DE69022977T2

DE69022977T2 - Regelungsventil für leitung und verwendung bei einem ultraschallmotor.

Info

Publication number: DE69022977T2
Application number: DE69022977T
Authority: DE
Inventors: Pekka Nilsson; Risto Saarisalo
Original assignee: Oras Oy
Current assignee: Oras Oy
Priority date: 1989-01-11
Filing date: 1990-01-10
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: EP0453464A1; ES2080822T3; AU4833490A; JPH04502662A; NO178354B; NO912714D0; EP0453464B1; NO912714L; DE69022977D1; ATE129056T1; DK0453464T3; NO178354C; US5411241A; WO1990008283A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil für einen Wasserhahn, bei welchem das Steuerventil eine kreisförmige Bewegung bewerkstelligt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein neues Anwendungsgebiet des sogenannten Ultraschallmotors zur Steuerung des Ventils eines Wasserhahns.
Es ist bekannt, die Ventile von Wasserhähnen und Thermostaten mit Elektromtoren und Magnetspulen zu führen. Magnetspulen steuern lediglich den Schließ- und Öffnungsvorgang, wohingegen ein Motor es ermöglicht, das Ventil so, wie gewünscht, zu steuern und zum Beispiel auch ein Mischventil, das mit einem Thermostaten versehen ist oder ohne einen solchen.
Zu diesem Zweck werden bis jetzt Gleichstrommotoren verwendet, welche einen verhältnismäßig großen Steuerungsbereich haben und auch eine leichte Richtungsumkehr bieten; es kann auch ein Schrittschaltmotor verwendet werden. Bisher bekannte motorgetriebene Ventile haben den Nachteil der verhältnismäßig hohen Arbeitsgeschwindigkeit des Motors und ein schwaches Drehmoment; aus diesem Grunde wird bisher ein Untersetzungsgetriebe, das aus mehreren Zahnrädern besteht, als Zwischenglied verwendet. Die verhältnismäßig großen Abmessungen des Motors sind natürlich ein Problem.
Ein Beispiel für ein solches motorgetriebenes Ventil wird in der US-A 4,556,193 offenbart, bei welcher ein Ventil mit Hilfe einer Umsetzung einer Drehbewegung eines Motors in die Linearbewegung des Ventilelements gesteuert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und für einen Motorantrieb für das Steuerventil eines Wasserhahns zu sorgen, welcher die Abmessungen und die Notwendigkeit für ein Untersetzungsgetriebe reduziert und einen verhältnismäßig kleinen Raum erfordert.
Um dies zu erreichen, wird für ein motorgetriebenes Ventil für einen Wasserhahn gesorgt, bei welchem das bewegliche Ventilbauteil eine drehbare Platte ist, durch deren Position zu jedem vorgegebenen Zeitpunkt die Durchflußöffnung des Ventils bestimmt wird, wobei die drehbare Platte oder ein Teil davon direkt mit dem Ventil verbunden ist, um das bewegliche Gegenstück eines Ultraschallmotors zu bilden, wobei dieses Gegenstück gegen ein oszillierendes Teil gedrückt wird, welches mittels eines piezoelektrischen Elements zum Oszillieren gebracht wird.
Eine spezielle Anwendung eines Ultraschallmotors für die Steuerung eines Ventils ist bisher schon durch die US-A 4,741,416 beschrieben worden. Sie beschreibt die Steuerung des Drosselungsgrades einer Stoßdrossel mit Hilfe eines Ultraschallmotors. Das tatsächliche Steuerventil wird nicht in der Spezifikation beschrieben, doch wird auf das Steuerelement durch die Motorwelle eingewirkt. Einige Prinzipien für Ultraschallmotoren könnten in diesem Zusammenhang in passender Weise beschrieben werden.
Der üblichste Typ eines Ultraschallmotors besteht aus einem ringförmigen oszillierenden Metallstator, dessen Oszillieren durch aufeinanderfolgende piezoelektrische Elemente erzeugt werden, die an der Oberfläche des Rings befestigt sind, welchen alternativ sinusförmige Spannungen zugeleitet werden, wobei die Spannungen sich in einer Phasenverschiebung von 90º zueinander befinden. Wenn ein anderer Ring oder eine andere Platte gegen den oszillierenden Ring gedrückt wird, dann bringt der oszillierende Ring den daraufliegende Ring bzw. diese Platte in eine Drehbewegung. Mit Hilfe der Spannungsintensität kann die Geschwindigkeit der Drehbewegung gesteuert werden, und mit Hilfe einer Phaseneinstellung der Spannung kann die Drehrichtung gesteuert werden. In den meisten Fällen wird eine Reibungsschicht, welche das Haftvermögen verbessert, zwischen dem oszillierenden Ring und der sich drehenden Platte eingesetzt. Wir verweisen auf die Patentanmeldung GB 2 120 462.
Bei einer geringfügig veränderten Version umgibt der Ring, welcher aus piezoelektrischen Elementen besteht, einen inneren Metallring, welcher den oszillierenden Körper bildet und innerhalb welchem ein Element angeordnet ist, von dem beabsichtigt ist, daß es sich dreht. Dies ist auch in der Patentanmeldung GB 2 120 462 beschrieben worden.
Der oszillierende Körper kann die Gestalt eines langen geraden Körpers haben, der anstelle der Drehbewegung eine Linearbewegung erzeugt.
Bei einem geringfügig veränderten Typ sind die piezoelektrischen Elemente zwischen zwei (Aluminium-) Teile gepreßt worden, wobei ein geschlitztes Teil gegen eines derselben gepreßt worden ist. Das geschlitzte Teil bringt das Gegenstück, das dagegen anliegt, mit Spannkraft in eine Drehbewegung. Wir verweisen zum Beispiel auf die EP-A 86 102 249.9 (Veröffentlichung Nr. 198 183).
Wenn das Ventilelement aus einer sich drehenden Platte besteht, wobei jede entsprechende Stellung die Durchflußöffnung des Ventils bestimmt, dann erhält man eine besonders vorteilhafte kompakte Bauweise entsprechend der Erfindung insofern, als die sich drehende Platte oder ein unmittelbar daran befestigtes Teil ein bewegliches Gegenstück des Ultraschallmotors bildet, welches mit Hilfe piezoelektrischer Elemente gegen den zum Oszillieren gebrachten oszillierenden Körper gedrückt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der oszillierende Körper des Ultraschallmotors ringförmig und so angebracht, daß er den Materialfluß umgibt.
Wenn die sich drehende Platte zusammen mit der feststehenden Platte innerhalb des Rohres angeordnet wird, dann wird der oszillierende Körper entweder innerhalb des Rohres in der Nähe der Wand angeordnet, oder er kann in einigen Fällen Bestandteil der Wand selbst sein. Im letzteren Falle sind die piezoelektrischen Elemente außerhalb der Rohrwand angeordnet worden.
Die Erfindung und ihre weiteren Merkmale und Vorteile werden nachstehend in der Form von Beispielen stärker detailliert beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, bei welchen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Ventils entsprechend der Erfindung und einen entsprechenden teilweisen Schnitt zeigt;
Fig. 2 eine Ausführungsform zeigt, die nur geringfügig von der von Fig. 1 verschieden ist;
Fig. 3 eine geringfügig modifizierte Ausführungsform, auch als perspektivische Ansicht und teilweise geschnitten, zeigt;
Fig. 4 eine weitere Möglichkeit der Ausführungsform von Fig. 1 zeigt;
Fig. 5 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher der Motor von dem von Fig. 1 bis 4 verschieden ist; und
Fig. 6 eine weitere freigestellte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Bei Fig. 1, welche den Aufbau des integrierten Ultraschallmotors und des Ventils zeigt, bezeichnet Bezugszeichen 26 einen zylindrischen Rohrteil, welcher durch eine Spiralarmatur mit einem zweiten Rohrteil 27 verbunden ist, welches mit einer Schulter 29 ausgestattet ist, um auf diese Weise als dünneres Rohr 28 weiterzulaufen.
Die Bezugszeichen 30 und 31 bezeichnen zwei Keramikplatten, welche mit zusammenwirkenden durchlaufenden Bohrungen 33 und 34 ausgerüstet sind, wobei die Platte 30 fest ist und sich die Platte 31 dreht, so daß der Betrag der Durchgangsöffnung der Bohrungen 33 und 34 durch die Stellung der Platte 31 in einer solchen Art und Weise bestimmt wird, wie sie im Zusammenhang mit anderen Wasserarmaturen schon allgemein bekannt ist.
Bezugszeichen 32 bezeichnet nur eine Nase, die an dem Schlitz der Platte 30 festhaftet und verhütet, daß sich diese dreht.
In diesem Fall besteht der Ultraschallmotor aus den folgenden Teilen: einem Ring, der durch die abwechselnden piezoelektrischen Elemente 37 gebildet wird, dem ringförmigen oszillierenden Körper 36 und einem beweglichen Teil, das gegen den letzteren gedrückt wird, der in diesem Fall aus der beweglichen Platte 31 besteht. Der Ultraschallmotor ist mit einer Wechselstromquelle mit Hilfe der Drähte 39 verbunden. In Wirklichkeit werden zwei sinusförmige Spannung mit gegenseitiger Phasenverschiebung den abwechselnden piezoelektrischen Elementen zugeführt, wie es stärker detailliert bei den Spezifikationen erklärt ist, die diese Motoren beschreiben.
Die gesamte Ventilbaugruppe, d.h. die piezoelektrischen Elemente 37, der oszillierende Ring 36 und die Keramikplatten 30 und 31 werden bezogen auf das Rohr 26 mit Hilfe eines Rundrings und bezogen auf die Schulter 29 durch einen Dichtungsring 38 abgedichtet
Wesentlich für die Erfindung ist folglich die Nutzung des Prinzips des Ultraschallmotors so, daß das Ventilelement, d.h. die bewegliche Platte 31, direkt einen beweglichen Teil des Motors bilden kann. Denselben Effekt erreicht man natürlich dann, wenn der bewegliche Teil normalerweise aus einem Ring besteht, welcher dann unmittelbar an der Keramikplatte festgemacht ist. Eine Reibungsschicht kann sich zwischen dem oszillierenden Körper 36 und der beweglichen Platte 31 in einer Art befinden, wie sie bei Ultraschallmotoren bekannt ist, aber nicht in Fig. 1 gezeigt wird.
Fig. 2 zeigt eine Lösung, die im Prinzip identisch mit der von Fig. 1 ist, mit dem einzigen Unterschied, daß die Anschlagfläche, welche die Plattenbaueinheit hält, durch die Druckknöpfe 26a des Rohrs 26 erzeugt worden ist und daß die feststehende Platte 30 an ihrem Umfang mit dem Rundring 35 abgedichtet wird. Ansonsten ist der Aufbau derselbe, wie bei Fig. 1.
Fig. 3 unterscheidet sich von der vorstehenden dadurch, daß der oszillierende Körper, d.h. der Ring als integrierter Bestandteil 36a der Rohrwand 36, genauer gesagt, der Schulter 29, realisiert worden ist. Die piezoelektrischen Elemente 37 sind nacheinander als Ring unterhalb der Schulter angeordnet, das heißt, außerhalb des Rohres.
Die Oszillationsbewegung muß dann durch die Rohrwand hindurchgehen, das heißt, die Schulter muß auf beiden Seiten des oszillierenden Rings 36a reduziert werden.
Fig. 3 zeigt auch die erwähnte Reibungsschicht 40, wenn man von der vorstehenden Fig. 1 spricht, die zwischen dem oszillierenden Körper 36a und der beweglichen Platte 31 eingesetzt ist.
Fig. 4 zeigt eine freigestellte Ausführungsform, bei welcher die piezoelektrischen Elemente als Ring 37 außerhalb des Rohres 27 ausgebildet sind, der das Rohr umgibt. Die Wand des Rohres 27 ist an der Stelle des Rings 37 reduziert worden, so daß die Wand selbst den oszillierenden Körper 36b bildet. In diesem Fall könnte es notwendig sein, das Rohr über eine größere Entfernung als nur die Breite des Rings 37 dünner zu machen, damit die Oszillationsschwingungen durch die Wand hindurchgehen und die Platte 31 in eine Drehbewegung versetzen.
Die Plattenbaueinheit ist bezogen auf die Rohrleitungen mit dem Rundringen 35 und 41 abgedichtet.
Fig. 5 zeigt eine Anwendung, bei welcher ein Ultraschallmotor eines geringfügig anderen Typs verwendet wird. Bezüglich des Aufbaus dieses Motors verweisen wir auf die zitierte EP-A 86 102 249 9, Veröffentlichung Nr. 198 183. Der Motor besteht aus den piezoelektrischen Elementen 37, welche fest zwischen den zylindrischen Aluminiumteilen 44 und 45 eingepreßt sind. Gegen das Teil 44 ist auch ein oszillierender KörPer 36c gepreßt, welcher auf einer Seite einen Schlitz 46 und auf der anderen Seite den flachen zentralen Teil 47 aufweist, wobei die letzteren Teile sich auf einen verschiedenen Winkel bezogen aufeinander einspielen. Das plattenartige Teil 48 ist gegenüber dem zentralen Teil 47 aufgehängt. Von den Platten 30 und 31, die die Ventilbaueinheit bilden, ist die bewegliche Platte 31 an dem geraden Teil 48 festgemacht. Das Oszillieren des Teils 36c versetzt das Teil 48 in eine Drehbewegung, wodurch sich die Durchflußöffnung, welche durch die Plattenbaueinheit 30 und 31 gebildet wird, ändert.
In diesem Fall ist das Ventil in dem Kanal 43 untergebracht, welcher bezogen auf den Körper durch Rundringe 41 und 49 abgedichtet wird. Die Öffnung in der beweglichen Platte 31 öffnet sich in die Kante der Platte hinein.
Schließlich zeigt Fig. 6 eine Lösung, bei welcher der Rotor des Ultraschallmotors vollkommen in einem Wasserraum angeordnet ist.
Hier besteht die Ventilkammer aus den Teilen 49 und 50 und auch 51, wobei die Teile 50 und 51 beispielsweise durch Schrauben miteinander vereinigt sind und anschließend die Einheit mit dem Teil 49 durch einen Spannring 52 verbunden worden ist.
Die Welle 54, die elastisch nach oben gedrückt wird, umfaßt den Rotor 55 des Ultraschallmotors, welcher die Ventilscheibe 31 unter Zwischenschaltung des Teils 53 dreht.
Der Stellungssensor 57 des Rotors einerseits und der Drucksensor 56 andererseits sind in dem Teil 51 angeordnet, welcher den Wasserstromraum umgibt.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kann natürlich auf vielfältige Weise innerhalb des Geltungsbereichs der folgenden Ansprüche variiert werden.

Claims

1. Motorgetriebenes Ventil für einen Wasserhahn, wobei das bewegliche Ventilbauteil eine drehbare Platte (31) ist, durch deren Position zu jedem vorgegebenen Zeitpunkt die Durchflußöffnung des Ventils bestimmt wird, wobei die drehbare Platte (31) oder ein Teil (48, 53, 55) direkt mit dem Ventil verbunden ist, um das bewegliche Gegenstück eines Ultraschallmotors zu bilden, wobei dieses Gegenstück gegen ein oszillierendes Teil (36, 36a, 36b, 36c) gedrückt wird, welches mittels eines piezoelektrischen Elements (37) zum Oszillieren gebracht wird.

2. Ventil nach Anspruch 1, wobei das oszillierende Teil (36, 36a, 36b) des Ultraschallmotors ringförmig ist, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige, oszillierende Teil (36, 36a, 36b) dazu ausgestaltet ist, den Durchfluß zu umgeben.

3. Ventil nach Anspruch 2, wobei die drehbare Platte (31) zusammen mit der feststehenden Platte (30) in einer Leitung (26 - 28) angeordnet ist, die eine Verbreiterung hat, in der eine Schulter (29) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das oszillierende Ringteil (36, 36a, 36b) des Ultraschallmotors innerhalb der Leitung auf der oberen Fläche der Schulter (29) angeordnet ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das oszillierende Ringteil (36a) integriert mit der Schulter (29) gebildet ist, daß das Material der Schulter an beiden Seiten des Ringes eine geringe Dicke hat und daß die piezoelektrischen Elemente (37) des Ultraschallmotors außerhalb der Wand der Schulter (29) angeordnet sind.

5. Ventil nach Anspruch 2, wobei die drehbare Platte (31) zusammen mit der feststehenden Platte (30) in der Leitung (26 - 28) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (37), der durch die piezoelektrischen Elemente des Ultraschallmotors gebildet ist, um die Leitung herum angeordnet ist und daß die Wand der Leitung (27) eine verminderte Dicke aufweist und das oszillierende Teil (36b) bildet.

6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (55) des Ultraschallmotors vollständig in dem von Wasser durchflossenen Raum angeordnet ist.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Positionssensor (57) für den Rotor in der den von Wasser durchflossenen Raum umgebenden Wand ausgebildet ist.

8. Ventil nach Anspruch 1, wobei der Körper des Ultraschallmotors im wesentlichen ein zylinderförmiges Bauteil enthält, welches in Längsrichtung in Teile (44, 45, 36c) getrennt ist, zwischen denen die piezoelektrischen Elemente (37) zusammengedrückt sind, wobei das Teil (48) durch Oszillieren des mit dem Ende des Körpers verbundenen Rahmens in Drehbewegung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Platte (31) des Ventils direkt mit diesem Teil verbunden, um in Drehbewegung gebracht zu werden, oder selbst mit diesem Teil ausgebildet ist.