn ein rasches Schließen des Ventiles nach Abschalten des Stromes gewünscht wird, wird das Regelventil 8 in eine solche Stellung gedreht, bei der ein verhältnismäßig großer Anteil des Wasserstromes in den Ringkanal 5 eintritt. Die­ ser verhältnismäßig große Wasserstrom kühlt dann das Kühl­ element 19 verhältnismäßig stark ab, so daß die Wärme in der Wachsfüllung 14 des Dehnstoffelementes 11 nach Ende des Stromflusses durch die Wicklung 21 schnell abgeführt wird. In dieser Drehstellung des Regelventiles 8 ist somit die Trägheit des Ventiles beim Schließen verhältnismäßig gering.

Wenn umgekehrt ein verhältnismäßig langsames Ansprechen des Ventiles beim Schließen gewünscht wird, wird das Regel­ ventil 8 in eine solche Drehstellung gebracht, in welcher der Ringkanal 5 nur wenig durchströmt wird. Dies bedeutet, daß der Kühlkörper 19 nur verhältnismäßig wenig gekühlt wird. Nach dem Ende des Stromflusses durch die Wicklung 21 wird also der Wärmeinhalt der Wachsfüllung 14 nur ver­ hältnismäßig langsam abgeführt, so daß die Rückstellung des Ventilverschlußgliedes 7 verhältnismäßig lange Zeit in Anspruch nimmt.

Die Drehstellung des Regelventiles 8 hat auf das Einschalt­ verhalten des Ventiles einen nur geringen Einfluß, da der Ringkanal 5 beim Öffnungsbeginn noch nicht durchströmt wird. Tendenziell sind die Verhältnisse genau umgekehrt wie beim Schließen: Bei starker Kühlung des Kühlkörpers 19, wenn also der Ringkanal 5 verhältnismäßig stark durchströmt ist, ist das Ansprechverhalten beim Bestromen der Wicklung 21 verhältnismäßig träge, da das thermische 8leichgewicht durch die hohe Wärmeabfuhr erst später erreicht wird. Umgekehrt folgt der Kolben 15 des Dehnstoffelementes 11 der Bestromung der Wicklung 21 verhältnismäßig rasch, wenn der Kanal 5 nur wenig durchströmt ist.

Mit dem beschriebenen Ventil lassen sich also durch Wahl der Drehstellung des Regelventiles 8 unterschiedliche Ansprechcharakteristiken erzielen. Insbesondere ist es möglich, ein sanftes Schließen des Ventiles zu erreichen, wodurch Wasserschläge vermieden werden können.

Claims (7)

1. Elektrisch betätigtes Ventil zum Steuern eines fließen­ den Mediums, insbesondere Sanitärventil, mit

• a) einem Gehäuse, welches einen Einlaßkanal und einen Aus­ laßkanal aufweist;
• b) einem Ventilverschlußglied, das mit einem im Strömungs­ weg zwischen dem Einlaßkanal und dem Auslaßkanal liegen­ den Ventilsitz zusammenwirkt;
• c) einer Stelleinrichtung für das Ventilverschlußglied, welches ein elektrisch beheiztes Dehnstoffelement um­ faßt, das mit dem Ventilverschlußglied kraftschlüssig verbunden ist;
• d) einem Kühlkörper, der thermisch an das Dehnstoffelement angekoppelt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (19) stromab vom Ventilsitz (6) in oder an einem Kanal (5) angeordnet ist, der von dem fließenden Medium durchströmbar ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (19) in einem Nebenweg des fließenden Mediums angeordnet ist, wobei der Anteil des in den Neben­ weg einfließenden Mediums durch ein Regelventil (8) ein­ stellbar ist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenweg einen Ringkanal (5) im Gehäuse (1) umfaßt.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnstoffelement (11) in einem trockenen Hohlraum (12) untergebracht ist, um den der Ringkanal (5) herumge­ führt ist.

5. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (19) eine durch Wellungen (20) vergrößerte Oberfläche aufweist.

6. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (19) über eine Stange (18) an das Dehnstoffelement (11) thermisch angekoppelt ist.