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Dokumentenidentifikation DE202006017900U1 04.10.2007
Titel Fluidtechnische Steuerung und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen
Anmelder Hidde, Axel R., Dr., 57076 Siegen, DE;
Klose, Odo, Prof., 42285 Wuppertal, DE
DE-Aktenzeichen 202006017900
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 04.10.2007
Registration date 30.08.2007
Application date from patent application 15.11.2006
File number of patent application claimed 10 2006 054 131.6
IPC-Hauptklasse G05D 27/02(2006.01)A, F, I, 20061124, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16K 31/02(2006.01)A, L, I, 20061124, B, H, DE   F16K 31/06(2006.01)A, L, I, 20061124, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur fluidtechnischen Steuerung und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen, insbesondere für das Medium Wasser, insbesondere für die Gebäudetechnik.

Bei derartigen Steuerungen und Regelungen für Wasser in Gebäuden – vor allem in Privathäusern und/oder Wohnungen – wird aller größter Wert auf Funktion und Design gelegt. Darüber hinaus muß die Einrichtung Besonderheiten hinsichtlich des Komforts aufweisen. Die Bedienfunktionen müssen trotz Vielfältigkeit in der Funktion eine klare Überschaubarkeit und Übersichtlichkeit aufweisen.

Die wassertechnische Steuerung und Regelung muß stufenlos erfolgen; sie muß im normalen Leitungsnetz eines Gebäudes mit Normaldrücken < 10 bar und kurzzeitigen Druckschlägen < 35 bar mit handelsüblichen Mitteln und Werkzeugen installierbar sein. Als Installationsart kommt die Unterputz (UP)-, die Aufputz (AP)- und die Inputz (IP)-Installation in Frage mit/ohne Vorwandinstallation. Die Einrichtung muß neben wasser- und gebäudetechnischen Normen (VDE-, EMV-, CE-Zeichen, etc.) die Trinkwassernorm erfüllen. Die Einrichtung besteht üblicherweise aus einer Ventileinheit, die einen Ventilblock und einen elektronischen Steuer- und Regelblock, netz- oder netzgerätversorgt, integriert oder abgesetzt, beinhaltet. Darüber hinaus steht eine abgesetzte Bedieneinheit mit dem Steuer- und Regelblock innerhalb der Ventileinheit elektrisch in Verbindung.

Der Warmwasserbereich erstreckt sich üblicherweise von Kaltwasser bis temperiertem Wasser bis ca. 60°C mit einer Genauigkeit in der Temperaturregelung von T = 1°C. Neben einer stufenlosen Durchflußregelung bis ca. 20 l/min wird häufig eine Dosierfunktion in Stufen von 10 ml ... 20 ml gefordert. Es werden zeitliche Anforderungen an die Verfügbarkeit bestimmter Wassertemperaturen und -mengen gestellt. Von dem Ventilblock dürfen keine Rückschläge ins Versorgungsnetz erzeugt werden und die Ventile sind so zu gestalten, daß keine Wasserfließgeräusche auftreten. Manuelle Funktionalität und Sicherheit durch Abschalten des Wasserbezugs bei Stromausfall sind zu gewährleisten. Verbrühschutz durch zusätzliche Sensorabfrage mit Aktorik ist obligatorisch. Rückschlagventile und/oder Rückflußverhinderer sind vorgesehen. Druckschwankungen im Versorgungs- oder Hausnetz sind möglichst auszugleichen.

Die Beschreibung wird fortgesetzt durch Würdigung des Stands der Technik von Einrichtungen zur fluidtechnischen Steuerung und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen, insbesondere für das Medium Wasser in der Gebäudetechnik. Gemäß dem Stand der Technik sind, je nach Anwendungsbezug, eine Vielzahl von Typen von Einrichtungen zur fluidtechnischen Steuerung und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen, insbesondere von Wasser, in der Gebäudetechnik bekannt.

In dem europäischen Patentexposé EP 1 128 105/deutsche Patentschrift DE 601 08 279 wird ein Mischventil mit zwei Wassereinlässen sowie einer Mischkammer für das Mischen der Ströme aus den beiden Einlässen vorgestellt. Über den beiden Einlässen befindet sich ein aus mit Aussparungen versehenen Scheiben bestehendes Regelelement, wobei die Aussparungen Geometrien sich verjüngender Öffnungen aufweisen.

Wird die Scheibe gedreht, bewegen sich die verjüngenden Öffnungen über die Wassereinlässe derart, daß die jedem Wassereinlaß dargebotene offene Fläche der Scheibe entsprechend der Bewegung der Verjüngung zu- oder abnimmt. Wird Sorge getragen, daß die größtmögliche Öffnung über einem Einlaß die kleinstmögliche Öffnung über dem anderen Einlaß bedingt und durch Drehung der Scheibe bis zum entgegengesetzten Anschlag das Gegenteil bewirkt wird, folgt daraus ein Proportionalventil, bei dem – bei Vorliegen konstanten Drucks auf beiden Leitungen – stets eine konstante Menge gewünschten temperierten Wassers entnommen werden kann. Eine über der Scheibe angeordnete Wassermischkammer mit Verwirbler sowie ein die Scheibe positionierender Getriebemotor und ein Temperaturfühler an dem Wasserauslaßstutzen komplettieren das Wassermischventil. Als Regelelemente sind auch zylinder-, kegel- oder kugelförmige sich gegen- oder ineinanderdrehende Teile mit entsprechenden Öffnungen vorstellbar.

Die Veröffentlichung beschreibt ein proportional arbeitendes Wassermischventil; eine Regulierung der gesamten Wassermengen ist nicht vorgesehen.

Weitere Anmeldungen zum Wasser-Mischventil des Anmelders sind die europäischen Schriften EP 1 482 221, EP 1 589 268, EP 1 596 110 sowie die englischen Schriften GB 2 359 610 und GB 2 417 058, die aber allesamt das Proportionalventil zum Gegenstand haben.

Die europäische Anmeldung EP 1 229 418 stellt die zur obigen Anmeldung gehörige Steuer-/Regelungseinheit vor. Diese Steuer-/Regelung weist drei Steuereingänge – die gewünschte Wassertemperatur, die Scheibenposition des Proportionalventils und die Temperatur des Mischwassers – sowie einen Steuerausgang aus – die Motorsteuerung. Der Regler weist Proportional-Differential (PD)-Verhalten auf; die Steuer-/Regelung fährt den Scheibenantrieb zum Abgleich stets in eine Positionier- und Kalibrierposition.

Die Steuer-/Regelung weist nur eine Stellgröße – die Stellung des Proportionalventils – auf.

Weitere Anmeldungen zu der Steuer-/Regelungseinheit des Anmelders – wie oben – sind die englischen Anmeldungen GB 2 371 634 und GB 2 405 224.

Durch die Anmeldungen GB 2 390 136 und GB 2 390 139 offenbart der Anmelder eine zweiventilige schnelle Flußregulierung für Wasserheizer. Während Ventil 1 die durch den Heizer strömende Wassermenge manuell voreinstellt, regelt Ventil 2 den Zufluß von Kalt-Mischwasser zum Warmwasser, wenn ein Sensor auf Basis Wachskapsel oder Bimetallstreifen dies erfordert.

Die Schnelligkeit der Regelung wird durch den Sensor – Wachs oder Bimetall – bestimmt.

Die englischen Patentschriften GB 2 390 135 und GB 2 390 141 stellen ein Ventil für die Mengenregelung eines Hosenrohrs für einen Wasserheizer vor. Das fließende Medium in einem Leitungsrohr wird über ein zahnstangen- und ritzelgesteuertes Ventil in zwei Leitungsrohre dosiert, wobei die eine Leitung den Warmwasserzulauf für den Heizer und die zweite Leitung den Kalt-Mischwasser-Zulauf darstellt.

Die Lösung mittels Getriebe- oder Schrittmotor, Zahnstange und Ritzel erscheint aufwendig und ggf. störanfällig.

Gemäß der deutschen Patentschrift DE 100 42 165/europäische Anmeldung EP 1 309 760 wird ein Kommunikationssystem aus Leit-, Automations- und Feldebene zur Steuerung und Überwachung von Sanitärarmaturen vorgestellt, wo zumindest ein Teil der batteriegespeisten Sanitärarmaturen funkgesteuert sind.

Die funkgesteuerten Sanitärarmaturen arbeiten nicht energieautark, sondern batterie- oder netzgerätgespeist.

Die Patentschrift DE 43 09 409 stellt ein Mischventil für kaltes und warmes Wasser vor, welches mit Motor und Getriebe thermostatisch geregelt zwei Ventilkörper mittels durchgehender Achse mit Steuerorganen bewegt, die durch Zuström- und Entlastungsbohrung Gegendruckkammern füllen bzw. entleeren, wodurch das Mischungsverhältnis von kaltem und warmen Wasser genau bestimmbar und keine Bauteilkompensation erforderlich ist.

Das servogesteuerte Mischventil ist ein Proportionalventil, wobei stets beim zufahrenden Ventil die Entlastungsbohrung geschlossen und beim öffnenden Ventil geöffnet wird, so daß die Gegendruckkammer gefüllt wird und ein zeitlicher Versatz um die Verfahrzeit des Steuerorgans in der Gegendruckkammer entsteht.

Bei der deutschen Patentschrift DE 36 43 519 erfolgt die Ansteuerung des Proportionalventils über ein Dehnstoffelement als Feineinstellung und über einen elektronisch gesteuerten Gleichstrommotor mit Spindelantrieb für die Grobeinstellung.

Die deutsche Offenlegung DE 44 01 637 offenbart eine sanitäre Mischarmatur mit mechanisch arbeitendem Thermostatventil bestehend aus Elektromotor ggf. mit Getriebe und Gehäuse, angeflanscht an das Armaturengehäuse, wobei die Motorantriebswelle in das Armaturengehäuse führt und über eine Schraubspindel ein Ausdehnelement mit Steuerkolben treibt, der – wie ein Proportionalventil arbeitend – auf den Kalt- und/oder Warmwassereinlaß wirkt.

Während der Elektromotor mit Getriebe die gewünschte Sollwerteinstellung besorgt, erfolgt die eigentliche Regelung der dann einzuhaltenden Temperatur durch das Ausdehnungselement. Das den Motor steuernde Bedienfeld kann extern angeordnet werden.

Mit den deutschen Anmeldungen – Auslegeschrift AS 1 934 658, Offenlegungsschrift OS 26 14 509 und Patentschrift DE 28 36 698 – wird ein System von magnetisch geschalteten Ventilen für den Kalt- und Warmwasseranschluß einer elektrisch gesteuerten Mischarmatur offenbart. Während die älteste Anmeldung nur eine Mengenregelung vorsieht, beschäftigt sich die mittlere Anmeldung mit der Steuerung der Mischwassertemperatur bei Mischarmaturen mit zwei Magnetventilen. Die jüngste Anmeldung hat die Mengen- und Temperatursteuerung von Mischarmaturen zum In-halt. Erfaßt wird nur die Wasser-Auslauftemperatur; die Auslauftemperatur wird durch die Kalt- und Warm-Ventilöffnungszeiten innerhalb der Periode einer Taktzeit vorgegeben.

Durch Hinzunahme einer Divisionsstufe nach dem Summen-Impulsformer, kann die Summe der Impulsdauern für die Kalt- und Warmwasser-Magnetventile kleiner als die Periode des Taktgebers werden, wobei sich die Menge des temperierten auslaufenden Mischwassers verringert – unter Ausschluß einer Temperaturänderung.

Ein weiteres proportional arbeitendes Mischventil zum Einbau in eine elektronisch gesteuerte Sanitärarmatur ist durch die Patentschrift DE 103 16 372/EP 1 471 295 bekannt geworden. Hierbei handelt es sich um einen Drehkolben, der an den Stellen der Wassereinläufe sich asymmetrisch gegenüberstehende evolventenartige Ausnehmungen besitzt, die in Verbindung mit dem Hohlzylinder der Armatur durch Drehung die Zuläufe mit zunehmendem Volumen öffnet oder abnehmendem Volumen schließt.

Die evolventenartigen Ausnehmungen verhindern Ventilgeräusche auch bei geringem Strömungsquerschnitt.

Die deutsche Anmeldung DE 39 23 566 stellt eine elektronisch gesteuerte Mischvorrichtung vor, die auf Grund einer Soll-Temperaturvorgabe und eines Ist-Wertabgleichs durch einen Temperatursensor hinter der Mischarmatur über eine Elektronikeinheit ein spannunggesteuertes Dehnelement beeinflußt.

Die elektronisch gesteuerte Mischarmatur zeichnet sich dadurch aus, daß die Stromversorgung mittels eines Akkumulators sichergestellt ist, der über einen wasserleitungversorgten Generator – Strömung und Temperatur – nachgeladen wird.

Patentschrift DE 38 12 736 stellt eine elektronisch gesteuerte Temperatur- und Durchflußmischvorrichtung für flüssige Medien vor mit einer Bedieneinheit – einem quadratisch ausgeprägten Tastenfeld – wobei eine Koordinate des Tastenfelds der Temperatur und die andere dem Durchfluß zugeordnet ist.

Ebenfalls eine Vorrichtung zur digitalen elektronischen Regelung und Bedienung einer Mischwasserbereitungsanlage wird in der deutschen Offenlegung DE 40 26 110 vorgestellt.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 40 14 849 offenbart eine elektronisch zweimotorig gesteuerte Einhand-Mischarmatur mit Keramik-Steuerkulissen für eine Spüle, wobei die händische Neige- und die Drehbewegung des Einhand-Hebelmischers und deren Wirkung auf die Keramikscheiben durch Motorik ersetzt wird.

Ausgangsseitig gemessen und geregelt wird nur die Temperatur, die Durchflußmenge wird voreingestellt und gesteuert.

Die deutsche Offenlegung DE 37 36 406 sieht eine dreistufig elektronisch gesteuerte Mischvorrichtung vor, bei der eine Steuerung der proportionalen Mischbatterie dient, die zweite Steuerung besorgt die Steuerung der Lotion- und Shampoo-Pumpen und die dritte die zuflußsperrenden Magnetventile im Zulauf von Kalt- und Warmwasser. Die Anordnung ist batteriegespeist und über einen DC-Motor getrieben. Es sind zwei Bedienfelder vorgesehen, in der Dusche und am Duschkopf. In die Motor-Stellung der Mischbatterie kann auch manuell eingegriffen werden.

Die amerikanische Patentschrift US 4 756 030 stellt einen Bad-Kontroller für Dusche und Badewanne vor, der aus zwei unabhängigen motorgesteuerten Stellventilen mit Temperatur und Druckmessung für die Kalt- und Warmwasserzuleitung besteht. Ein Signal-Prozessor mit Eingabetastatur besorgt die Steuerung und Regelung der Antriebe. Handbetrieb ist durch den Umschalter Dusche/Wanne, der auch als Mischer dient, gegeben.

Das Gebrauchsmuster G 87 07 661.6, die deutsche Patentschrift DE 37 18 039/europäische Anmeldung EP 292 860, die deutsche Patentschrift DE 36 24 799/europäische Patentschrift EP 253 921 beschreiben umfassend eine elektronisch temperaturgeregelte Mischarmatur, die ein proportionales Regelverhalten aufweist.

Weiterhin wird in der Anmeldung DE 197 10 800/europäische Anmeldung EP 968 383 eine elektrisch batteriebetriebene Dusch-Aufputzarmatur vorgestellt, die ein motorisch betriebenes Proportionalventil sowie eine Bedienkonsole mit Anzeigen beinhaltet, die auch für das Nachrüstgeschäft geeignet ist.

Die europäischen Veröffentlichungen EP 1 672 257, EP 1 590 715/WO 2004 68 252 und EP 1 376 291 offenbaren thermostatische Mischventile, wobei die thermostatische Steuerung über eine aus rostfreiem Edelstahl hergestellte Wellenfeder erledigt wird.

Zusammenfassend gibt der Stand der Technik wieder, daß es sich bei den vorgestellten mechanisch und/oder elektronisch geregelten Mischventilen um Proportionalventile oder um ein oder zwei mechanisch unabhängige Stellventile – Magnetventile oder motorische Stellventile – handelt, die über eine Steuerelektronik verschaltet werden. Additiv können für die Feinjustierung/-einstellung mechanische und/oder elektrische Dehnelemente vorgesehen sein.

Bei Proportionalventilen ist stets der gleiche Durchfluß gegeben – in gleichem Maße wie die eine Ventilseite schließt, öffnet sich die andere Seite proportional – und die stete Abhängigkeit der beiden Ventilseiten voneinander wirkt sich negativ aus. Weiterhin sind bei Einsatz eines Proportionalventils stets Absperrventile vorzusehen, je nach Anwendung vor oder hinter dem Proportionalventil. Leichte einseitige Druckschwankungen in einer der Leitungen des Zulaufs können nicht ausgeglichen werden.

Magnetventile ziehen als induktive Bauelemente einen hohen Strom und öffnen/schließen schnell, was immer mit Geräuschbildung einhergeht; bei Einsatz von Magnetventilen sind ggf. schallisolierende Maßnahmen vorzusehen. Das schlagartige Schließen hat bei unter Druck stehenden Leitungen stets einen Rückstoß, das Öffnen einen sofortigen Druckabfall zur Folge, so daß der Einsatz derartiger Ventile immer den Einsatz von Druckausdehnungsgefäßen voraussetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zur fluidtechnischen Steuerung und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen, insbesondere für das Medium Wasser mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen unter Vermeidung oben genannter Nachteile zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung nehmen die Unteransprüchen Bezug.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung zur fluidtechnischen Steuerung und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen, insbesondere für das Medium Wasser, insbesondere für die Gebäudetechnik, vorgeschlagen, bei dem/der der Einsatz eines Proportionalventils durch Hinzunahme einer weiteren Steuerungskomponente verbessert wird. Bei der vorliegenden Erfindung werden zwei Ventilantriebskonzepte – Proportionalventil- und Einzelventil-Steuerung – in einem Gerät zusammengeführt und wahlweise betrieben.

Aus dem reinen Proportionalventil können applikationsspezifisch zwei unabhängige Einzelventil-Steuerungen abgeleitet werden; es werden einerseits die Vorteile eines Proportionalventils genutzt und andererseits die Schwächen desselben durch Hinzunahme einer weiteren Antriebs- oder Schalteinrichtung beseitigt. Die Ventilanordnung kann auch als erweitertes Proportionalventil oder als Einzelventil-Steuerung mit möglichem Proportionalverhalten bezeichnet werden. Druckschwankungen einer Versorgungsleitung können durch diese Anordnung ausgesteuert oder -geregelt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in der Universalität des Einsatzes eines solchen Mischventils für verschiedenste Applikationen flüssiger Medien.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der als Anlage beigefügten Zeichnungen von Ausführungsbeispielen weiter verdeutlicht. Es zeigen

1 Elektronisch gesteuertes Proportionalventil mit Auf-/Zu-Verstellung

2 Elektronisch gesteuertes Proportionalventil mit kontinuierlicher Mengenverstellung je als Funktionsschaltbild.

Gleiche und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung wird fortgesetzt anhand der Erläuterungen der Figuren.

Wie aus 1 ersichtlich, besteht die fluidtechnische Steuerung und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen aus einem Ventilblock 10, einem Antriebsteil 30 und einer Steuer-/Regelung mit Sensorik und Aktorik 50.

Über die Zulauf-Leitungen 11 und 12 steht Warm- und Kaltwasser an den Ventilköpfen der Kegelventile 15 und 16 zur Verfügung. Die gesteuerten Warm- und Kaltwasserleitungen laufen in der Mischkammer 13 zusammen; Mischwasser der gewünschten Temperatur und der gewünschten Menge gelangt in den Auslauf 14.

Die Mischwasserbereitung erfolgt über ein elektronisch gesteuertes Proportionalventil mit Auf-/Zu-Verstellung.

Das Proportionalventil wird gebildet – ausgehend von der Warmseite – aus dem Kegelventil 15, dem Loslager 17, der Ventilstange 19, dem Gleitlager mit Dichtung 21, der Magnetkupplung 35, dem Kupplungsbecher 36 und der Kupplungsdruckfeder 37. Kaltseitig schließt sich die Ventilstange 20, die Gewindespindel 34, das Gleitlager mit Dichtung 22, das Loslager 18 sowie das Kegelventil 16 an.

Die Funktionsweise des Proportionalventils erfolgt derart, daß der Antrieb 31 – ausgeführt als Schrittmotor oder geregelter Gleichstrommotor – über das Treibrad 32 – ausgeführt als geradverzahntes Stirnrad – die außengeradverzahnte Mutter 33 antreibt, über deren Innengewinde die Gewindespindel 34 je nach Drehrichtung axial bewegt wird. Auf der Kaltwasserseite 12 bewegt sich das Kegelventil 16 in den oder aus dem Ventilsitz, je nach Dreh- und Bewegungsrichtung von Motor 31 und Ventilstange 20.

Auf der Warmwasserseite 11 bewegt sich bei bestromter Magnetkupplung 35 – Kupplung 35 und Kupplungsbecher 36 bilden einen Kraftschluß entgegen der Kraft der Druckfeder 37 über das aufgebaute magnetische Feld – das Kegelventil 15 in den oder aus dem Ventilsitz, je nach Dreh- und Bewegungsrichtung von Motor 31 und Ventilstange 20 bzw. Ventilstange 19.

Bei nicht bestromter Magnetkupplung 35 drückt die Kupplungsdruckfeder 37 das Kegelventil 15 über die Ventilstange 19 formschlüssig und dichtend in den warmwasserseitigen Ventilsitz. Eine kaltwasserseitige Dreh- und Bewegungsrichtung von Motor 31 und Ventilstange 20 wird über die Kupplungsdruckfeder 37 in Verbindung mit dem Kupplungsbecher 36 wegmäßig zu Null kompensiert.

Die fluidtechnische Steuerung und Regelung 50 von Druck, Temperatur und Volumen des Mischventils erfolgt über die Steuer-/Regeleinheit mit Bedienfeld 51, an die die Druck- und Temperatursensoren warmwasserseitig 52, kaltwasserseitig 53 und mischwasserseitig 54 angeschlossen sind. Die Positionierung der warm- und kaltwasserseitigen Kegelventile 15 bzw. 16 bezogen auf den Ventilsitz wird von der Steuer-/Regeleinheit 51 über die Sensoren 55 bzw. 56 erfaßt; die Positionserfassung dient auch dem Abgleich/Verschleiß und der Kalibrierung von Ventilkopf bzw. -sitz.

Die Position des Proportionalventils kann – je nach Antriebsart, z.B. beim Gleichstrom-Synchronmotor – kaltseitig über den hochauflösenden Drehgeber 58 von der Steuer-/Regeleinheit 51 erfaßt werden. Kommt dagegen ein über den Anschluß 60 zu taktender Schrittmotor zum Einsatz, entfällt die Drehwinkelerfassung 58 oder dient nur Kontrollzwecken.

Die Steuer-/Regeleinheit 51 beinhaltet auch die Steuerung der Aktoren, wie die Magnetkupplung 35 über den Anschluß 59 und den Antrieb des Proportionalventils 31 über den Anschluß 60.

Die Arbeitsweise der fluidtechnischen Steuerung und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen nach 1 kann wie folgt beschrieben werden. Je nach Verwendungszweck kann die Einrichtung elektrisch netzversorgt oder akkumulator- oder niederspannungsversorgt oder energieautark ausgeführt werden. Der Anwender stellt über die Bedieneinheit der Steuer-/Regeleinheit Temperatur und ggf. Wasserdruck bzw. -menge ein. Über die Sensoren der Warm- und Kaltwasserzuführung ist sowohl die Historie als auch der Ist-Zustand von Temperatur und Druck bekannt. Der Abgleich mit den Soll-Daten verstellt ggf. das Proportionalventil, verschließt z.B. den Kaltwasserzulauf oder öffnet ihn, je nach Temperaturstand des Warmwassers. Darüberhinaus besteht die Möglichkeit – je nach Anforderung – eine Auf-/Zu-Verstellung des Warmwasserzulaufs vorzunehmen; wobei die Auf-/Zu-Verstellung auf jeden Fall als Verbrühsicherung arbeitet.

Eine weitere Ausprägungsform der erfinderischen Neuheit ist dadurch gegeben, daß die Steuer-/Regeleinheit über einen gespeicherten softwaremäßigen Algorithmus verfügt – die Ventil- und Regelkennlinien des Regelverhaltens sind speichermäßig ebenfalls hinterlegt – der in Abhängigkeit des Ist-Zustands der Einrichtung aktiviert wird. Je nach Zustand des gemischten Wassers in der Mischkammer wird sensorisch ein Abgleich des Proportionalventils vorgenommen. Das Erreichen der gewünschten Mischwassertemperatur kann dem Anwender/Benutzer optisch und/oder akustisch signalisiert bzw. angezeigt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung arbeitet die Einrichtung u.a. in Abhängigkeit ihrer Vorgeschichte und ihres Umfelds. Damit werden die Warm- und Kaltwasserzuläufe angesprochen, deren Wasserdruck und deren mögliche Aufheiztemperaturen. Der Warmwasserzulauf ist ggf. um ein lokales Wasseraufheizgerät zu ergänzen oder der Wasserdruck muß mittels einer lokalen Pumpe eine Druckerhöhung erfahren. Ein weiterer Aktionspunkt ist die zeitliche und mengenmäßige Bereitstellung von mengenmäßig gewünschtem temperierten Mischwassers. Hier besteht die Möglichkeit, die Mischwasserkammer zu vergrößern und ggf. mit zusätzlicher Pumpe und By-pass-Leitung zu versehen, auch über den Umweg einer erneuten Aufheizung.

Auch die Kaltwasserversorgung muß – je nach Installationsort – eine Aufwertung erfahren. Wie bei der Warmwasserversorgung zusätzlich Aufheizgeräte zum Einsatz kommen können, ist bei der Kaltwasserbereitstellung ggf. ein Kühlgerät mit in den Versorgungskreislauf einzubinden.

Eine weitere Ausprägung der Erfindung sieht vor, daß in Abhängigkeit dieser zusätzlichen Maßnahmen entsprechende Arbeitskennlinien in der Steuer-/Regeleinheit hinterlegt werden und der Regelalgorithmus auf das Gesamtsystem einmalig abgestimmt wird. Je nach Steuer-/Regeleinheit-Ausstattung ist der Regelalgorithmus selbstlernend und paßt sich den Benutzergepflogenheiten an.

Wie aus 2 ersichtlich, besteht die fluidtechnische Steuerung und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen aus einem Ventilblock 10, einem Antriebsteil 30 und einer Steuer-/Regelung mit Sensorik und Aktorik 50.

Über die Zulauf-Leitungen 11 und 12 steht Warm- und Kaltwasser an den Ventilköpfen der Kegelventile 15 und 16 zur Verfügung. Die gesteuerten Warm- und Kaltwasserleitungen laufen in der Mischkammer 13 zusammen; Mischwasser der gewünschten Temperatur und der gewünschten Menge gelangt in den Auslauf 14.

Die Mischwasserbereitung erfolgt über ein elektronisch gesteuertes Proportionalventil mit zusätzlicher kontinuierlicher Warmwasser-Mengenverstellung.

Das Proportionalventil wird gebildet – ausgehend von der Warmseite – aus dem Kegelventil 15, dem Loslager 17, der Ventilstange 19, dem Gleitlager mit Dichtung 21, der Gewindespindel 39, der außengeradverzahnten Hutmutter 38 und dem Axiallager 40. Kaltseitig schließt sich die Ventilstange 20, die Gewindespindel 34, das Gleitlager mit Dichtung 22, das Loslager 18 sowie das Kegelventil 16 an.

Die Funktionsweise des Proportionalventils erfolgt derart, daß der Antrieb 31 – ausgeführt als Schrittmotor oder geregelter Gleichstrommotor – über das Treibrad 32 – ausgeführt als geradverzahntes Stirnrad – die außengeradverzahnte Mutter 33 antreibt, über deren Innengewinde die Gewindespindel 34 je nach Drehrichtung axial bewegt wird. Auf der Kaltwasserseite 12 bewegt sich das Kegelventil 16 in den oder aus dem Ventilsitz, je nach Dreh- und Bewegungsrichtung von Motor 31 und Ventilstange 20.

Auf der Warmwasserseite 11 erfolgt die kontinuierliche Mengenverstellung derart, daß der Antrieb 41 – ausgeführt als Schrittmotor oder geregelter Gleichstrommotor – über das Treibrad 32 – ausgeführt als geradverzahntes Stirnrad – die außengeradverzahnte Hutmutter 38 antreibt, über deren Innengewinde die Gewindespindel 39 je nach Drehrichtung axial bewegt wird. Auf der Warmwasserseite 11 bewegt sich das Kegelventil 15 in den oder aus dem Ventilsitz, je nach Dreh- und Bewegungsrichtung von Motor 41 und Ventilstange 19.

Von diesem Dreh- und Bewegungsablauf ist die Kaltwasserseite 12 des Proportionalventils 16 über das Axiallager 40 entkoppelt. Für bestimmte Anwendungen kann es zum Vorteil gereichen, das Axiallager 40 auch als schaltbare Kupplung auszuführen.

Die fluidtechnische Steuerung und Regelung 50 von Druck, Temperatur und Volumen des Mischventils erfolgt über die Steuer-/Regeleinheit mit Bedienfeld 51, an die die Druck- und Temperatursensoren warmwasserseitig 52, kaltwasserseitig 53 und mischwasserseitig 54 angeschlossen sind. Die Positionierung der warm- und kaltwasserseitigen Kegelventile 15 bzw. 16 bezogen auf den Ventilsitz wird von der Steuer-/Regeleinheit 51 über die Sensoren 55 bzw. 56 erfaßt; die Positionserfassung dient auch dem Abgleich/Verschleiß und der Kalibrierung von Ventilkopf bzw. -sitz. Die Position der Gewindespindel 39 in der Sackbohrung mit Gewinde der Hutmutter 38 kann mit Hilfe des Sensors 62 gemessen werden; die Messung dient vorrangig der Sicherheit/Blockierschutz von Gewindespindel und Hutmutter.

Die Position des Proportionalventils kann – je nach Antriebsart, z.B. beim Gleichstrom-Synchronmotor – kaltseitig über den hochauflösenden Drehgeber 58 von der Steuer-/Regeleinheit 51 gemessen werden.

Die Position des Ventils der kontinuierlichen Warmwasser-Mengenverstellung kann – je nach Antriebsart, z.B. beim Gleichstrom-Synchronmotor – kaltseitig über den hochauflösenden Drehgeber 57 von der Steuer-/Regeleinheit 51 gemessen werden.

Kommt als Antriebsmotor dagegen ein über den Anschluß 60 bzw. 61 zu taktender Schrittmotor zum Einsatz, entfällt die Drehwinkelerfassung 57 bzw. 58 oder dient nur Kontrollzwecken.

Die Steuer-/Regeleinheit 51 beinhaltet auch die Steuerung der Aktoren, wie den Anschluß 61 des Antriebs des Ventils der Warmwasser-Mengenverstellung 41 sowie den Antrieb des Proportionalventils 31 über den Anschluß 60.

Zusätzlich zu der oben beschriebenen Arbeitsweise, ist in 2 statt der Auf-/Zu-Verstellung des Warmwasserventils ein motorisch angetriebenes kontinuierlich zu verstellendes Ventil vorgesehen, was auch softwaremäßig in der Steuer-/Regeleinheit hinterlegt ist. Ein dem Proportionalventil übergeordnetes kontinuierlich zu verstellendes Ventil erlaubt jegliche Druckschwankungen in den wasserführenden Leitungen – verursacht durch eine dem Zufallsprinzip unterliegende Nutzerstruktur – auszugleichen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung stellt sich das motorisch gesteuerte und geregelte Proportionalventil entsprechend dem Bedarfsprofil des Anwenders ein und verfährt ggf. die beiden Ventilköpfe. Je nach Anforderung – sensorisch ermittelt – wird die Warmwasser-Mengenverstellung aktiviert, die jetzt entkoppelt von dem Proportionalventil ihrerseits eine Ventileinstellung vornimmt.

Mit dieser erfindungsgemäßen Ausbildung werden von den beiden Antrieben stets rotatorische Drehbewegungen in translatorische Bewegungen umgesetzt, während jedoch der Antrieb des Proportionalventils beide Ventile gleichzeitig steuert, beeinflußt der Antrieb der kontinuierlichen Warmwasser-Mengenverstellung nur das entsprechende Ventil des Warmwasserzulaufs. Die einwandfreie Funktionsweise der Einrichtung wird durch Stellungssensoren und ggf. Drehgebersensoren gewährleistet.

Die zahlreichen Möglichkeiten und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der Anzahl der Schutzrechtsansprüche wider.

10
Ventil
11
Zulauf Warmwasser
12
Zulauf Kaltwasser
13
Mischkammer
14
Auslauf Mischwasser
15
Kegelventil, warmseitig
16
Kegelventil, kaltseitig
17
Loslager, warmseitig
18
Loslager, kaltseitig
19
Ventilstange, warmseitig
20
Ventilstange, kaltseitig
21
Gleitlager mit Dichtung, warmseitig
22
Gleitlager mit Dichtung, kaltseitig
30
Antrieb
31
Antrieb Proportionalventil
32
Treibrad, geradverzahnt
33
Mutter, außengeradverzahnt
34
Gewindespindel
35
Magnetkupplung, schaltbar
36
Kupplungsbecher
37
Kupplungsdruckfeder
38
Hutmutter, außengeradverzahnt
39
Gewindespindel
40
Axiallager
41
Antrieb Ventil, warmseitig
50
Steuer-/Regelung, Sensorik, Aktorik
51
Steuer-/Regeleinheit mit Bedienfeld
52
Druck-, Temperatursensor, warmseitig
53
Druck-, Temperatursensor, kaltseitig
54
Druck-, Temperatursensor, mischwasserseitig
55
Stellung Kegelventil, warmseitig
56
Stellung Kegelventil, kaltseitig
57
Drehgeber Antrieb Proportionalventil, warmseitig
58
Drehgeber Antrieb Proportionalventil, kaltseitig
59
Steuerung Magnetkupplung
60
Steuerung Antrieb Proportionalventil
61
Steuerung Antrieb Ventil, warmseitig
62
Stellung Gewindespindel, warmseitig


Anspruch[de]
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur fluidtechnischen Steuerung und Regelung von Druck, Temperatur und Volumen, insbesondere für das Medium Wasser, insbesondere in der Gebäudetechnik, dadurch gekennzeichnet, daß dem motorisch geregelten Proportionalventil ein magnetisch geschaltetes oder motorisch geregeltes Ventil überlagert ist. Elektronisch geregeltes Mischventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil aus Ventilsteuerung, Antriebseinheit und Steuerung mit Sensorik und Aktorik besteht. Elektronisch geregeltes Mischventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil motorisch über ein Getriebe translatorisch eingestellt wird. Elektronisch geregeltes Mischventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil mit Auf-/Zu-Verstellung über eine magnetisch kraftschlüssige schaltbare Kupplung verfügt. Elektronisch geregeltes Mischventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil mit kontinuierlicher Mengenverstellung über einen weiteren steuerbaren translatorischen vom Proportionalventil entkoppelten Ventilantrieb verfügt. Elektronisch geregeltes Mischventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil über eine Steuerungs- und Regeleinheit mit Bedienfeld verfügt. Elektronisch geregeltes Mischventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil Temperatur- und Drucksensoren in den Zuläufen und den Abläufen besitzt. Elektronisch geregeltes Mischventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil über gespeicherte Algorithmen verfügt, die aus den Sensordaten der Vergangenheit, dem Ist- und dem Soll-Zustandsdaten sowie den hinterlegten Regelkennlinien Verstellungen des Verfahrwegs des Proportionalventils einschließlich des übergeordneten Ventils vornehmen. Elektronisch geregeltes Mischventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil über die Steuer-/Regeleinheit die Stellung der Ventil- und Antriebsköpfe sensorisch überwacht. Elektronisch geregeltes Mischventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil über Temperatursensor und Warmwasserventil den Verbrühschutz sicherstellt. Elektronisch geregeltes Mischventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil um eine Peripherie wie Aufheizgerät, Kühlgerät, erweiterte Mischkammer, auch mit By-pass-Steuer- und Regelung verfügt. Elektronisch geregeltes Mischventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil elektrisch netzversorgt, niederspannungsversorgt, batterieversorgt und/oder energieautark betrieben werden kann. Elektronisch geregeltes Mischventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil fernbedienbar ist. Elektronisch geregeltes Mischventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch geregelte Proportionalventil als Unterputz (UP)-, Aufputz (AP)- und Inputz (IP)-Version installierbar ist.






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