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Dokumentenidentifikation DE102005038067A1 22.02.2007
Titel Ventilaufsatz für ein Ventil, insbesondere Heizungs- oder Kälteventil
Anmelder Danfoss A/S, Nordborg, DK
Erfinder Frederiksen, Bjarne, Lemming, DK
Vertreter Patentanwälte Knoblauch und Knoblauch, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 10.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005038067
Offenlegungstag 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse F16K 31/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F24D 19/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird ein Ventilaufsatz (1) angegeben für ein Ventil, insbesondere Heizungs- oder Kälteventil, mit einem Gehäuse (2), einem im Gehäuse (2) in einer Betätigungsrichtung verlagerbaren Betätigungselement (8) und einem elektrischen Motor (5), der über einen Spindeltrieb (8, 27) auf das Betätigungselement (8) wirkt.
Man möchte einen elektrisch steuerbaren Ventilaufsatz angeben, der kompakt aufgebaut ist.
Hierzu ist vorgesehen, daß der Rotor (5) direkt mit einem rotierenden Element (8) des Spindeltriebs (8, 11; 8, 27) verbunden ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Ventilaufsatz für ein Heizungs- oder Kälteventil mit einem Gehäuse, einem im Gehäuse in einer Betätigungsrichtung verlagerbaren Betätigungselement und einem elektrischen Motor, der über einen Spindeltrieb auf das Betätigungselement wirkt.

Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit einem Heizkörperventil beschrieben. Sie ist aber in entsprechender Weise auch bei einem Ventil anwendbar, das den Strom eines Kältemittels durch eine Kühlfläche oder einen zum Kühlen verwendeten Wärmetauscher steuert.

Heizkörperventile werden üblicherweise durch einen thermostatisch arbeitenden Thermostatventilaufsatz gesteuert. Der Thermostatventilaufsatz enthält ein Thermostatelement, dessen Ausdehnung sich mit der Temperatur ändert. Wenn die vom Thermostatelement gemessene Temperatur hoch ist, dann nimmt die Ausdehnung des Thermostatelements zu. Dies wirkt dann drosselnd auf das Heizkörperventil ein. Wenn die Temperatur niedrig ist, dann nimmt die Ausdehnung des Thermostatelements entsprechend ab und es wird ein größerer Strom von Wärmeträgermedium durch das Heizkörperventil freigegeben.

Derartige Ventilaufsätze haben sich bewährt. Sie erlauben jedoch in der Regel nur eine lokale Beeinflussung des Heizkörpers.

Eine andere Art von Ventilaufsätzen verwendet einen Motor, um das Ventil zu steuern. Ein derartiger Ventilaufsatz ist beispielsweise aus DE 34 01 154 A1 bekannt. In dem Ventilaufsatz befindet sich ein elektrischer Rotationsmotor, der über ein Getriebe mit einer Vielzahl von großen und kleinen Zahnrädern eine Scheibe verstellt, die eine geneigte Betätigungsfläche aufweist. Die Betätigungsfläche wiederum wirkt auf einen Ventilstößel. Letztendlich darf sich die Betätigungsfläche maximal einmal drehen, um den vollen Hub des Ventilstößels ausnutzen zu können. Dies macht die Ansteuerung schwierig. Das Getriebe setzt den Wirkungsgrad herab, so daß ein derartiger Ventilaufsatz relativ viel Leistung erfordert und auch relativ groß baut.

Ein Ventilaufsatz der eingangs genannten Art ist aus US 5 137 051 bekannt. Hier wirkt der Motor über ein Getriebe auf eine Spindel, die sich in einer drehfest gehaltenen Mutter dreht. Bei einer Drehung verschiebt sich die Mutter und wirkt über eine Überlastsicherung, die eine Druckfeder enthält, auf einen Ventilstößel. Auch hier baut der Ventilaufsatz relativ groß. Das Getriebe setzt den Wirkungsgrad des Ventilaufsatzes herab, so daß man eine relativ hohe Leistungsaufnahme bei einer Verstellbewegung hat. Darüber hinaus verursacht ein Getriebe in der Regel Geräusche, die insbesondere dann unerwünscht sind, wenn ein derartiger Ventilaufsatz im Wohnbereich oder im Schlafbereich eingesetzt werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch steuerbaren Ventilaufsatz anzugeben, der kompakt aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Ventilaufsatz der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Motor direkt mit einem rotierenden Element des Spindeltriebs verbunden ist.

Damit spart man sich ein Getriebe zwischen dem Motor und dem Spindeltrieb ein. Der Motor wirkt also übersetzungsfrei auf den Spindeltrieb. Damit erreicht man mit einem relativ einfachen Aufbau, daß der Ventilaufsatz bei einer Verstellung des Ventils mit einem sehr guten Wirkungsgrad arbeiten kann. Die Geräuschentwicklung bleibt klein, weil es weniger bewegte Teile gibt. Im Grunde handelt es sich nur um den Motor und den Spindeltrieb, bei dem ein Element rotiert und ein anderes Element aufgrund der Rotation translatorisch verlagert wird. Weitere Teile, die bewegt werden müssen, entfallen.

Vorzugsweise ist der Motor als Schrittmotor ausgebildet. Ein Schrittmotor läßt sich schrittweise ansteuern. Wenn man die Zahl der durchgeführten Schritte kennt, dann weiß man auch, welche Verlagerung der Spindeltrieb durchgeführt hat. In diesem Fall weiß man auch, welche Position das Betätigungselement hat. Man kann diese Position direkt mit einer gegebenen Öffnung und damit auch einer vorbestimmten Temperatur verketten.

Bevorzugterweise ist der Motor als Piezomotor ausgebildet. Der Motor weist also mindestens ein Piezoelement auf, das sich bei einer Spannungsbeaufschlagung ausdehnt und bei einer negativen oder verminderten Spannung zusammenzieht. Man kann nun diese Expansions- und Kontraktions-Bewegungen des Piezoelements ausnutzen, um den Motor zu betreiben. Anders ausgedrückt wird eine Oberfläche in Schwingung versetzt, so daß eine Art Trägerwelle entsteht. Mit Hilfe dieser Trägerwelle ist es möglich, die Position des Motors durch Zählen der Schwingungen und damit der Schritte zu bestimmen. Ein Piezomotor ist vom Prinzip her selbstsperrend. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die Selbsthemmung oder Selbstsperrung ausschließlich über den Piezomotor zu bewirken, so daß alle anderen Übertragungselemente auf andere Vorgaben hin optimiert werden können.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß der Motor ein erstes Motorelement und ein zweites Motorelement aufweist, zwischen denen in Betätigungsrichtung gesehen eine Piezoelementanordnung angeordnet ist. Man kann nun beispielsweise durch ein entsprechendes Beaufschlagen der Piezoelementanordnung die gewünschte Längenausdehnung bewirken. Die Piezoelementanordnung kann ein oder mehrere Piezoelemente aufweisen.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß das erste Motorelement und das zweite Motorelement jeweils eine Durchmessererweiterung aufweisen, wobei die Piezoelementanordnung im Bereich der Durchmessererweiterung angeordnet ist. Mit der Durchmessererweiterung hat die Piezoelementanordnung eine größere Fläche zur Verfügung, an der sie sich abstützen kann.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das erste Motorelement als Rotor und das zweite Motorelement als Stator ausgebildet sind, wobei die beiden Motorelemente über eine Gewindepaarung miteinander in Verbindung stehen. Die Verbindung kann auch indirekt erfolgen, beispielsweise über Zwischenstücke, die mit dem Stator und/oder dem Rotor drehfest verbunden sind. In diesem Fall wird die Piezoelementanordnung nicht nur dazu ausgenutzt, durch eine Ausdehnung oder ein Zusammenziehen eine Verlagerung des Betätigungselements zu bewirken. Die Piezoelementanordnung wird bei einer beispielsweise sinusförmigen Anregung dazu verwendet, den Rotor und den Stator gegeneinander zu verdrehen. Diese Drehbewegung kann durch die entsprechende Gewindepaarung in eine Verlagerung des Betätigungselements übersetzt werden. Je nach Ansteuerrichtung der Piezoelementanordnung kann der Rotor gegenüber dem Stator in eine Richtung, beispielsweise im Uhrzeigersinn, oder in die entgegengesetzte Richtung, also entgegen dem Uhrzeigersinn, verdreht werden, so daß eine entsprechende Verlagerung sowohl in Richtung zum Ventil hin als auch in Richtung vom Ventil weg möglich ist.

Vorzugsweise weist der Spindeltrieb ein nicht rotierendes Element auf, das sich an einer Stirnwand des Gehäuses abstützt. Der Motor bildet also eine Art Spreizeinrichtung, die auf einen Ventilstößel wirkt, indem sich der Motor zwischen der Stirnseite des Gehäuses und dem Ventilstößel spreizt oder zusammenzieht. Mit anderen Worten ändert die Einheit aus Motor und Spindel ihre axiale Länge. Damit ist in jedem Fall eine ausreichende Gegenkraft vorhanden, um einen Betätigungsstift des Ventils in ausreichendem Maße in das Ventil einzudrükken, um das Ventil zu schließen oder zu öffnen.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Stirnwand verlagerbar ist. Damit läßt sich ein Referenzpunkt für den Ventilaufsatz einstellen.

Vorzugsweise bildet die Stirnwand einen Teil eines Drehgriffs. Mit dem Drehgriff läßt sich dann, wenn dies gewünscht ist, die Wirkung des Motors übersteuern.

Bevorzugterweise ist der Spindeltrieb in einem Bereich angeordnet, der zumindest auf einem Teil seiner axialen Länge vom Rotor umgeben ist. Damit erreicht man, daß der Aufsatz vergleichsweise kurz bauen kann. Der Ventilaufsatz weist normalerweise einen Außendurchmesser auf, der an die menschliche Hand angepaßt ist. Dementsprechend steht auch im Innern des Ventilaufsatzes ein ausreichender Raum zur Verfügung, um auch einen Motor mit einem größeren Durchmesser unterzubringen. Damit läßt sich ein ausreichendes Drehmoment erzeugen. Die Krafterzeugung auf einen kleineren Radius des Motors ist hingegen vernachlässigbar, so daß man hier den Spindeltrieb unterbringen kann.

Vorzugsweise ist der Motor leitungslos ansteuerbar. Man benötigt also keine Leitungen, um den Motor anzusteuern. Vielmehr kann man hier Funkwellen nutzen, beispielsweise nach der sogenannten "bluetooth"-Technik. Auch andere Arten der Übertragung, beispielsweise mit Infrarot-Strahlen oder Ultraschall, sind möglich.

Bevorzugterweise ist der Stator des Motors im Gehäuse stationär gehalten. Damit vermeidet man eine Bewegung, die sich negativ auf elektrische Verbindungsleitungen auswirken könnte, die man zur Leistungsversorgung des Motors benötigt. Die Gefahr, daß derartige Leitungen zerrissen oder beschädigt werden, wird damit erheblich vermindert.

Auch ist von Vorteil, wenn der Rotor und der Stator des Motors mit einer vorbestimmten Axialkraft zusammengespannt sind. Eine derartige Ausbildung ist insbesondere bei Piezomotoren von erheblichem Vorteil. Wenn Rotor und Stator die Piezoelementanordnung zwischen sich einspannen, dann kann der Motor optimal wirken.

Hierbei ist bevorzugt, daß eine Federanordnung in Axialrichtung auf den Motor wirkt. Mit einer Federanordnung läßt sich auf einfache Weise die vorgegebene Spannkraft erreichen.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Federanordnung eine auf den Rotor wirkende Federscheibe aufweist. Mit einer Federscheibe läßt sich auf relativ kurzem Weg die notwendige Kraft erzeugen. Eine Federscheibe benötigt daher relativ wenig Bauraum. Außerdem läßt sie sich relativ leicht montieren. Man kann zwischen der Federscheibe und dem Rotor auch eine reibungsvermindernde Schicht anordnen, beispielsweise aus Keramik oder Kunststoff, insbesondere PTFE.

Bevorzugterweise ist die Federscheibe an einem im Gehäuse gehaltenen Verschlußring abgestützt. Dies ist eine einfache Möglichkeit, um die Federscheibe im Gehäuse festzuhalten.

Alternativ dazu kann die Federscheibe an einem Vorsprung der Stirnwand abgestützt sein. In diesem Fall ist eine Ausformung am Gehäuse erforderlich, die zur Abstützung der Federscheibe verwendet wird.

Auch ist von Vorteil, wenn der Motor eine Entkopplungseinrichtung aufweist, die Axialkräfte, die vom Ventil auf das Betätigungselement wirken, vom Rotor fernhält. Wie oben ausgeführt, ist es vorteilhaft, wenn man bei Piezomotoren mit einer gewissen Kraft so auf den Motor einwirkt, daß die Piezoelementanordnung zwischen Rotor und Stator eingespannt wird. Gleichzeitig ist es dabei wichtig, daß die Kraft nicht über das vorbestimmte Maß hinaus ansteigt. Dementsprechend ist es auch günstig, wenn die vom Ventil zurückwirkende Federkraft nicht auf den Motor einwirkt. Dies könnte dazu führen, daß er nicht mehr so frei drehen kann, wie dies gewünscht ist. Damit ergibt sich eine größere Reibung und ein erhöhter Verschleiß. Wenn man nun darauf achtet, daß die Axialkräfte vom Rotor ferngehalten werden, dann erhält man in dieser Hinsicht ideale Betriebsbedingungen, ohne daß man ansonsten Abstriche an der Funktionalität machen müßte.

Hierbei ist bevorzugt, daß der Rotor drehfest mit einem axial gegenüber dem Rotor verschiebbaren Mitnehmer in Verbindung steht, der mit der Betätigungsfläche in Eingriff steht. Der Mitnehmer ist dann der Bestandteil des Motors, der die Längenänderung bewirkt. Da er nur in Rotationsrichtung mit dem Rotor in Eingriff steht, in Axialrichtung hingegen verschiebbar ist, können Axialkräfte vom Rotor ferngehalten werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

1 eine erste Ausführungsform eines Ventilaufsatzes in aufgeschnittener perspektivischer Darstellung,

2 eine abgewandelte Ausführungsform des Ventilaufsatzes mit Drehgriff,

3 eine dritte Ausführungsform eines Ventilaufsatzes im schematischen Längsschnitt und

4 eine Abwandlung der Ausführungsform nach 3.

1 zeigt einen Ventilaufsatz 1 in schematischer Darstellung. Der Ventilaufsatz 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das mit einer Befestigungseinrichtung 3 versehen ist. Das Gehäuse ist im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet. Es weist eine Stirnwand 4 auf.

Im Gehäuse 2 ist ein Motor 5 angeordnet, der einen Stator 6 und einen Rotor 7 aufweist. Im Betrieb dreht sich der Rotor 7 und bewegt dabei einen Mitnehmer 8, der ein Innengewinde 9 aufweist. Das Innengewinde 9 ist auf ein Außengewinde 10 aufgeschraubt, das auf einem Fortsatz 11 des Stators angeordnet ist, der sich wiederum an der Stirnwand 4 des Gehäuses 2 abstützt.

Der Mitnehmer 8 ist mit einem Betätigungselement 13 verbunden, das eine Betätigungsfläche 14 aufweist, an der im montierten Zustand ein Stößel 15 (3) eines im übrigen nicht näher dargestellten Ventils anliegt. Üblicherweise steht der Stößel 15 in Öffnungsrichtung unter der Vorspannung einer Feder. Wenn sich der Mitnehmer 8 und damit auch das Betätigungselement 13 bewegen, dann wird der Stößel 15 mehr oder weniger weit in das Ventil eingedrückt, um es zu schließen oder zu öffnen.

2 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung, bei der gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Die Halterung 12, von der der Fortsatz 11 vorsteht, ist Bestandteil eines Drehgriffs 16, der auf ein Außengewinde 17 des Gehäuses 2 aufgeschraubt ist. Wenn der Drehgriff 16 verdreht wird, dann wird auch die Position des Motors 5 verändert, weil der Stator 6 des Motors 5 an dem Träger 12 anliegt. Damit läßt sich die Wirkung des Motors 5 übersteuern. Alternativ dazu läßt sich ein anderer Null- oder Ausgangspunkt einstellen.

3 zeigt im Schnitt schematisch eine weitere Ausgestaltung, bei der die Stirnwand 4 im Gehäuse 2 ebenfalls verlagert werden kann. Hierzu ist die Stirnwand 4 in ein Innengewinde des Gehäuses 2 eingeschraubt. Die Stirnwand 4 weist zweckmäßigerweise nicht näher dargestellte Drehmomentangriffsflächen auf, damit die Stirnwand 4 gegenüber dem Gehäuse 2 verdreht werden kann.

Aus 3 ist der Aufbau des Motors 5 besser zu erkennen. Der Stator 6 des Motors liegt ortsfest im Gehäuse 2. Hierzu ist er auf einer Stufe 19 des Gehäuses axial gesichert und vom Gehäuse 2 in Umfangsrichtung eng umschlossen, so daß er auch in radialer Richtung festgelegt ist.

Der Rotor 7 weist zum Stator 6 einen kleinen Abstand 20 auf, in dem ein Piezoelement 21 angeordnet ist. Man kann auch mehrere Piezoelemente 21 verwenden. Aus Gründen der Vereinfachung erfolgt die nachfolgende Erläuterung aber mit einem Piezoelement 21. Das Piezoelement 21 ist durch eine Piezokeramik gebildet, deren Ausdehnung sich mit einer Spannungsbeaufschlagung verändert. Die Ausdehnungsänderung des Piezoelements 21 hat dabei eine Komponente in Umfangsrichtung des Stators 6, so daß man durch eine entsprechende Spannungsbeaufschlagung des Piezoelements 21 dem Rotor 7 gegenüber den Stator 6 verdrehen kann.

Das Piezoelement 21 wird impuls- oder taktweise mit sinusförmigen Spannungsimpulsen beaufschlagt. Bei jedem Spannungsimpuls ergibt sich dann ein vorbestimmtes Winkelinkrement, um das der Rotor 7 gegenüber dem Stator 6 verdreht wird. Der Motor 5 ist also als Schrittmotor ausgebildet. Man "weiß" dann anhand der Anzahl von Impulsen (oder anderer Versorgungsdaten), in welcher Winkelstellung sich der Rotor 7 gegenüber dem Stator 6 befindet und, da die Winkelposition des Rotors 7 gegenüber dem Stator 6 immer auch eine Aussage über die Längenänderung des durch den Fortsatz 11 und den Mitnehmer 8 gebildeten Spindeltriebes erlaubt, eine Aussage darüber, wie weit die Betätigungsfläche 14 von der Stirnwand 4 des Gehäuses 2 entfernt ist (siehe 1). Dementsprechend läßt sich auch genau sagen, welchen Öffnungsgrad das vom Ventilaufsatz 1 gesteuerte Ventil hat.

3 unterscheidet sich von der Ausgestaltung nach den 1 und 2 insofern, als der Rotor 7 eine Verzahnung 22 aufweist, über die der Rotor 7 mit dem Mitnehmer 8, der hier gleichzeitig als Betätigungselement wirkt, in Verbindung steht. Der Mitnehmer 8 ist also gegenüber dem Rotor 7 in Axialrichtung frei verlagerbar. Lediglich in Drehrichtung ist er mit dem Rotor 7 fest verbunden. Dies führt dazu, daß Kräfte, die über den Stößel 15 auf den Mitnehmer 8 wirken, sich nicht auf den Rotor 7 übertragen.

Der Motor 5 kann über eine nicht näher dargestellte und im Ventilaufsatz 1 angeordnete Batterie mit elektrischer Leistung versorgt werden. Da der Motor 5 nur gelegentlich in Betrieb genommen werden muß, um einen Öffnungsgrad des Ventils zu verändern, ist der Verbrauch des Motors 5 an elektrischer Leistung relativ gering.

Alternativ dazu kann man auch eine Versorgungseinrichtung vorsehen, die ein thermoelektrisches Element in Verbindung mit Solarzellen enthält. Das thermoelektrische Element wandelt Wärme, die im Ventil ohnehin durch zugeführtes heißes Wärmeträgerfluid vorhanden ist, in elektrische Energie um. Wenn derartige Wärme nicht zugeführt wird, scheint in der Regel die Sonne, so daß man mit Hilfe von Solarzellen die notwendige elektrische Energie erhält. In diesem Fall ist man von einer Zufuhr elektrischer Energie von außen unabhängig und benötigt im Grunde auch keine Batterie. Eine Batterie kann aus Sicherheitsgründen allerdings vorhanden sein. Diese kann dann kleiner ausgebildet werden.

Eine Ansteuerung kann von außen erfolgen, beispielsweise über eine nicht näher dargestellte Zentraleinheit. Die Ansteuerung kann über Leitungen erfolgen. Sie kann aber auch leitungslos erfolgen, beispielsweise über Funk, Infrarot, "Bluetooth-Technik", etc.

Der Stator 7 und der Rotor 6 des Motors 5 werden durch eine Federscheibe 23 axial zusammengedrückt. Diese Federscheibe 23 wird durch einen Fortsatz 24 der Stirnwand 4 gehalten. Zwischen der Federscheibe 23 und dem Rotor 6 kann in nicht näher dargestellter Weise noch eine reibungsvermindernde Schicht angeordnet sein, beispielsweise aus Keramik oder aus Kunststoff, insbesondere PTFE. Die Vorspannung, mit der die Federscheibe 23 den Stator 6 und den Rotor 7 zusammendrückt, ist damit einstellbar. Damit ist auch die mechanische Spannung einstellbar, die auf das Piezoelement 21 wirkt. Die Federkraft ist auf ein optimales Betriebsverhalten des Motors 5 hin optimierbar. Dadurch läßt sich Energie einsparen.

Der Mitnehmer 8 weist ein Außengewinde 25 auf, das in einem Gehäuseelement 27 angeordnet ist. Das Gehäuseelement 27 stützt sich an der Stirnwand 4 ab und ist mit der Stirnwand 4 drehfest verbunden. Wenn das Gehäuseelement 27 von der Stirnwand 4 getrennt gefertigt werden kann, kann es aus einem anderen Material bestehen. So ist es beispielsweise möglich, die Stirnwand 4 auf eine mechanische Stabilität hin zu optimieren. Für das Gehäuseelement 27 kann man hingegen ein Material wählen, das mit dem Mitnehmer 8 reibungsarm zusammenwirkt.

Wenn nun der Motor 5 in Betrieb genommen wird, dann dreht der Rotor 7 den Mitnehmer 8. Der Mitnehmer 8 wandert in Abhängigkeit von der Drehrichtung im Gehäuseelement nach oben oder nach unten. Dabei verändert sich auch die Position der Betätigungsfläche 14 und damit die Anlagefläche für den Stößel 15.

Die auf den Motor 5 wirkenden Kräfte werden ausschließlich durch die Federscheibe 23 bestimmt. Kräfte, die vom Ventil herrühren, wirken nur auf den Mitnehmer 8. Dies hat den Vorteil, daß der Motor 5 immer unter genau definierten Bedingungen betrieben wird. Jeder elektrische Impuls, der an den Motor 5 gelangt, bewirkt dann die Verstellung des Rotors 6 um ein vorbestimmtes Winkelinkrement. Das Anlaufen des Motors 5 wird nicht durch zu hohe Kräfte erschwert. Ein "Durchrutschen" des Rotors 6 gegenüber dem Piezoelement aufgrund zu geringer Kräfte wird vermieden. Die axiale Trennung von Rotor 6 und Mitnehmer 8 hat auch den Vorteil, daß man unterschiedliche Materialien für Rotor 6 und Mitnehmer 8 verwenden kann. Der Rotor 6 kann so gestaltet werden, daß er eine große Reibung zum Piezoelement 21 aufweist. Je größer diese Reibung ist, desto geringer kann die Vorspannung gewählt werden. Der Mitnehmer 8 kann hingegen so gestaltet werden, daß er mit dem Gehäuseelement 27 reibungsarm zusammenwirkt.

Ein derartiger Ventilaufsatz hat den Vorteil, daß die Messung der Raumtemperatur an einer Position erfolgen kann, die einen ausreichenden Abstand zum Heizkörper hat. Damit werden P-Bandfehler (die Solltemperatur entspricht nicht der am Heizkörper gemessenen Temperatur) und sogenannte FTA-Fehler (FTA = Vorlauftemperatur-Abhängigkeit) eliminiert. Diesen Fehler wird es sonst fast immer geben, wenn die Temperatur direkt am Ventilaufsatz gemessen wird, weil die Wärme des durch das Ventil strömenden Wärmeträgermediums die Temperatur eines Thermostatelements beeinflussen wird.

Wenn der Aufsatz 1 am Ventil montiert wird, kann er selbsttätig einen "Nullpunkt" erfassen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß sich der Motor 5 dreht, bis das Ventil geschlossen ist. Dies wird durch einen Momentanstieg signalisiert. Man hat dann immer einen sicheren Referenzpunkt für den Öffnungsgrad des Ventils. Selbstverständlich kann man diesen Referenzpunkt auch in regelmäßigen Zeitabständen überprüfen.

Da der Motor 5 als Piezomotor ausgebildet ist und als Schrittmotor einen eingebauten "Zähler" hat, kennt man immer die Position des Stößels 15 und damit auch den Öffnungsgrad des Ventils. Dies kann z.B. dazu verwendet werden, die Voreinstellung in den Ventilaufsatz 1 zu verlegen, so daß eine Hubhöhenbegrenzung für das vom Aufsatz 1 gesteuerte Ventil vorliegt. Eine Hubhöhenbegrenzung ist allgemein bekannt, wird aber normalerweise in Verbindung mit dem Ventilelement verwendet, also auf mechanische Weise realisiert. Die Einführung der Voreinstellung in der hier angegebenen Weise ermöglicht auch eine relativ einfache Änderung dieser Voreinstellung, beispielsweise in Abhängigkeit von den Jahreszeiten.

Die Justierung des Öffnungsgrads mit Hilfe des Motors 5, bei dem die Position der Betätigungsfläche 14 genau bekannt ist und der deswegen auch als "intelligenter Motor" bezeichnet wird, ermöglicht auch die Erzeugung von vorbestimmten Ventilkurven (S-Kurve, logarithmische Kurve, etc.).

Der Stator 6 kann vorzugsweise mit dem Gehäuse 2 vergossen sein, er kann also mit dem Gehäuse 2 zusammengegossen oder in das Gehäuse eingegossen werden. Da der Motor 5 ohnehin relativ klein ist, ist es auch möglich, eine Steuerelektronik (nicht dargestellt) zusammen mit anderen Teilen einzubauen oder einzugießen. Eventuell können auch die Batterien eingebaut oder eingegossen werden.

Die Steuerelektronik kann auch außerhalb des Aufsatzes 1 angeordnet sein. In diesem Fall ist sie über Leitungen oder leitungslos mit dem Motor 5 verbunden.

Der Umstand, daß man einen Motor 5 verwendet, der als Schrittmotor ausgebildet ist und der tatsächlich praktisch ohne zusätzlichen Platz auskommt, bedeutet wiederum, daß man ohne Probleme einen modulierenden Betrieb haben kann. Man kann also ohne Probleme einen Öffnungsgrad des Ventils von beispielsweise 0,65 mm einstellen. Bei einer Fußbodenheizung bedeutet dies, daß der Durchfluß genau dem Bedarf angepaßt werden kann. Dies ist mit den heute praktisch ausschließlich verwendeten Ein-/Aus-Regelungen, die mit Fußbodenheizungen verwendet werden, praktisch nicht möglich.

Durch die Ausnutzung der Modulierung und mit Hilfe einer intelligenten Steuerung des Motors 5 ist es wiederum möglich, einige Vorteile zu erzielen, die früher nicht möglich waren. Wenn man z.B. ein System mit einem Raumtemperaturfühler und einem Heizkörper hat, der jeweils von einem Ventilaufsatz 1 gesteuert wird, dann ist folgendes vorstellbar:

Wenn der Raumthermostat an einem Tag auf 25° eingestellt ist und nur 23° mißt, muß der Aufsatz den Stößel 15 so justieren, daß die gewünschte Raumtemperatur erreicht wird. Wenn man dann eine Nachtabsenkung hat, wird der Raumthermostat am nächsten Tag wissen, daß er nicht beim ersten Versuch die gewünschte Temperatur erreicht hat und er weiß, daß er eine Korrektur einführen muß, so daß die gewünschte Temperatur ohne eine Zwischenjustierung erreicht wird. Über die Zeit wird dann erreicht, daß der Motor 5 weniger arbeiten muß und damit einen kleineren elektrischen Leistungsverbrauch hat. Dies ermöglicht die Versorgung durch Batterien ohne Probleme. Das gleiche gilt auch für eine Fußbodenheizung, die einen Fußbodentemperaturfühler aufweist.

4 zeigt eine Ausführungsform, die in wesentlichen Elementen der der 3 entspricht. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Stirnwand 4 ist nun nicht mehr über ein Gewinde 18 mit dem Gehäuse 2 verbunden. Die Stirnwand 4 weist vielmehr einen umlaufenden Vorsprung 30 auf, der in eine entsprechende Nut 31 im Gehäuse 2 einrastet. Damit ist die Stirnwand 4 im Gehäuse 2 verdrehbar, ohne daß sich dadurch die axiale Lage des Gehäuseelements 27 ändert.

Das Gehäuseelement 27 ist nach wie vor drehfest mit der Stirnwand 4 verbunden. Der Motor 5 ist selbsthemmend ausgebildet. Dementsprechend verschiebt sich bei einer Drehung der Stirnwand 4 der in Drehrichtung durch den Motor 5 festgehaltene Mitnehmer 8 axial. Es ist also durch eine Verdrehung der Stirnwand 4 möglich, den Mitnehmer 8 so zu verlagern, daß er über den Stößel 15 das Ventil schließt. Damit kann man manuell den Nullpunkt des Ventils herausfinden und dies dann der nicht näher dargestellten Steuereinrichtung mitteilen.

Darüber hinaus ist nun eine Schraube 32 durch die Stirnwand 4 geschraubt. Die Schraube 32 bildet eine mechanische Begrenzung für die Axialbewegung des Mitnehmers 8 nach oben, bei einem Heizungsventil also in Öffnungsrichtung. Mit Hilfe der Schraube 32 kann man also einstellen, wie weit das Ventil geöffnet werden kann.


Anspruch[de]
Ventilaufsatz für ein Ventil, insbesondere Heizungs- oder Kälteventil, mit einem Gehäuse, einem im Gehäuse in einer Betätigungsrichtung verlagerbaren Betätigungselement und einem elektrischen Motor, der über einen Spindeltrieb auf das Betätigungselement wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (5) direkt mit einem rotierenden Element (8) des Spindeltriebs (8, 11; 8, 27) verbunden ist. Ventilaufsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (5) als Schrittmotor ausgebildet ist. Ventilaufsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (5) als Piezomotor ausgebildet ist. Ventilaufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (5) ein erstes Motorelement (7) und ein zweites Motorelement (6) aufweist, zwischen denen in Betätigungsrichtung gesehen eine Piezoelementanordnung (21) angeordnet ist. Ventilaufsatz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Motorelement (7) und das zweite Motorelement (6) jeweils eine Durchmessererweiterung aufweisen, wobei die Piezoelementanordnung (21) im Bereich der Durchmessererweiterung angeordnet ist. Ventilaufsatz nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Motorelement (7) als Rotor und das zweite Motorelement (6) als Stator ausgebildet sind, wobei die beiden Motorelemente (7, 6) über eine Gewindepaarung (9, 10; 25, 26) miteinander in Verbindung stehen. Ventilaufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spindeltrieb ein nicht rotierendes Element (11, 27) aufweist, das sich an einer Stirnwand (4) des Gehäuses (2) abstützt. Ventilaufsatz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwand (4) verlagerbar ist. Ventilaufsatz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwand einen Teil eines Drehgriffs (16) bildet. Ventilaufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spindeltrieb (8, 11; 8, 27) in einem Bereich angeordnet ist, der zumindest auf einem Teil seiner axialen Länge vom Motor (5) umgeben ist. Ventilaufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (5) leitungslos ansteuerbar ist. Ventilaufsatz nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (6) des Motors (5) im Gehäuse (2) stationär gehalten ist. Ventilaufsatz nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) und der Stator (6) des Motors (5) mit einer vorbestimmten Axialkraft zusammengespannt sind. Ventilaufsatz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Federanordnung (23) in Axialrichtung auf den Motor (5) wirkt. Ventilaufsatz nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung eine auf den Rotor (7) wirkende Federscheibe (23) aufweist. Ventilaufsatz nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Federscheibe (23) an einem im Gehäuse (2) gehaltenen Verschlußring abgestützt ist. Ventilaufsatz nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Federscheibe (23) an einem Vorsprung der Stirnwand (4) abgestützt ist. Ventilaufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (5) eine Entkopplungseinrichtung aufweist, die Axialkräfte, die vom Ventil auf das Betätigungselement wirken, vom Rotor (7) fernhält. Ventilaufsatz nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) drehfest mit einem axial gegenüber dem Rotor (7) verschiebbaren Mitnehmer (8) in Verbindung steht, der mit der Betätigungsfläche (14) in Eingriff steht.






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