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Die
Erfindung betrifft ein Regelventil für ein wärmeübertragendes Medium mit einem
mittels eines elektrischen Stellantriebs verstellbaren Ventilelement.
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Derartige
Regelventile können
beispielsweise in einem Kühlkreislauf
eingesetzt werden, um die strömenden
Mengen so einzustellen, dass ein bestimmtes Temperaturniveau eingehalten
wird, d. h. ein Regelniveau. Grundsätzlich besteht die Gefahr, dass
der elektrische Stellantrieb ausfällt, beispielsweise bei einem
Versagen der Stromzufuhr oder aufgrund eines anderen Defektes. Ebenso
besteht die Gefahr, dass die Regeleinrichtung aufgrund eines Defektes
falsche Befehle ausgibt. Es besteht dann die Gefahr, dass eine Übertemperatur
auftritt, die zu Schäden
an der Kühlanlage
oder an dem gekühlten Gegenstand
führen.
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Aus
der
EP 0 346 892 A2 ist
ein Regelventil für
einen Heizkörper
bekannt, wobei einem elektrisch beheizbaren thermostatischen Arbeitselement
für ein Absperrventil
ein zweites, nicht elektrisch beheizbares thermostatisches Arbeitselement
zugeordnet ist.
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Aus
der
US 5,979,373 A ist
ein Regelventil für
einen Kühlerkreislauf
mit einem mittels elektrischen Stellantriebs verstellbaren Ventilelement
bekannt. In der Verbindung zwischen dem elektrischen Antrieb und
dem Ventilelement ist dabei eine Kupplung angeordnet, die dann geöffnet wird,
wenn eine Übertemperatur
festgestellt wird. Hierzu wird die Temperatur der zu regelnden Flüssigkeit
erfasst und zusammen mit der ebenfalls erfassten Position des Ventilelementes
ausgewertet. Bei Anomalien in dem Verhältnis Kühlwassertemperatur und Position
des Ventilelementes wird die Kupplung geöffnet, so dass der elektrische
Antrieb unterbrochen ist und eine Rückstellfeder das Ventilelement
in die Öffnungsstellung überführt.
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Aus
der
US 3,768,731 A ist
ein Thermostatventil bekannt, dessen Ventilelement Bimetall-Scheiben
enthält.
Diese Bimetall-Scheiben sprechen bei einer vorgegebenen, erhöhten Temperatur
an und lösen
dann eine Verriegelungseinrichtung. Durch Lösen der Verriegelungseinrichtung
wird die Kraft einer Feder freigegeben, die das Ventilelement verlängert und
auf diese Weise eine Ventilöffnung
verschließt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelventil für ein wärmeübertragendes
Medium mit einem mittels eines elektrischen Stellantriebs verstellbaren
Ventilelement so auszubilden, dass Fehlfunktionen weitgehend vermieden
werden können, auch
wenn ein Ausfall in der Stromversorgung oder Fehler in der Übermittlung
der Steuersignale oder sonstige Defekte auftreten.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass ein dem Medium ausgesetztes thermostatisches Arbeitselement
vorgesehen ist, dessen Ansprechtemperatur auf eine vorbestimmte
Temperatur des Mediums ausgelegt ist und das dem Ventilelement als
Hilfsstellantrieb zugeordnet ist.
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Mittels
des zusätzlichen
thermostatischen Arbeitselementes lässt sich somit eine Sicherheitsfunktion
verwirklichen, die von der Versorgung mit elektrischer Energie und
dem elektrischen Stellantrieb völlig
unabhängig
ist. Mittels des thermostatischen Arbeitselementes lässt sich
erreichen, dass eine über
dem normalen Regelbereich liegende Sicherheitstemperatur vorbestimmt
wird, die dann nicht überschritten
wird, auch wenn der elektrische Stellantrieb ausfällt.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
ist das Ventilelement ein Drehschieber, an dessen Welle ein Arm
angebracht ist, dem das thermostatische Arbeitselement zugeordnet
ist. Im Normalbetrieb wird der Drehschieber von dem elektrischen
Stellantrieb unabhängig
von dem thermostatischen Arbeitselement bewegt. Falls jedoch die
vorbestimmte Temperatur überschritten
wird, so greift das thermostatische Arbeitselement an dem Arm der
Welle an und überführt den
Drehschieber zwangsweise in die geöffnete Stellung. Aus dieser
Stellung kann der Drehschieber nur dann zurückbewegt werden, wenn die Ansprechtemperatur
wieder unterschritten wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist das thermostatische Arbeitselement in einer Antriebsverbindung
zwischen dem Stellantrieb und dem Ventilelement angeordnet. Solange
die vorbestimmte Temperatur noch nicht erreicht ist, bleibt das
thermostatische Arbeitselement eingefahren und überträgt nur die Kräfte und
Stellwege der Antriebsverbindung. Wird jedoch die vorbestimmte Temperatur überschritten,
so wird eine zusätzliche
Antriebsbewegung erzeugt, die das Ventilelement in Richtung zu seiner
Offenstellung bewegt.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das thermostatische Arbeitselement unmittelbar
dem Ventilelement zugeordnet ist. Das thermostatische Arbeitselement
bewegt dann das Ventilelement unabhängig von dem elektrischen Stellantrieb,
wenn die vorbestimmte Temperatur überschritten ist.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird vorgesehen, dass das thermostatische
Arbeitselement eine Baueinheit mit einer vorgespannten Rückstellfeder bildet.
In diesem Fall kann das thermostatische Arbeitselement nicht nur
als Sicherheitseinrichtung wirken, sondern auch eine Regelfunktion
bei der erhöhten,
vorbestimmten Temperatur ausüben,
da es bei einem Abkühlen
des Mediums mittels der Rückstellfeder
wieder rückgestellt
wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird vorgesehen, dass das thermostatische Arbeitselement
in einer Mischkammer angeordnet ist, zu der von dem Ventilelement
geregelt wenigstens ein Zulauf für
heißes
Medium und ein Zulauf für
gekühltes
Medium führen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der
in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen.
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1 einen
Schnitt durch ein Regelventil mit einem Drehschieber,
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2 einen
Schnitt durch ein Regelventil mit einem Axialschieber,
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3 einen
Schnitt durch ein Regelventil mit einem Hauptventilteller und einem
Kurzschlussventilteller,
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4 einen
Schnitt durch ein Durchflussventil mit einer Klappe und
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5 einen
Schnitt durch ein Durchflussventil mit zwei Ventiltellern.
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Das
in 1 dargestellte Regelventil ist beispielsweise
zur Regelung der Kühlmitteltemperatur eines
Verbrennungsmotors eingesetzt. Es besitzt ein Ventilgehäuse 10 mit
einem Zulauf 11 für
vom Motoraustritt kommendes, erwärmtes
oder sich erwärmendes
flüssiges
Kühlmittel.
Es besitzt einen weiteren Zulauf 12 zu dem von einem Kühlmittelkühler kommendes
Kühlmittel
zuströmt.
Diese beiden Kühlmittelströme werden
in einer Mischkammer 13 zusammengeführt, die zurück zu dem
Verbrennungsmotor führt,
beispielsweise über
eine nicht dargestellte Kühlmittelpumpe.
Den beiden Zuläufen 11, 12 ist ein
Drehschieber 14 zugeordnet, der mit einem Fenster 15 versehen
ist, das den Zuläufen 11, 12 derart zugestellt
werden kann, dass, wie in 1 dargestellt,
die Verbindung zwischen dem Zulauf 11 und der Mischkammer 13 offen
und die Verbindung zwischen dem Zulauf 12 und der Mischkammer 13 abgesperrt
ist, oder dass die Verbindung zwischen dem Zulauf 11 und
der Mischkammer 13 gesperrt und die Verbindung zwischen
dem Zulauf 12 und der Mischkammer 13 offen ist,
oder dass die Verbindung von beiden Zuläufen 11, 12 zu
der Mischkammer 13 teilweise offen sind.
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Der
topfartig gestaltete Drehschieber 14 ist auf einer Welle 16 angeordnet,
die zu einem elektrischen Stellantrieb 17 gehört, der
als Proportionalmagnet, Gleichstrommotor, Linearmotor oder Schrittmotor
od. dgl. ausgebildet sein kann. Die Welle ist in einem mittels Stegen
gehaltenen Lager 18 im Bereich der Mischkammer 13 zusätzlich gelagert.
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An
der Welle ist ein radial angeordneter Arm 19 angebracht,
dem ein thermostatisches Arbeitselement 20 zugeordnet ist.
Das in der Mischkammer 13 befindliche thermostatische Arbeitselement
bildet einen Hilfsstellantrieb mit einer quer zur Welle 16 verlaufenden
Ausfahrrichtung. Das Gehäuse 21 des thermostatischen
Arbeitselementes, das stationär
in der Mischkammer 13 gehalten ist, ist mit einem Dehnstoff
gefüllt,
beispielsweise einer Wachsmischung, die auf eine Ansprechtemperatur
ausgelegt ist, die über
der normalen Regeltemperatur liegt. Der Kolben 22 des thermostatischen
Arbeitselementes wirkt auf ein topfförmiges Übertragungselement 23, das
dem Arm 19 der Welle 16 gegenüberliegt. Das topfartige Übertragungselement 23 umgreift
das Gehäuse 21 des
thermostatischen Arbeitselementes und ist an seinem offenen Ende
umgebördelt.
Das umgebördelte
Ende hält
einen Federring 25, an dem sich eine vorgespannte Rückstellfeder 24 abstützt, deren
gegenüberliegendes
Ende sich an einem Ringbund des Gehäuses 21 abstützt.
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Wenn
die vorbestimmte über
dem Regelbereich liegende Ansprechtemperatur erreicht und überschritten
wird, so fährt
der Arbeitskolben 22 aus und nimmt das Übertragungselement 23 mit,
das seinerseits an den Arm 19 angreift und die Welle 16 so verdreht,
dass der Drehschieber in Öffnungsrichtung gedreht
wird, d. h. in der Richtung, in welcher der Zulauf 12 für gekühltes Kühlmittel
mit der Mischkammer 13 verbunden ist.
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Bei
Ausfall des elektrischen Stellantriebs wirkt das thermostatische
Arbeitselement 20 als Hilfsstellantrieb und verhindert,
dass eine zulässige Höchsttemperatur überschritten
wird. Dabei erlaubt das thermostatische Arbeitselement 20 auch
eine Regelfunktion, da die Rückstellfeder 24 den
Arbeitskolben 22 zurückstellt,
wenn die vorbestimmte Höchsttemperatur
wieder unterschritten wird. Um diese Regelfunktion zu gewährleisten,
müsste
allerdings auch der Welle 16 eine Rückstellfeder zugeordnet sein.
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Bei
der Ausführungsform
nach 2 ist in einem zweiteiligen Ventilgehäuse 26, 27 als
Ventilelement ein Axialschieber 28 angeordnet. Auch das
Regelventil nach 2 dient beispielsweise zur Regelung
des Kühlmittels
eines Verbrennungsmotors.
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Das
Ventilgehäuse 26, 27 ist
mit einem Zulauf 29 für
direkt vom Motoraustritt kommendes Kühlmittel, mit einem Zulauf 30 für von einem
Kühler
kommendes gekühltes
Kühlmittel
und mit einem Anschluß 31 versehen,
der beispielsweise zu einer Kühlmittelpumpe
führt.
Zusätzlich
besitzt das Ventilgehäuse
einen Zulauf 32, an dem beispielsweise durch eine Zusatzeinrichtung,
wie eine Heizung od. dgl. geführtes
Kühlmittel
zurück
läuft.
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Der
Axialschieber 28 regelt die Verbindung zwischen den Zuläufen 29, 30 zu
einer Mischkammer 33, aus der das Kühlmittel abströmt. Solange
der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur nicht erreicht hat,
strömt
nur von dem Zulauf 29 direkt von dem Verbrennungsmotor
kommendes Kühlmittel
zu dem Anschluß 31 und
von dort zurück
zu dem Verbrennungsmotor. Sofern eine Heizung od. dgl. eingeschaltet
ist, strömt
das von dieser kommende Kühlmittel
ebenfalls direkt zu der Mischkammer 33, da der Axialschieber 28 einen
offenen Boden besitzt. Wird der Axialschieber 28 aus der
dargestellten Stellung axial (nach unten) verschoben, so wird die
Verbindung zwischen dem Zulauf 30 und der Mischkammer 33 freigegeben,
während
die Verbindung zwischen dem Zulauf 29 und der Mischkammer 33 entsprechend
verringert und gegebenenfalls ganz verschlossen wird. Das Verstellen
des Axialschiebers 28 erfolgt mittels eines elektrischen
Stellantriebs 34, der auch hier wieder ein Proportionalmagnet,
ein Gleichstrommotor, ein Linearmotor, ein Schrittmotor od. dgl. sein
kann. In der Antriebsverbindung zwischen dem Stellantrieb 34 und
dem als Axialschieber 28 ausgebildeten Ventilelement ist
ein thermostatisches Arbeitselement 35 angeordnet, das
sich mit seinem Gehäuse 36 in
der Mischkammer 33 befindet. In dem Gehäuse 36 befindet sich
ein auf eine vorbestimmte Ansprechtemperatur ansprechender Dehnstoff,
beispielsweise eine entsprechend eingestellte Wachsmischung. Wird
diese Ansprechtemperatur erreicht und überschritten, so fährt aus
dem Gehäuse 36 ein Arbeitskolben 37 aus.
Der Arbeitskolben 37 stützt sich
an einem Übertragungselement 38 ab,
das mit der Stellspindel 39 des Stellantriebs verbunden
ist. Ein mittels Stegen gehaltenes Mittelteil des Bodens des Axialschiebers 28 liegt
an der dem Arbeitskolben 37 abgewandten Seite eines Ringbundes
des Gehäuses 36 des
thermostatischen Arbeitselementes an. Das Übertragungselement 38 umgreift
mit einem käfigartigen
Teil das Gehäuse 36 des
thermostatischen Arbeitselementes 35 und weist an seinem
offenen Ende einen umgebördelten
Rand auf. An diesem Rand ist ein Federring 40 gehalten,
gegen den sich eine vorgespannte Rückstellfeder 41 abstützt. Das
gegenüberliegende
Ende dieser Rückstellfeder 41 ist
an dem Ringbund des Gehäuses 36 abgestützt.
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Überschreitet
die Temperatur in der Mischkammer 33 die vorbestimmte Temperatur,
beispielsweise weil der elektrische Stellantrieb 34 nicht
arbeitet oder nicht anspricht, so fährt der Arbeitskolben 37 aus
dem Gehäuse 36 aus.
Dadurch wird das Gehäuse 36 relativ
zu dem Arbeitskolben 37 gegen die Rückstellfeder 41 bewegt.
Es nimmt dann den Axialschieber 28 mit, so dass die Verbindung
zwischen dem gekühlten
Kühlmittel
zugeordneten Zulauf 30 und der Mischkammer 33 geöffnet wird.
Auch in diesem Fall kann das thermostatische Arbeitselement 35 eine
gewisse Regelfunktion ausüben,
falls die Temperatur des Kühlmittels
unter die vorbestimmte Ansprechtemperatur schwanken sollte.
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Auch
das in 3 dargestellte Regelventil ist für einen
Kühlmittelkreislauf
eines Verbrennungsmotors geeignet. Es besitzt ein Ventilgehäuse 42,
das mit einem Zulauf 43 für unmittelbar von dem Verbrennungsmotor
kommendes Kühlmittel,
einem Zulauf 44 für
von einem Kühlmittelkühler kommendes
Kühlmittel
und einem zu dem Verbrennungsmotor zurückführenden Anschluß 45 versehen
ist. Zwischen den beiden Zuläufen 43, 44 befindet
sich eine Mischkammer 46, deren Verbindung zu den Zuläufen 43, 44 mittels eines
Hauptventiltellers 47 und eines Kurzschlussventiltellers 48 geregelt
wird.
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Die
Position des Hauptventiltellers 47 und des Kurzschlussventiltellers 48 wird
mittels eines elektrischen Stellantriebs 49 festgelegt,
der ein Proportionalmagnet, ein Gleichstrommotor ein Linearmotor
oder ein Schrittmotor od. dgl. sein kann. Das linear verstellbare
Antriebselement 50 ist mit den Ventiltellern 47, 48 unter
Zwischenschaltung eines thermostatischen Arbeitselementes 51 verbunden.
Das Gehäuse
des thermostatischen Arbeitselementes 51, an das ein den
Kurzschlussventilteller 48 aufnehmende Bolzen angeschweißt ist,
enthält
einen Dehnstoff, der auf eine Ansprechtemperatur ausgelegt ist, die
oberhalb der maximalen Temperatur des normalen Regelbereiches liegt.
Bei der Normalfunktion wird somit die Position des Hauptventiltellers 47 und
des Kurzschlussventiltellers 48 nur von dem elektrischen Stellantrieb 49 bestimmt.
Falls jedoch die Ansprechtemperatur des thermostatischen Arbeitselementes erreicht
und überschritten
wird, so fährt
der Arbeitskolben 52 des thermostatischen Arbeitselementes aus,
der sich an dem Antriebselement 50 des elektrischen Stellantriebs 49 abstützt. Dann
wird das Gehäuse
des thermostatischen Arbeitselementes 51 mitsamt Hauptventilteller 47 und
dem Kurzschlussventilteller 48 in Öffnungsrichtung verstellt,
so dass über
den Zulauf 44 vermehrt gekühltes Kühlmittel zuströmt.
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Das
Antriebselement 50 des elektrischen Stellantriebs 49 ist
mit einem Ringbund versehen, an welchem sich eine dem thermostatischen
Arbeitselement 51 zugeordnete Rückstellfeder 53 abstützt. Das gegenüberliegende
Ende der vorgespannten Rückstellfeder 53 ist über ein
Halteelement 54 mit dem Gehäuse des thermostatischen Arbeitselementes 51 fest
verbunden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 4 ist in einem rohrförmigen Ventilgehäuse 56 als
Ventilelement eine Klappe 58 vorgesehen, die um eine quer zur
Achse verlaufende Drehachse 59 mittels eines nur angedeuteten
elektrischen Stellantriebs 60 verdrehbar ist. Auf der Zulaufseite
der Klappe 58 ist ein thermostatisches Arbeitselement 61 in
dem Ventilgehäuse 56 ange ordnet,
dessen Arbeitsrichtung parallel zur Strömungsrichtung ist. Aus dem
Gehäuse 62 des
thermostatischen Arbeitselementes 61 ist ein Arbeitskolben 63 ausfahrbar,
wenn die Ansprechtemperatur des in dem Gehäuse 62 befindlichen
Dehnstoffs erreicht ist. Der Arbeitskolben 63 wirkt in
Abstand neben der Drehachse 59 auf die Klappe 58,
so dass er ein die Klappe 58 öffnendes Drehmoment ausübt, wenn
er ausfährt.
Dem Arbeitskolben 63 ist eine auf einen Ringbund wirkende
Rückstellfeder 64 zugeordnet,
deren anderen Ende an einem den Arbeitskolben 63 umgebenden
Halteelement 65 abgestützt,
das mit dem Gehäuse 62 fest
verbunden ist. Das thermostatische Arbeitselement 61 ist
mit diesem Halteelement 65 in dem Ventilgehäuse 56 an
einem Halter 66 gehalten, der mittels radialen Stegen an
den Innenwandungen des Ventilgehäuses 56 befestigt
ist.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 5 ist ein Ventilgehäuse 67 mit einem Zulauf 68 und
einem Ausgang 69 versehen. Zwischen diesen beiden ist ein
Ventilelement mit zwei Ventiltellern 70, 71 angeordnet,
die gleichzeitig miteinander mittels eines elektrischen Stellantriebs 72 verstellbar
sind. Dieser elektrische Stellantrieb 72 kann wie bei allen
anderen Ausführungsformen
ein Proportionalmagnet, ein Gleichstrommotor, ein Linearmotor, ein
Schrittmotor od. dgl. sein. Zwischen dem Antriebselement 73 und den
Ventiltellern 70, 71 ist ein thermostatischen
Arbeitselement 74 angeordnet. Das Gehäuse 75 des thermostatischen
Arbeitselementes 74 hält
mit einem Ringbund den Ventilteller 71. An seinen Boden
ist ein Bolzen 79 angeschweißt, auf dem der Ventilteller 70 befestigt
ist. Der Arbeitskolben 76 liegt in Verlängerung des Antriebselements 73 des
Stellantriebs. Ihm ist eine Rückstellfeder 77 zugeordnet,
deren anderes Ende mittels eines Halteelementes 78 abgestützt ist, das
an dem Gehäuse 75 des
thermostatischen Arbeitselementes befestigt ist.
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Das
thermostatische Arbeitselement 74 ist mittels des in dem
Gehäuse 75 untergebrachten Dehnstoffs
auf eine Ansprechtemperatur ausgelegt, bei deren Erreichen und Überschreiten
der Arbeitskolben 76 ausfährt. Da der Arbeitskolben 76 an
dem Antriebselement 73 des elektrischen Stellantriebs abgestützt ist,
wird bei seinem Ausfahren das Gehäuse 75 mit den Ventiltellern 70, 71 bewegt,
so dass dann das Ventil geöffnet
oder weiter geöffnet
wird, als es durch die Position des Antriebselementes 73 des elektrischen
Stellgliedes 73 vorgegeben ist.