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Dokumentenidentifikation DE102006026059A1 06.12.2007
Titel Durchflussventil mit zwei Verschlusselementen und einem temperaturabhängigen Stellelement
Anmelder REHAU AG + Co., 95111 Rehau, DE
Erfinder Schettler, Thomas, 95111 Rehau, DE;
Herrmann, Dieter, 95448 Bayreuth, DE;
Halter, Klaus, Thalwill, CH;
Krause, Reinhold, Zürich, CH
DE-Anmeldedatum 03.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006026059
Offenlegungstag 06.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse F16K 17/38(2006.01)A, F, I, 20060603, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16K 31/64(2006.01)A, L, I, 20060603, B, H, DE   F16K 3/02(2006.01)A, L, I, 20060603, B, H, DE   F16K 3/08(2006.01)A, L, I, 20060603, B, H, DE   
Zusammenfassung Das Durchflussventil (1) dient zur temperaturabhängigen Durchleitung insbesondere von Wasser. Es hat zwei gegeneinander wirkende Verschlusselemente und ein Stellelement, das an einem ersten Ende mit dem ersten Verschlusselement und an einem zweiten Ende mit dem zweiten Verschlusselement mechanisch verbunden ist und eine von der Wassertemperatur abhängige Veränderung der relativen Position beider Verschlusselemente zueinander bewirkt. Das erste Verschlusselement ist als erste Blende (2) mit mindestens einer Durchflussöffnung ausgebildet, das zweite Verschlusselement als gegenüber der ersten Blende (2) drehbar gelagerte zweite Blende (3) ebenfalls mit mindestens einer Durchflussöffnung. Das Stellelement ist ein Torsionselement (4), das die zweite Blende (3) abhängig von der Wassertemperatur gegenüber der ersten Blende (2) verdreht, sodass sich eine Überdeckung der Durchflussöffnungen beider Blenden (2, 3) verändert. Das Durchflussventil (1) bewirkt einen Verbrühschutz, indem es bei einer bestimmten Wassertemperatur mit einer sehr kurzen Reaktionszeit automatisch in den geschlossenen Zustand übergeht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Durchflussventil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Durchflussventil wird beispielsweise in der US 4,570,851 sowie in dem Datenblatt „Temperature Actuated Flow Reducers (TAFR)" des Unternehmens CASH ACME, Reliance Worldwide Corporation beschrieben. Es kommt zur Steuerung der Durchflussrate von Wasser zum Einsatz und dient z.B. dem Verbrühschutz. Bei den bekannten Ausführungsbeispielen wird ein erstes Verschlusselement beispielsweise in Form eines Verschlusskolbens mittels eines Stellelements in ein als Ventilsitz ausgebildetes zweites Verschlusselement gedrückt, so dass die Durchflussrate zumindest reduziert wird. Das Stellelement ist temperaturabhängig ausgebildet, so dass die Krafteinwirkung auf den Verschlusskolben von der aktuellen Temperatur des durchgeleiteten Mediums abhängt. Das Stellelement ist bei den bekannten Ausführungsformen entweder ein Zug- bzw. Druckfederelement, z.B. eine Drahtfeder, oder ein unter einer Vorspannung stehender Draht. Das Stellelement arbeitet gegen die Rückstellkraft einer weiteren, beispielsweise als Stahldruckfeder ausgebildeten Feder. Deshalb muss das Stellelement in der Lage sein, eine sehr große Kraftwirkung zu entfalten und auch große Stellwege zu bewirken. Bei den bekannten Durchflussventilen resultiert für die Aktivierung und die Rückstellung, also für das Schließen und das Öffnen, eine relativ lange Reaktionszeit von zum Teil mehr als 5 Sekunden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Durchflussventil der gattungsgemäßen Art so anzugeben, dass es verglichen mit dem Stand der Technik eine niedrigere Reaktionszeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Durchflussventils entsprechend den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Anders als beim Stand der Technik ist das Stellelement als Torsionselement ausgeführt, das abhängig von der Temperatur des durchfließenden Mediums eine relative Rotation der zweiten Blende gegenüber der ersten Blende bewirkt.

Selbst eine kleine, temperaturabhängige Änderung des Torsionszustands reicht aus, um die Durchflussmenge des Mediums zu steuern oder zu begrenzen. Zur Erzielung des erwünschten Effekts ist nur ein kleiner Torsionswinkel erforderlich. Aufgrund dieses nur sehr geringen Verstellweges und der geringen Masse des Torsionselements resultiert zum einen eine sehr gute Reversibilität und zum anderen auch eine geringe Reaktionszeit.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Durchflussventils ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen.

Gemäß Anspruch 2 besteht das Torsionselement aus einer Formgedächtnislegierung (= Shape Memory Alloy (SMA)). Bei diesem bevorzugten Materialtyp tritt eine spezielle temperaturabhängige reversible Änderung des Phasenzustands (Phasenumwandlung) auf. Die Phasenänderung führt zu einer Formänderung, die im Rahmen des Torsionselements eine Veränderung des Torsionszustandes ist.

Bei der gemäß Anspruch 3 vorgesehenen länglichen Gestalt des Torsionselements lässt sich eine Torsionsspannung besonders einfach einbringen.

Die Variante gemäß Anspruch 4 ermöglicht eine sehr gute Kraftübertragung vom Torsionselement auf die beiden Blenden. Hierbei kommen insbesondere auch die Vorzüge des Hebelgesetzes zum Tragen. Ein kleiner Verstellweg am Torsionselement führt zu einem deutlich größeren Verstellweg an den Durchlassöffnungen der Blenden.

Das gemäß Anspruch 5 für die Blenden vorgesehene Material, wie ein Kunststoff oder eine Keramik, hilft eine unerwünschte Verschmutzung oder Verkalkung zu verhindern. Die Blenden können komplett aus einem solchen Material gefertigt sein oder auch nur an den Oberflächen, die dem Medium ausgesetzt sind, damit beschichtet sein. Insbesondere kommt als Kunststoff ein Polymer wie beispielsweise PEEK in Betracht. Außerdem ermöglichen die beanspruchten Materialien ein sehr geringes Gewicht der Blenden, sodass sehr kleine Torsionskräfte zur Verdrehung der zweiten Blende ausreichen und ein schnelles Ansprechverhalten resultiert.

Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 zeichnet sich dadurch aus, dass eine vergleichbare Wirkung hinsichtlich der Durchflusssteuerung bereits bei einem deutlich kleineren Torsionswinkel des Torsionselements erreicht wird, als dies bei einer Ausführungsform unter Einsatz eines Spiralfederelements mit nur einer einzigen Durchlassöffnung der Fall ist.

Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 7 gewährleistet einen vollständigen Verschluss der Durchlassöffnungen mittels der Zwischenstege, insbesondere wenn die Temperatur des durchfließenden Mediums einen hohen Temperaturwert annimmt und die zweite Blende entsprechend weit gegenüber der ersten Blende verdreht wird.

Die Maßnahme gemäß Anspruch 8 ermöglicht eine unmittelbare Ausnutzung des Torsionseffekts, insbesondere also ohne den Einsatz einer zusätzlichen Umlenkmechanik. Dadurch resultiert ein sehr kompakter Aufbau, der sich insbesondere leicht in ein Rohrsystem, in dem das Medium transportiert wird, einbauen lässt.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles eines Durchflussventils anhand der Zeichnung. Es zeigen:

1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Durchflussventils,

2 eine perspektivische Darstellung des Durchflussventils gemäß 1 in zusammengebautem Zustand und geöffneter Stellung,

3 eine Draufsicht des Durchflussventils gemäß 1 in geöffneter Stellung und

4 ein Querschnitt des Durchflussventils gemäß 1 in geöffneter Stellung.

Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.

Anhand der 1 bis 4 wird ein Ausführungsbeispiel eines Durchflussventils 1 zur temperaturabhängigen Durchleitung von Wasser dargestellt.

Der perspektivischen Explosionsdarstellung gemäß 1 ist zu entnehmen, dass es als wesentliche Komponenten eine erste und eine zweite Blende 2 bzw. 3 sowie ein Torsionselement 4 in Gestalt eines länglichen Drahtelements enthält. Die Blenden 2 und 3 bestehen aus dem Polymer-Kunststoff PEEK, das Torsionselement 4 aus einer Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung (= NiTi-SMA).

In dem aus 2 bis 4 ersichtlichen zusammengebauten Zustand ist die zweite Blende 3 um eine Torsionsachse 5 drehbar gegenüber der ersten Blende 2 gelagert. Dies ist in 2 durch den Doppelpfeil angedeutet. Die Torsionsachse 5 verläuft parallel zu einer Durchflussrichtung 6 des Wassers. Die beiden Blenden 2 und 3 umfassen jeweils einen kreisscheibenförmigen Teilbereich 7 bzw. 8, der senkrecht zur Torsionsachse 5 und zur Durchflussrichtung 6 orientiert ist.

Die beiden kreisscheibenförmigen Teilbereiche 7 und 8 haben jeweils mehrere Durchlassöffnungen 9 bzw. 10, die gleichmäßig über den Umfang der Kreisscheiben verteilt sind. Zwischen den Durchlassöffnungen 9 bzw. 10 sind jeweils Zwischenstege 11 bzw. 12 angeordnet. Die Durchlassöffnungen 9 und 10 sowie die Zwischenstege 11 und 12 weisen senkrecht zur Durchflussrichtung 6 jeweils eine kreissegmentförmige Fläche auf. Die Durchlassöffnungen 9 sowie die Zwischenstege 11 der ersten Blende 2 haben die gleiche Gestalt und die gleiche Größe wie die Durchlassöffnungen 10 bzw. die Zwischenstege 12 der zweiten Blende 3. Außerdem sind die Zwischenstege 11 und 12 mindestens genauso groß wie die Durchlassöffnungen 9 bzw. 10, so dass bei einer entsprechend gegeneinander verdrehten Position der beiden Blenden 2 und 3 die Zwischenstege 12 der zweiten Blende 3 die Durchlassöffnungen 9 der ersten Blende 2 sowie die Zwischenstege 11 der ersten Blende 2 die Durchlassöffnungen 10 der zweiten Blende 3 jeweils vollständig überdecken.

Weiterhin umfassen die beiden Blenden 2 und 3 jeweils eine zentral angeordnete Führungshülse 13 bzw. 14. Die Führungshülse 13 der ersten Blende 2 erstreckt sich auf beide Seiten des kreisscheibenförmigen Teilbereichs 7, wohingegen die Führungshülse 14 der zweiten Blende 3 nur auf der von der ersten Blende 2 abgewandten Seite des kreisscheibenförmigen Teilbereichs 8 angeordnet ist. Beide Führungshülsen 13 und 14 sowie die kreisscheibenförmigen Teilbereiche 7 bzw. 8 weisen durchgehende zentrale Bohrungen 15 bzw. 16 auf. Die Bohrung 16 ist an dem der ersten Blende 2 zugewandten Ende groß genug zur Aufnahme der Führungshülse 13. Im zusammengebauten Zustand ist die Führungshülse 13 der ersten Blende 2 in die Führungshülse 14 der zweiten Blende 3 gesteckt.

Das Torsionselement 4 ist innerhalb der zentralen Bohrungen 15 und 16 angeordnet. Das längliche Torsionselement 4 enthält an beiden Enden rechtwinkelig zur Torsionsachse 5 verlaufende Mitnehmer 17 und 18, die in in den Führungshülsen 13 bzw. 14 vorgesehene Ausnehmungen 19 bzw. 20 eingreifen.

Eine als Stahlfeder ausgeführte Rückstellfeder 21 ist außen um die Führungshülse 14 der zweiten Blende 3 platziert. Die Rückstellfeder 21 ist an ihrem einen verlängerten Ende mittels einer Buchse 22 an der zweiten Blende 3 fixiert. Ihr anderes ebenfalls verlängertes Ende ist in eine weitere Buchse 23 eingesteckt, die an einer geschlitzten Seitenwand 24 der ersten Blende 2 vorgesehen ist.

Zur Sicherung des zusammengebauten Zustands ist auf den freien Enden der Führungshülsen 13 und 14 jeweils eine Klemmkappe 25 bzw. 26 angeordnet.

Das Durchflussventil 1 ist im Ausführungsbeispiel als Einbauteil ausgebildet, das innerhalb einer zur Wasserführung bestimmten Vorrichtung angeordnet ist. Bei dieser nicht näher gezeigten Vorrichtung kann es sich beispielsweise um ein Rohrstück, einen Wasserhahn oder einen Duschkopf handeln. Gegenüber der Vorrichtung ist das Durchflussventil 1 mittels eines O-Ringes 27 abgedichtet, der in eine an der ersten Blende 2 außen umlaufende Nut eingelegt ist.

Im Folgenden wird die Funktionsweise des Durchflussventils 1 näher erläutert.

Das Torsionselement 4 wirkt als Stellelement, das die zweite Blende 3 relativ zur fixierten ersten Blende 2 verdreht. Dies erfolgt selbsttätig – also ohne aktives Eingreifen mittels eines externen Steuerung – und je nach aktueller Temperatur des durchzuleitenden Wassers. Die eingesetzte Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung hat die günstige Eigenschaft, oberhalb einer gewissen Schwelltemperatur ihren Phasenzustand zu ändern. Dieser Vorgang ist reversibel, sodass bei einem nachfolgenden Unterschreiten der Schwelltemperatur der Phasenzustand zurückwechselt. Dieser Materialtyp ist also in der Lage sich an eine Form zu „erinnern" und diese Form bei Überschreiten der Schwelltemperatur einzunehmen.

Im Ausführungsbeispiel ist die „erinnerte" Form ein untordierter oder zumindest ein deutlich geringer tordierter Zustand des Drahtelements, in den das Torsionselement 4 bei entsprechender Wassertemperatur auch gegen die Federkraft der Rückstellfeder 21 wechselt. Unterschreitet die Wassertemperatur die Schwelltemperatur wieder, bewirkt die Federkraft der Rückstellfeder 21 eine Verdrillung des Torsionselements 4 um die Torsionsachse 5 und damit eine Rückkehr in den (stärker) tordierten Zustand.

Aufgrund der zentralen Anordnung des Torsionselements 4 in den Bohrungen 15 und 16 sowie aufgrund der mechanischen Verbindung mit den Blenden 2 und 3 mittels der an den Enden des Torsionselements 4 vorgesehenen Mitnehmern 17 bzw. 18 wird eine unmittelbare und effiziente Kraftübertragung auf die Blenden 2 und 3 erreicht. Es genügt eine nur sehr geringe Veränderung der Torsionsstellung des Torsionselements 4, um die zweite Blende 3 ausgehend von dem in 2 bis 4 gezeigten vollständig geöffneten Zustand soweit gegenüber der ersten Blende 2 zu verdrehen, dass alle Durchlassöffnungen 9 und 10 vollständig von den Zwischenstegen 12 bzw. 11 verschlossen sind.

Die aus einem Kunststoff gefertigten Blenden 2 und 3 haben ein geringes Gewicht, das in Verbindung mit der nur geringen Torsionswinkeländerung zu einem sehr raschen Ansprechverhalten führt. Diesbezüglich günstig ist außerdem, dass die Klemmkappen 25 und 26 vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, mit Öffnungen versehen sind. Dadurch wird ein kleiner Teil des Wassers durch die zentralen Bohrungen 15 und 16 geleitet, sodass das Torsionselement 4 in unmittelbarem Kontakt mit dem Wasser steht. Auch dies verkürzt die Reaktionszeit.

Das Durchflussventil 1 bewirkt also einen sehr effizienten Verbrühschutz, indem es ab einer bestimmten Wassertemperatur mit einer sehr kurzen Reaktionszeit automatisch in den geschlossenen Zustand übergeht. Dieser Übergang ist reversibel, so dass sich das Durchflussventil 1 ebenso rasch wieder öffnet, falls die Wassertemperatur unter den Schwellwert zurückfällt.

Vorteilhaft ist außerdem das geringe Einbaumaß, das sich aufgrund des kompakten Aufbaus mit den aufeinander gesteckten Blenden 2 und 3 sowie dem in den Bohrungen 15 und 16 platzierten Torsionselement 4 ergibt. Verglichen mit den bei bekannten temperaturabhängigen Durchflussventilen als SMA-Federn ausgebildeten Stellelementen ist die Ausgestaltung des Torsionselements 4 als einfaches Drahtelement sehr preiswert.

Als Formgedächtnislegierungen für das Torsionselement 4 kommen insbesondere in Frage:

  • – NiTi – Shape-Memory-Legierungen mit Au, Pa, Pt, Cu, Cr als möglichen weiteren Legierungsbestandteilen zur Beeinflussung der Hystereseeigenschaften, also insbesondere der Temperaturgrenzen bei denen eine Hin- beziehungsweise eine Rückänderung des Phasenzustandes der Legierung erfolgt;
  • – CuZn- und/oder CuSn – Shape-Memory-Legierungen.

In Abwandlungen der vorliegenden Erfindung kann auch eine temperaturabhängige Dosierung von heißem Wasser in Heißgetränkegeräten (beispielsweise Kaffeemaschinen, Espressomaschinen, Teemaschinen, Maschinen in Haushalt und Gewerbe) erfolgen, die die Vorteile des erfindungsgemäßen Durchflussventils nutzt.

Ein Durchflussventil gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch genutzt werden, um Wasser temperaturabhängig in einer Waschmaschine oder einer Geschirrspülmaschine zu dosieren oder zu verteilen.

Eine andere Anwendung kann ein Dampfbügeleisen betreffen, in dem ein Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung die Dampf- und/oder Wasserabgabe thermisch steuert.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Durchflussventil auch vorteilhaft in einem Heizkreislauf eines Gebäudes eingesetzt werden, um einzelne Kreisläufe in temperaturabhängiger Weise zu schalten. Dies kann auch auf Anwendungen bei der Geothermienutzung erweitert werden.


Anspruch[de]
Durchflussventil zur temperaturabhängigen Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasser, mit

a) zwei gegeneinander wirkenden Verschlusselementen und einem Stellelement, das an einem ersten Ende mit dem ersten Verschlusselement und an einem zweiten Ende mit dem zweiten Verschlusselement mechanisch verbunden ist und eine von der Temperatur des Mediums abhängige Veränderung der relativen Position beider Verschlusselemente zueinander bewirkt,

dadurch gekennzeichnet, dass

b) das erste Verschlusselement als erste Blende (2) mit mindestens einer Durchflussöffnung (9) ausgebildet ist,

c) das zweite Verschlusselement als gegenüber der ersten Blende (2) drehbar gelagerte zweite Blende (3) mit mindestens einer Durchflussöffnung (10) ausgebildet ist,

d) das Stellelement als Torsionselement (4) ausgebildet ist, das die zweite Blende (3) abhängig von der Temperatur des Mediums gegenüber der ersten Blende (2) verdreht, sodass sich eine Überdeckung der Durchflussöffnungen (9, 10) beider Blenden (2, 3) verändert.
Durchflussventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (4) aus einer Formgedächtnislegierung, insbesondere aus einer Nickel-Titan-Legierung, besteht. Durchflussventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (4) eine längliche Form, insbesondere in Gestalt eines Stabes oder eines Drahtstückes, aufweist. Durchflussventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (4) eine Torsionsachse (5) sowie zwei rechtwinkelig zur Torsionsachse (5) verlaufende Mitnehmer (17, 18) aufweist, von denen der eine in eine Ausnehmung (19) an der ersten Blende (2) und der andere in eine Ausnehmung (20) an der zweiten Blende (3) eingreift. Durchflussventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Blenden (2, 3) aus einem Kunststoff oder einer Keramik bestehen oder zumindest an den dem Medium ausgesetzten Oberflächen mit einem Kunststoff oder einer Keramik beschichtet sind. Durchflussventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Blenden (2, 3) jeweils mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Durchflussöffnungen (9, 10) aufweisen. Durchflussventil nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussöffnungen (9, 10) durch Zwischenstege (11, 12) voneinander getrennt sind, wobei die Zwischenstege (11, 12) jeweils eine senkrecht zu einer Durchflussrichtung (6) orientierte Fläche aufweisen, die mindestens so groß ist wie eine senkrecht zur Durchflussrichtung (6) orientierte Fläche jeder der Durchflussöffnungen (9, 10). Durchflussventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Blenden (9, 10) jeweils eine zentrale Bohrung (15, 16) aufweisen, in der das Torsionselement (4) angeordnet ist.






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