Ventil zur Durchflussregulierung und Verfahren zur Schwingungseliminierung

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil für flüssige und/oder gasförmige, strömende Medien, mit einem Ventilgehäuse, welches eine mit wenigstens je einem Einlauf und einem Auslauf versehene Ventilkammer bildet, und einem darin beweg- und positionierbaren Drosselkörper zur Regelung des hydraulischen Querschnitts, wobei wenigstens ein Durchflusspfad gebildet wird. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Eliminieren von Schwingungen in einem Regelkreis mit diesem Ventil.

Stand der Technik

In der Industrie und für die Infrastruktur von Siedlungsgebieten werden Medien in Rohrleitungen transportiert, wobei diese auch extrem wechselnden Drücken, Fliessgeschwindigkeiten und Temperaturen ausgesetzt sind. Zum Regeln der Durchflussmengen in den Rohrleitungen werden Regelorgane, beispielsweise Schieber, Klappen oder Ventile, eingesetzt, um optimale Betriebsbedingungen und die Sicherheit der Umwelt zu gewährleisten. Gattungsgemässe Ventile werden insbesondere auf den Gebiet Heizung-Lüftung- Klima, kurz HLK genannt, eingesetzt.

Bei der Regelung der Durchflussmenge spielt der Einbau eines geeigneten Ventils eine we- sentliche Rolle. Ist die Durchflussöffnung des Ventils zu klein, kann ein extrem hoher

Durchflussbedarf nicht gedeckt werden. Ist die Durchflussöffnung des Ventils zu gross, kann bei einem kleinen Durchflussbedarf die Durchflussmenge nicht exakt genug geregelt werden und/oder es entstehen Regelschwingungen. Alle diese Effekte sind unerwünscht.

Zum Beispiel ist bei einer Fernheizung der Energiebedarf im Winter wesentlich höher als im Sommer. Die Regelqualität kann mit der Anordnung von unterschiedlich grossen Ventilen für Sommer und Winter verbessert werden.

Fig. 1 zeigt eine progressiv ansteigende Kennlinie K eines an sich bekannten drehbaren Ventils. Jedes Ventil hat charakteristische Kennlinien K, wobei auf der Abszisse der Stellwinkel oder die Linearverschiebung, auf der Ordinate der prozentuale Anteil der maxi- malen Durchflussmenge aufgetragen ist. Innerhalb eines Winkels α von 90° wird der Durchfluss von 0 auf 100 % der maximalen Durchflussmenge durch das Ventil, erhöht. In der Praxis arbeitet man mit Betriebspunkten auf der vorliegenden Kennlinie K gemäss Fig. 1, insbesondere im unteren Bereich. Bei geringer Durchflussmenge kann gegebenenfalls auf ein parallel geschaltetes Ventil mit einer geringeren maximalen Durchflussmenge umgeschaltet werden.

In der US 4,391,265 A (Chen) wird ein Dreiweg-Gasventil mit einem Einlass und zwei Auslässen beschrieben. Zur Einstellung des Gasflusses wird ein im Gehäuse des Ventils integrierter Zylinder bzw. ein Drosselkörper, welcher mehrere radiale Durchstiche

aufweist, eingesetzt. Ein Servomotor dreht den Drosselkörper so, dass der Einlass und ein erster Auslass des Ventils durch einen der Durchstiche im Zylinder verbunden werden. Durch die unterschiedlichen Durchmesser der Durchstiche können unterschiedliche diskrete Durchflussquerschnitte eingestellt werden. Solche Ventile eignen sich aber nur sehr schlecht zur dynamischen Regelung von Durchflussmengen, da keine stufenlosen Stellbereiche vorhanden sind, welche ein kontinuierliches Verändern der Durchflussmengen ermöglichen. Daraus resultieren unerwünschte Regelschwingungen, welche insbesondere eine präzise Regulierung von kleinen Durchflussmengen stark erschweren.

Die DE 29 47 229 A1 (Hansa Metallwerke AG) offenbart ein kontinuierlich einstellbares Steuerscheibenventil, insbesondere für den Sanitärbereich. Dabei sind eine fix montierte Festscheibe und eine darauf liegende und drehbare Steuerscheibe in einem Armaturengehäuse mit zwei Auslässen und zwei Einlassen angebracht. Die Fest- und die Steuerscheibe weisen beide mehrere übereinander liegende, unterschiedlich ausgeformte öffnungen auf, die teilweise miteinander verbunden sind. Bei einer Drehung der Steuer- scheibe ergeben sich so unterschiedliche Durchflussöffnungen, welche im Ventil seriell miteinander verbunden sind. Damit wird ein einzelner Stellbereich definiert, welcher die Vermischung von Kalt- und Heisswasser ermöglicht. Geringe Durchflussmengen lassen sich aber auch mit diesem Ventiltyp nicht präzise einstellen oder regeln.

Die US 5,983,937 A (Makihara et al.) schlägt ein Dreiweg-Ventil mit zwei Einlaufen und einem Auslass zur geregelten Mischung von Kalt- und Heisswasserströmen vor. Im Ventilgehäuse ist dabei ein drehbarer Hohlzylinder mit unterschiedlichen und getrennten Durchflussöffnungen an der Mantelfläche angebracht. Zur Regelung der Durchflussquerschnitte der zwei Einlasse, können die verschiedenen Durchflussöffnungen des Hohlzylinders mit einem Motor relativ zu den Einlassen ausgerichtet werden. Aufgrund einer sich in der Drehrichtung vergrössernden Durchflussöffnung kann der Durchflussquerschnitt in einem einzigen Stellbereich kontinuierlich geregelt werden. Die weiteren Durchflussöffnungen sind entweder ganz offen oder ganz geschlossen und werden für eine Feinregulierung intermittierend auf und zu gemacht. Eine kontinuierliche Regelung der Durchflussmenge durch eigentliche Stellbereiche ist damit aber nicht möglich. Derartige Ventile sind daher nur bedingt geeignet, um insbesondere geringe Durchflussmengen

präzise zu regeln. Die Feinregulierung durch digitale „Aύf-Zu "-Zyklen führt zu. einem diskontinuierlichen Fluss von Fluidströmen durch das Ventil, was wiederum zu Regelschwingungen führt.

Weist ein Ventil bekannter Bauart nicht den optimalen Regelbereich auf, muss also eine unpräzise Einstellung oder das Umschalten auf ein anderes Ventil mit einer anderen Kennlinie K in Kauf genommen werden.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu dessen Betrieb zu schaffen, welche die erwähnten Nachteile beseitigen.

In Bezug auf das Ventil wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Drosselkörper beim Bewegen in der Ventilkammer pro Durchflusspfad alternativ wenigstens zwei unterschiedliche Kennlinien bildet.

Mit der Erfindung wird ein Ventil geschaffen, welches für verschiedenste Anwendungen bzw. für verschiedenste Regelkreise einsetzbar ist. Indem mindestens zwei unterschiedliche Kennlinien im Ventil integriert sind und zwischen diesen umgeschaltet werden kann, kann im Rahmen der konkreten Anwendung die jeweils vorteilhaftere Kennlinie gewählt werden. Die Wahl der Kennlinie erfolgt dabei vorzugsweise automatisch (durch eine intelligente Steuerung). Durch das Umschalten zwischen den beiden Kennlinien während des Betriebs kann z.B. eine Regelungsschwingung eliminiert oder zumindest abgeschwächt werden. Die unerwünschten Schwingungen können z. B. nach dem Verfahren unterdrückt werden, welches aus der WO 2006/105677A2 (Belimo) bekannt ist. Es ist auch möglich, das Ventil mit einem kostengünstigen Antrieb zu betätigen, weil die Feinregelung in verschiedenen Durchfluss-Bereichen durch die richtige bzw. angepasste Kennlinie wesent- lieh erleichtert wird.

Als Kennlinie wird die durch die Ventilkonstruktion (Gestaltung des beweglichen Drosselkörpers und Zusammenwirken mit den statischen Durchflussöffnungen des Gehäuses)

definierte funktionelle Abhängigkeit des Durchflussquerschnitts bzw. hydraulischen Querschnitts des Ventils von der Position (z. B. Winkelsteilung, Lage) des Drosselkörpers verstanden. Ein Ventil, dessen Querschnitt entweder offen oder zu ist, das also den Durchfluss "digital" ein und ausschaltet, bildet keine Kennlinie im Sinn der Erfindung. Einem solchen Ventil kann kein Gain (siehe unten) zugeordnet werden. Unterschiede in der Kennlinie ergeben sich, wenn z. B. die maximalen Durchflussquerschnitte unterschiedlich gross sind oder wenn z. B. der Verlauf bzw. Gradient der Kennlinien nicht identisch ist. Dabei ist es ohne weiteres noch im Rahmen der Erfindung (aber weniger bevorzugt), wenn die Kennlinien bereichsweise gleich sind.

Für den Anwender ist das erfindungsgemässe Ventil ein Modul, welches er als Teil seiner Regelschaltung einsetzt. So wird z. B. an einem Ort des HLK-Systems die Temperatur gemessen und mit der Regelschaltung des Systems ein System-Stellsignal V _HLK (z. B. als analoger Spannungswert, als Pulsfolge, als digitaler Wert) ermittelt, welches als Input für das erfindungsgemässe Ventil dient. Aufgrund dieses System-Stellsignals wird die Position x der Drosselkörper eingestellt. Dabei ist es beim erfindungsgemässen Ventil (wie oben erwähnt) möglich, die geeignete Kennlinie K; auszuwählen, so dass der Gain G optimal ist:

OX

Wobei F(K|,x) der hydraulische Querschnitt bzw. der effektive Durchfluss und x die Position (z.B. die Winkelstellung) des Drosselkörpers ist. Die Position x kann pro Kennlinie variiert werden innerhalb einer unteren und einer oberen Grenze x _u bzw. X ₀ , wobei die zu verschiedenen Kennlinien gehörenden Bereiche je nach Konstruktion des Ventils vollständig, teilweise oder gar nicht überlappen. Es versteht sich, dass G ≠ O sein muss, damit eine Regelung möglich ist.

Weil die mindestens zwei Kennlinien pro Durchflusspfad alternativ wirken, können in einem gewünschten Regelbereich zu einem bestimmten System-Stellwert V _HLK und einem gewählten Querschnittswert zwei (oder mehr) alternative Gains G(i=1 ,x) und G(i=2,x) etc. existieren. Insoweit ist ein klarer Unterschied zu den bekannten Mischventilen gegeben,

bei welchen für den Warmwasserpfad und den Kaltwasserpfad unterschiedliche Kennlinien anwendbar sein können, diese aber immer simultan auf die parallelen Wasserpfade einwirken, so dass zu einem bestimmten System-Stellsignal (Mischverhältnis) effektiv nur ein Gain möglich ist.

Ein Durchflusspfad im Sinn der Erfindung ist ein Weg, den das Medium (bei bestim- mungsgemässer Benutzung) im Ventil vom Eingang zum Ausgang nehmen kann, wenn der Pfad nicht aufgrund der Position des Drosselkörpers gesperrt ist. Beispielsweise bei einem Mischventil gibt es also zwei Durchflusspfade, einen für das warme Medium und einen für das kalte Medium, wobei die Durchflusspfade ausgangsseitig des Ventils zusammen fallen.

Mit der Erfindung wird eine kontinuierliche Regelung (im Gegensatz zu einer ein/aus- Steuerung) innerhalb unterschiedlicher Regelbereiche ermöglicht. Mit anderen Worten: Das Ventil besitzt Stellbereiche (I, II, III) mit unterschiedlichen Durchflussöffnungen. Die Position x des Drosselkörpers wird mittels wenigstens eines mit dem Ventil verbundenen Antriebsmotors angewählt.

Im Unterschied zum Stand der Technik kann dadurch die Durchflussmenge durch das Ventil in allen Regelbereichen kontinuierlich von 0 - 100 % präzise eingestellt und geregelt werden. Es wird auch bei Regelbereichen mit geringen Durchflussmengen eine präzise Regelung erreicht, ohne dass das Ventil insgesamt auf kleine Durchflussmengen beschränkt sein muss. Dabei genügt ein einziger für alle Regelbereiche verwendbarer Antriebsmotor. Verglichen mit Ventilen nach dem bekannten Stand der Technik, führt dies insbesondere zu einer deutlichen Reduktion von Regelschwingungen, welche sich bisher nur durch Verwendung von mehreren parallel geschalteten Ventilen mit unterschiedlichen Regelbereichen unterdrücken lassen. Die erfindungsgemässen Ventile sind daher kostengünstiger herzustellen, da auf teure Präzisionskomponenten, parallel geschaltete Zusatzventile und komplexe Ansteuerungen verzichtet werden kann.

Der Drosselkörper des erfindungsgemässen Ventils weist wenigstens zwei (z. B. getrennte) Stellbereiche auf, wobei der Regelbereich für jeden Stellbereich unterschiedlich ist. Ein Stellbereich im erfindungsgemässen Sinn erlaubt dabei die kontinuierliche Einstellung der Durchflussmenge (Regelgrösse) zwischen Null und einem bereichsspezifischen Maximal-

wert (u ⁰ A), welcher kleiner oder gleich der maximal möglichen Durchflussmenge (100 %) durch das Ventil ist. Das erfindungsgemässe Ventil hat mit anderen Worten zwei oder mehrere Stellbereiche des Drosselkörpers, die für unterschiedliche Durchflussmengen optimal arbeiten. Bei kleinen Durchflussmengen kann der Drosselkörper so positioniert werden, dass die kleinere Durchflussöffnung im Einsatz ist. Vergrössem sich die Durchflussmengen, führt der Antriebsmotor den Drosselkörper autonom in einen anderen Stellbereich, der für grossere Durchflussmengen geschaffen ist. Innerhalb dieses und der anderen Stellbereiche erfolgt die Feineinstellung vorzugsweise mittels des gleichen Antriebsmotors, es können jedoch auch zwei Antriebsmotoren eingesetzt werden. Damit ergeben sich für die verschiedenen Stellbereiche bei gleicher Bewegung des Drosselkörpers unterschiedliche Kennlinien. Dies hat den Vorteil, dass mit einem herkömmlichen Ventilantrieb eine äusserst präzise Regulierung der Durchflussmenge erreicht wird, ohne dass mehrere unterschiedliche Ventile parallel installiert werden müssen. Es ist von wesentlicher Bedeutung, dass nicht - wie bei einem herkömmlichen Ventil - ein unveränderlicher Drosselkörper von einem Motor über einen Stellbereich von 0 bis 100 % bewegt wird. Der bevorzugte erfindungsgemässe Drosselkörper mit wenigstens zwei anwählbaren getrennten und im Wesentlichen gleich grossen Stellbereichen mit unterschiedlichen Durchflussöffnungen erlaubt, dass die Position des Drosselkörpers, d.h. der Durchflussquerschnitt, der Durchflussmenge optimal angepasst werden kann.

In der Praxis lässt sich das erfindungsgemässe Ventil in verschiedensten Ausführungsformen realisieren, beispielsweise durch

eine Kombination einer festen und einer frei drehbaren, motorisch angetriebenen Scheibe, welche dichtend, auch vollflächig dichtend, aufeinander liegen. Die feste Scheibe kann Bestandteil des Gehäuses sein. Die eine Scheibe hat wenigstens eine Durchlassöffnung, die andere Scheibe hat wenigstens zwei unterschiedlich grosse

Durchlassöffnungen, welche bevorzugt in einer Bewegungsrichtung gleich lang ausgestaltet sind. Die Durchlassöffnungen der beiden Scheiben müssen in geeigneter Weise überlappen.

- eine Kombination einer fest installierten oder in das Gehäuse integrierten Platte und

einer längs- und/oder querverschiebbaren dichtend aufliegenden, motorisch angetriebenen Platte. Die eine Platte hat wenigstens eine Durchflussöffnung, die andere Platte wenigstens zwei unterschiedlich grosse Durchflussöffnungen.

- einen in einem Ventilgehäuse in Längsrichtung verschiebbaren und frei drehbaren zylindrischen Drosselkörper mit unterschiedlich grossen Durchlassöffnungen.

- eine in einem Ventilgehäuse frei drehbare Kugel mit wenigstens zwei im wesentlichen keilförmigen, unterschiedlich grossen Drosselspalten oder zwei im wesentlichen pris- matischen Löchern durch die Kugelmitte, die zueinander abgewinkelt sind.

Beispiele für die vorgenannten Ausführungsformen des erfindungsgemässen Ventils werden in der Zeichnungsbeschreibung näher erläutert.

Je nach dem Einsatzbereich des Ventils werden in der Regel meist zwei Stellbereiche für . die Durchflussmenge vorgesehen. In einem ersten Stellbereich kann der Durchflussquerschnitt mit 0 bis 100 % der grössten Durchflussöffnung eingestellt werden. Der Durchflussquerschnitt wird gebildet von der Durchflussöffnung und dem entsprechenden Gegenstück im Ventil. Eine zweite, kleiner dimensionierte Durchflussöffnung erlaubt nur einen Durchflussquerschnitt von 0 bis u % der grössten Durchflussöffnung, wobei u < 100 ist. Vorzugsweise liegt u im Bereich von 1 bis 50. Andererseits sind in der Praxis kaum Verwendungsmöglichkeiten denkbar, welche einen Stellbereich von weniger als 1 % der grosseren Durchflussöffnung erforderlich machen. Es kann nach einer Variante der Erfindung sinnvoll sein, zwei Durchflussöffnungen mit gleichem oder ähnlichem Maximalwert einzusetzen, die eine unterschiedliche Kennlinienform haben.

Bei einem Ventil mit drei Stellbereichen kann der erste Stellbereich wiederum einen Durchflussquerschnitt von 0 bis 100 % der grössten Durchflussöffnung eingestellt werden. In einem zweiten Stellbereich liegt der Durchflussquerschnitt bei 0 bis v % der grössten Durchflussöffnung, bei einem dritten Stellbereich bei 0 bis w % der grössten Durchflussöffnung, d. h. immer bezogen auf den ersten Stellbereich, v liegt vorzugsweise im Bereich von 30 bis 60, w im Bereich von 1 bis 20. Ein Drosselkörper mit drei Stell-

bereichen lässt eine optimale Regelung zu, das ganze Ventil ist jedoch entsprechend komplizierter. Dies gilt insbesondere für Ventile mit mehr als drei Stellbereichen, welche theoretisch eine noch differenziertere Regelung zulassen, in der Praxis jedoch zunehmend auf Erschwernisse konstruktiver Art stossen. .

Das Umschalten in verschiedene Stellbereiche kann automatisch, nach vorgegebenen Daten, aber auch manuell erfolgen. Bei einem nicht optimalen Stellbereich können Regelschwingungen entstehen, welche einen Normalbetrieb empfindlich stören und eliminiert werden müssen.

Diese Regelschwingungen werden erfindungsgemäss dadurch eliminiert, dass der Drosselkörper zur Auswahl des Betriebspunktes durch den prozessgesteuerten Antriebsmotor autonom in einen anderen Stellbereich geführt und die passende Kennlinie motorisch eingestellt wird.

Vorzugsweise ist die Steuerschaltung so ausgebildet, dass der Drosselkörper durch den Antriebsmotor autonom in einen niedrigeren Stellbereich geführt wird, z. B. durch eine Frequenzanalyse wie Wavelet-, Fourier- oder Min/Max-Analyse eine Oszillation festgestellt wird.

Spezielle und weiterbildende Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.

Jeder Stellbereich eines Drosselkörpers hat eine charakteristische Kennlinie, wie erwähnt wird je nach Betriebspunkt die passende Kennlinie gewählt, beispielsweise die grosse oder kleine bei zwei Stellbereichen oder die grosse, mittlere oder kleine bei drei Stellbereichen:

- Die Stellzeit von 0 bis zu den entsprechenden 100 % bleibt gleich, auch wenn die Durchflussmenge grösser oder kleiner ist.

- Die Formen der Kennlinien können innerhalb gewisser Grenzen unabhängig voneinander festgelegt werden, diese sind insbesondere gerade oder progressiv ansteigend.

Die Wahl der passenden Kennlinie bei gegebenem Betriebspunkt erfolgt bevorzugt programmgesteuert, insbesondere durch einen externen Regler oder ein Steuerelement. Besonders geeignet sind ASIC (Application Specific Integrated Circuits) oder μP (Mikroprozessor). Die Umschaltung von einem Stellbereich in einen anderen wird beispielsweise durch Regelschwingungen ausgelöst. Falls während einer bestimmten, vorgegebenen Zeitperiode δt der Positionssollwert des Ventils einen ebenfalls vorgegebenen ersten Sollwert nicht überschreitet und während dieser Zeit vorzugsweise eine Minimalanzahl von Schwingungen stattgefunden hat, wird der Drosselkörper vom Antriebsmotor autonom in einen niedrigeren Stellbereich geführt, wo der Drosselkörper eine kleinere Durchflussöffnung aufweist. Es sollte also eine Oszillation detektiert werden, bevor eine Umschaltung in einen anderen Stellbereich erfolgt.

- Falls der Positionssollwert des Ventils einen vorgegebenen zweiten Sollwert über- schreitet, schaltet der Antriebsmotor unverzüglich autonom in den höheren

Stellbereich.

Die Aufgabe bezüglich der Vorrichtung nach einer Variante wird dadurch gelöst, dass der Drosselkörper eine einzige Durchflussöffnung mit wenigstens zwei mittels eines Antriebs- motors anwählbaren Stellbereichen aufweist.

Der Drosselkörper besteht beispielsweise aus einer am Ventilgehäuse befestigten oder darin integrierten ersten Scheibe und einer dichtend aufliegenden, motorisch frei drehbaren zweiten Scheibe. Ein im Querschnitt vorzugsweise runder, elliptischer oder rechteckiger Durchstich durchgreift beide Scheiben. Die zweite Scheibe ist nicht nur drehbar, sondern auch in radialer Richtung verschiebbar. Analog kann ein Ventilgehäuse an zwei Platten mit einer einzigen Durchflussöffnung zwei oder mehr Stellbereiche haben. Diese Variante umfasst - sofern diese verwendet werden können - alle in den abhängigen Patentansprüchen und der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen des Ventils.

Ein Ventil mit dem erfindungsgemässen Drosselkörper, auch Mehrbereichsventil genannt, findet einen breiten Verwendungsbereich, beispielsweise

Femheizung

Heizen/Kühlen in Change Over-Systemen Kühlen/Entfeuchten in Kaltwasserkreisen

änderungen an einem Gebäude (Umbau, Renovation, Mieterausbau) - Hohe/tiefe Druckdifferenzen, z. B. lange Versorgungsleitungen zwischen verschiedenen Zonen einer Anlage.

Zusammenfassend können erfindungsgemässe Mehrbereichsventile überall vorteilhaft eingesetzt werden, wo stark wechselnde Anforderungen an die Ventile gestellt werden.

Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, welche auch Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine Kennlinie nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine feste und eine frei drehbare Scheibe eines Zweiwegeventils,

Fig. 3 die Kennlinien des Ventils gemäss Fig. 2,

Fig. 4a eine feste und eine frei drehbare Scheibe eines Dreiwegeventils,

Fig. 4b ein Dreiwegeventil

Fig. 5 die Kennlinien des Ventils gemäss Fig. 4,

Fig. 6a einen zylinderförmigen Drosselkörper,

Fig. 6b eine Variante gemäss Fig. 6a mit einem Verbindungskanal

Fig. 7 einen kugelförmigen, halb offenen Drosselkörper,

Fig. 8 einen Schnitt durch einen kugelförmigen Drosselkörper mit zwei prismatischen Durchstichen,

Fig. 9 ein Schema einer Fernheizung mit einem Zweibereichsventil,

Fig. 10 ein Schema eines Stellbereichswechsels gross - klein,

Fig. 1 1 ein Schema eines Stellbereichswechsels klein - gross,

Fig. 12 eine feste und eine in x- und y-Richtung verschiebbare Platte mit je einer deckungsgleichen öffnung,

Fig. 13 die in x-Richtung gegeneinander verschobenen öffnungen,

Fig. 14 die in x- und y-Richtung gegeneinander verschobenen öffnungen,

Fig. 15 eine Schaltungsanordnung mit einem erfindungsgemässen Ventil, und

Fig. 16a-e eine weitere Ausführungsform eines kugelförmigen Drosselkörpers in drei je 90° zueinander gedrehten Positionen, im äquatorialschnitt sowie in einer perspektivischen Darstellung.

Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnte Fig. 1 zeigt eine Kennlinie K für ein Ventil nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt einige Details eines Drosselkörpers 10, welcher aus zwei in einer Ventilkammer flächig dichtend aufeinander liegenden Scheiben 12, 14 besteht. Die erste Scheibe 12 ist fest in einer Ventilkammer an sich bekannter Bauart montiert oder in das Ventilgehäuse (44 in Fig.7) integriert. Es ist eine im wesentlichen trapezförmige Durchflussöffnung 16 ausgespart, welche sich vorliegend über einen Winkel von etwa 20° erstreckt. Die in der

Ventilkammer koaxial auf der ersten Scheibe 12 liegende frei drehbare zweite Scheibe 14 weist im selben peripheren Bereich drei in je einem Kreissektor von 90° angeordnete unterschiedlich grosse Durchflussöffnungen 18, 20, 22 auf. Damit sind die zum Zentrum der zweiten Scheibe 14 hin gerichteten Begrenzungen der Durchflussöffnungen 18, 20, 22 in der Drehrichtung bzw. in einer tangentialen Richtung der Scheibe. 14 gleich lang ausgestaltet. Die Scheibe 14 ist über eine Welle mit einem nicht dargestellten Antriebsmotor verbunden, welcher die Scheibe 14 im Uhrzeiger- und Gegenuhrzeigersinn positionierbar drehen kann. Selbstverständlich kann auch die zweite Scheibe 14 fest montiert oder integriert und die erste Scheibe 12 drehbar sein.

Die Durchflussöffnungen 18, 20, 22 der zweiten Scheibe 14 verlaufen im gleichen peripheren Bereich wie die Durchflussöffnung 16 der ersten Scheibe 12. Alle drei Durchflussöffnungen 18, 20, 22 erweitern sich in tangentialer Richtung im Gegenuhrzeigersinn, kontinuierlich oder stufenweise, entsprechend dem Raster der Durchflussöffnung 16 der festen Scheibe 12. Wird die zweite Scheibe 14 koaxial auf die erste Scheibe 12 aufgesetzt und im Uhrzeigersinn gedreht, erweitert sich die von beiden Scheiben gebildete Durchflussöffnung überproportional. Offensichtlich können mit der Durchflussöffnung 18 die grössten Durchflussquerschnitte 78 (Fig. 13, 14) erzielt werden, mit der Durchflussöffnung 22 die kleinsten. Der erwähnte Antriebsmotor dreht die Scheibe 14 autonom so, dass der optimale Stellbereich I, Il oder III resultiert.

In Fig. 3 sind die Kennlinien der drei Stellbereiche I, II, III der Scheibe 14 aufgezeichnet, wenn sich deren Durchflussöffnung 18, 20 oder 22 auf der Durchflussöffnung 16 der ersten Scheibe 12 bewegt. Der Wert 100 % für den Durchflussquerschnitt 78 entspricht der maximal möglichen Durchflussmenge, wenn der grösste Bereich der Durchflussöffnung 18 im Bereich der Durchflussöffnung 16 liegt. Mit der Kennlinie K ₁₈ kann durch Drehen der Scheibe 14 um einen Winkel α von 90° eine Durchflussmenge von 0 - 100 % erreicht werden. Die Kennlinie K ₂₀ zeigt, dass mit der Durchflussöffnung 20 bei einer Drehung um einen Winkel α von ebenfalls 90° eine Durchflussmenge von lediglich 40 % des maximal möglichen Durchflussquerschnitts 78 erreicht werden kann, im Stellbereich der Durchflussöffnung 22 um einen Winkel α von 90° lediglich eine Durchflussmenge von knapp 20 % des maximalen Durchflussquerschnitts 78. Damit ist ein Ventil mit drei gleich

grossen Stellbereichen (Drehen der Scheibe 14 um jeweils 90°) realisiert, wobei alle Stellbereiche kontinuierlich einstellbare und unterschiedliche Regelbereiche für die Durchflussmenge (I: 0 - 100 %, II: 0 - 40 % und III: 0 - 20 %) aufweisen.

Wenn im Stellbereich I eine geringe Durchflussmenge mit der Kennlinie K ₁₈ nicht fein genug geregelt werden kann, wählt der Antriebsmotor autonom den Betriebspunkt auf der passenden Kennlinie K ₂₀ und dreht die Scheibe 14 in den entsprechenden Stellbereich Il der Durchflussöffnung 20 oder III der Durchflussöffnung 22.

In der Praxis bestehen die Scheiben 12, 14 zweckmässig aus einer Keramik oder einem mechanisch festen Kunststoff, wie zum Beispiel Teflon. Wesentlich ist eine gute Gleitfähigkeit und das Abdichten der flächig aufeinander liegenden Scheiben 12, 14.

Fig. 2 zeigt die Scheiben 12, 14 eines Zweiwegeventils, in Fig. 4a sind diejenigen eines Dreiwegeventils dargestellt. Das Dreiwegeventil 15 gemäss Fig. 4b weist zwei Eingänge A und B sowie einen Ausgang AB auf. Andere, nicht dargestellte Anordnungen sind ebenfalls möglich. Die Eingänge A und B öffnen und schliessen gegenläufig, das heisst wenn Eingang A geschlossen ist, ist Eingang B voll offen und umgekehrt. In allen Zwischenpositionen werden die durch die Eingänge A und B strömenden Medien gemischt zum Ausgang AB geleitet.

Die fest montierte Scheibe 12 gemäss Fig. 4a für ein Dreiwegeventil hat eine erste Durchflussöffnung 16 und eine zweite Durchflussöffnuηg 24, welche um einen Winkel von 120° - 150° versetzt ist. Die drehbare Scheibe 14 ist so gestaltet, dass sich zwei Stellbereiche I und Il ergeben. Wie gemäss Fig. 2 kann Scheibe 14 fest montiert oder integriert, Scheibe 12 drehbar sein.

Im Stellbereich I bewegt sich Durchflussöffnung 18 über Durchflussöffnung 16, um den Durchflussquerschnitt 78 (Fig. 13, 14) durch Eingang A einzustellen. Gleichzeitig bewegt sich Durchflussöffnung 20 über Durchflussöffnung 24, um den Durchfluss durch Eingang B einzustellen.

Im Stellbereich Il bewegt sich Durchflussöffnung 20 über Durchflussöffnung 16, um den Durchflussquerschnitt 78 durch Eingang A einzustellen. Gleichzeitig bewegt sich Durch-

flussöffnung 22 über Durchflussöffnung 24, um den Durchfluss durch Eingang B einzustellen.

Stellbereich I! wird gegenüber Stellbereich I in umgekehrter Richtung durchlaufen. Die Kennlinien können durch modifizieren der öffnungen 16-24 an das jeweilige Problem angepasst werden.

In Fig. 5 sind die gegenläufigen Kennlinien K _{18 + 16} und K _{20 + 24} im Stellbereich I sowie K _{20 + 16} und K _{22 + 24} Jm Stellbereich Il dargestellt.

In Fig. 6a ist eine schematische Variante eines Drosselkörpers 10 dargestellt. Dieser zylindrische Drosselkörper 10 ist um eine Drehachse A drehbar, was mit einem Doppelpfeil 26 angedeutet ist. Weiter ist dieser zylindrische Drosselkörper 10 in Axialrichtung A verschiebbar, was mit einem weiteren Doppelpfeil 28 angedeutet ist. Dieser zylindrische Drosselkörper 10 hat in Axialrichtung A drei Stellbereiche, welche mit I, Il und III bezeichnet sind. Diese drei Stellbereiche haben Durchflussöffnungen von verschiedener Geometrie, im vorliegenden Schulbeispiel hat die Durchflussöffnung 32 im Stellbereich I einen elliptischen Querschnitt, die Durchflussöffnung 34 im Stellbereich Il einen rechteckigen und die Durchflussöffnung 36 im Stellbereich III einen dreieckigen. In der industriellen Praxis sind die Stellbereiche von ähnlicher geometrischer Form. Das durch einen Einlauf 43 und einen Auslauf 45 einer Rohrleitung 42 fliessende Medium 38 ist durch einen Pfeil charakterisiert.

Der nicht dargestellte Antriebsmotor wählt vorerst den Stellbereich I, Il oder III und rotiert dann den Drosselkörper 30, bis der Betriebspunkt erreicht ist. Die beiden Bewegungen können durch denselben oder durch zwei verschiedene Antriebsmotoren ausgeführt werden. Die Form der Kennlinien in den Stellbereichen I, Il und III wird durch die geometrische Form der Durchflussöffnungen 32, 34, 36 und den Durchflussquerschnitt 78 (Fig. 13, 14) im Ventil bestimmt.

Fig. 6b entspricht im wesentlichen Fig. 6a, es ist jedoch ein feiner Kanal 30 ausgebildet, welcher in axialer Richtung A verläuft und die Stellbereiche I, Il und III verbindet. Die Funktion des Ventils bleibt unverändert, es hat jedoch nur noch eine Durchflussöffnung.

In Fig. 7 und 8 ist der Drosselkörper 10 kugelförmig ausgebildet, welcher vom nicht dargestellten Antriebsmotor frei um die Drehachse A drehbar und positionierbar ist.

Ein Durchflussrohr 42 gemäss Fig. 7 mit einem Einlauf 43 und einem Auslauf 45 für das fliessende Medium 38 bildet zugleich das Ventilgehäuse 44, welches gegen eine Antriebswelle 46 abgedichtet ist. Der halb offene kugelförmige Drosselkörper 10 hat eine spaltenförmige grosse Durchflussöffnung 47 und eine ebenfalls spaltenförmige kleine

Durchflussöffnung 49 mit einer Symmetrieebene E. Die grosse Durchflussöffnung 47 bildet den Stellbereich I, die kleine Durchflussöffnung 49 den Stellbereich II. Die Dichtpartie 48 des kugelförmigen Drosselkörpers 10 gegen das Ventilgehäuse 44 ist ringförmig und mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Die Kugel wird in beiden Richtungen um 90° gedreht.

Fig. 8 zeigt einen Schnitt entlang der Ebene E in Fig. 7, wobei im kugelförmigen Drosselkörper 10 die grosse Durchflussöffnung 47 und die kleine Durchflussöffnung 49 im Wesentlichen prismatisch ausgebildet sind. Die Kugel wird nur um 60° in die eine oder andere Richtung gedreht. Es ist eine Aussparung 50 für den Antriebsstutzen 46 (Fig. 7) erkennbar.

In Fig. 9 ist eine der zahlreichen Verwendungen des erfindungsgemässen Ventils 66 dargestellt. Die Vorlauftemperatur in einer Fernheizungsleitung 56 ist im Winter wesentlich höher als im Sommer. Dies ergibt ganz andere Betriebspunkte für die direkte Temperaturregelung des Brauchwarmwassers in einem Gebäude 64 mit einem Hahn 68. Dabei wird über eine Leitung 54 kaltes Wasser aus der Trinkwasserversorgung direkt durch einen Wärmetauscher 62 auf Solltemperatur gebracht. Durch den stark schwankenden Warmwasserbedarf wird die Regelung zusätzlich erschwert. Bei zu starken Regelschwingungen kann sich der Benutzer beispielsweise bei einer Dusche Verbrennungsverletzungen zuziehen. Zur Verbesserung der Regelqualität, insbesondere bei hoher Vor- lauftemperatur und geringem Warmwasserbedarf, ist ein erfindungsgemässes Ventil 66 eingebaut, vorliegend ein Zweiwegeventil in Drosselschaltung.

Fig. 10 und Fig. 1 1 beschreiben Umschaltbedingungen von einem Stellbereich I mit grosser Durchflussöffnung auf einen Stellbereich Il mit kleiner Durchflussöffnung und

zurück. Dargestellt ist der zeitliche Verlauf des Positionssollwertes S für ein Ventil, der sich aufgrund einer Raumtemperaturregelung ergeben kann.

In Fig. 10 arbeitet das Ventil zunächst in Stellbereich I. Unterschreitet der Positionssollwert S den Schwellenwert S _k und bleibt für eine einstellbare Zeitperiode δt darunter, dann wird der Drosselkörper in den Stellbereich Il geführt. Die Steuerung kann so eingestellt werden, dass nicht nur die Zeitperiode δt relevant ist, sondern der Antriebsmotor auch eine minimale Anzahl N von Bewegungen ausführen muss, beispielsweise N= 10. Das Ventil arbeitet nun in Stellbereich Il bis allenfalls die Bedingungen gemäss Fig. 1 1 erfüllt werden.

In Fig. 1 1 ist der umgekehrte Fall dargestellt, die Regelung arbeitet zunächst im kleinen Stellbereich II. Sobald der Positionssollwert S den Schwellenwert S _g überschreitet, wechselt der Drosselkörper unverzüglich in den grossen Stellbereich I, da sonst der zu regelnde Verbraucher unterversorgt würde. Das Ventil arbeitet nun in Stellbereich I bis die Bedingungen gemäss Fig. 10 allenfalls wieder erfüllt werden.

Fig. 12 bis 14 zeigen eine weitere Variante eines Drosselkörpers 10, welcher eine feste erste Platte 70 mit einer rechteckigen Durchflussöffnung 74 und eine längs und quer, in x- und y-Richtung, verschiebbare zweite Platte 72 mit einer vorliegend deckungsgleichen Durchflussöffnung 76 umfasst. Die Durchflussöffnungen müssen jedoch weder gleich gross noch von gleicher geometrischer Form sein. Die beiden dichtend übereinander gelegten Platten 70, 72 bilden je nach Position der verschiebbaren Platte 72 einen einstellbaren Durchflussquerschnitt 78. In einem Stellbereich I gemäss Fig. 13 liegt die verschiebbare Platte 72 so auf der festen Platte 70, dass in der Stellung 0 kein Durchfluss erfolgt. Bei einer Verschiebung der Platte 72 in x-Richtung wird der maximale Durchflussquerschnitt 78 bei 100% erreicht, dort liegen die beiden Durchflussöffnungen 74, 76 deckungsgleich aufeinander. In der in Fig. 13 gezeigten Position beträgt der Durchflussquerschnitt 78 etwa 30% des maximal möglichen Wertes.

In der Position gemäss Fig. 14 hat der Antriebsmotor in den Stellbereich Il umgeschaltet. Der maximale Durchflussquerschnitt 78 beträgt nur noch etwa 35% des Maximalwertes bei

100 % gemäss Fig. 13. Die Regelung in x-Richtung kann im Stellbereich Il wesentlich exakter erfolgen, wenn der Durchflussquerschnitt 78 unter einen vorgegebenen Wert sinkt.

Fig. 15 zeigt eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung. Ein Ventilmodul 80 regelt den Durchfluss durch die Leitung 82. An einer gewünschten Stelle des Leitungssystems wird mit einem Sensor 84 z.B. die Temperatur gemessen. Das Signal des Sensors geht an die zentrale Regelschaltung 86, welche in einer hier nicht weiter interessierenden Weise das sog. System-Stellsignal V(t) erzeugt. Dieses ist das Eingangssignal für die erfindungs- gemässe Steuerschaltung 88 des Ventilmoduls 80. Die Steuerschaltung beinhaltet einen Rechenalgorithmus, welcher die geeignete Kennlinie des Ventils 92 und die Position x des Drosselkörpers bestimmt. Mit diesen beiden Parametern wird der Antriebsmotor 90 gesteuert, welcher den Drosselkörper in diejenige Position fährt, die den erwünschten hydraulischen Querschnitt erzielt.

Das Modul kann als in sich geschlossenes Produkt auf den Markt gebracht werden. Es ist aber auch möglich, das Ventil, den Motor und die Steuerschaltung als separate Einheiten zu implementieren.

Fig. 16a bis 16e zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform. Der Drosselkörper ist durch eine mit einem Kanal 102 zentral durchdrungenen Kugel 100 gebildet, welche in einem Kugelventilgehäuse sitzt, wie es z. B. in Fig. 7 schematisch dargestellt ist. Der Kanal 102 bildet an zwei gegenüberliegenden Oberflächenbereichen der Kugel 100 je eine Mündungsöffnung 104 bzw. 106. Jede dieser Mündungsöffnungen 104, 106 hat einen Randbereich 105, 107 mit einer Kontur, welche (in Verbindung mit dem kreisrunden Ein- oder Auslauf des Ventilgehäuses) eine Kennlinie für den drehpositionsabhängigen freien (bzw. hydraulischen) Querschnitt bildet. Der freie Querschnitt des Kanals 102 als solcher ist ausreichend gross, so dass bei geeigneter Drehposition der maximale Durchfluss (u = 100%) möglich ist.

Zwischen den beiden Mündungsöffnungen 104, 106 ist ein (vorzugsweise bezüglich der äquatorebene E-E symmetrisch angeordneter) Oberfläehenschliessbereich 108 vorhanden (vgl. insbesondere äquatorialschnitt gemäss Fig. 16d), der ausreichend gross ist, so dass er den Ein- bzw. Auslauf des Ventilgehäuses verschliessen kann. Das heisst, der Ober-

flächenschliessbereich 108 beinhaltet in geometrischer Hinsicht einen Kreis entsprechend dem Durchmesser des Ein- bzw. Auslasses. (Ist der Ein- bzw. Auslass nicht kreisrund sondern anders begrenzt, hat der Oberflächenschliessbereich entsprechend eine andere geometrische Form zu beinhalten, so dass er zumindest die Querschnittsfläche des Ein- bzw. Auslasses verschliessen kann.) Durch die Anordnung des Oberflächenschliessbe- reichs 108 ist somit die Schliessstellung des Ventils definiert.

Die für den kleinen Stellbereich (Regelbereich 0 - u %, u<100%) vorgesehene Kontur des Randbereiches 105 umschliesst einen zuerst streifenförmigen und daran anschliessend sich keilförmig erweiternden ersten Flächenbereich. Der genannte Flächenbereich ist im vorliegenden Beispiel symmetrisch bezüglich der äquatorebene E-E der Kugel.

Die für den grossen Stellbereich (Regelbereich 0 - 100 %) vorgesehene Kontur des Randbereichs 107 umschliesst einen kreisabschnittartigen zweiten Flächenbereich. Auch dieser Flächenbereich ist im vorliegenden Beispiel symmetrisch bezüglich der äquatorebene der Kugel.

Die Kugel 100 weist am "Nordpol" eine Ausnehmung 1 10 auf, in welcher ein (nicht dargesteller) Kupplungsteil einer Ventilachse verdrehsicher eingreifen kann.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich in vielfältiger Weise abwandeln, ohne dass der Grundgedanke der Erfindung aufgegeben werden müsste. So können die Stellbereiche durch unterschiedlich grosse Drehwinkelbereiche des Drossel körpers ver- wirklicht sein. Sie können getrennt sein oder auch unmittelbar aneinander anschliessen. Zwischen den beiden Stellbereichen kann die Nullstellung vorgesehen sein, das heisst die Stellung, in welcher das Ventil sperrt.

Es können z. B. zwei Kugelkörper (Fig. 7, 8) über eine Welle verbunden werden, so dass ein "hanteiförmiger" Drosselkörper gebildet wird. Die in Fig. 7, 8 und 16 gezeigten Aus- führungsformen können statt sphärisch auch kreiszylindrisch ausgeführt sein.