DE19514558A1

DE19514558A1 - Thermostateinrichtung für eine sanitäre Mischbatterie

Info

Publication number: DE19514558A1
Application number: DE19514558A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr Ing Bergmann
Original assignee: Ideal Standard GmbH
Current assignee: Ideal Standard GmbH
Priority date: 1995-02-16
Filing date: 1995-04-20
Publication date: 1996-10-31
Also published as: DE59600836D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Thermostateinrichtung für eine sanitäre Mischbatterie, mit einem ein Verstellglied aufweisenden, zwischen zwei Grenzlagen bewegbaren Regel körper und einem mit dem Verstellglied zusammenwirkenden Rückstellfederelement, wobei das Rückstellfederelement im eingebauten Zustand in der Mittelstellung des Regelkörpers auf Druck belastet ist und wobei die Federkennlinie des Rückstellfe derelements ausgehend von der Mittelstellung bei Ausdehnung des Verstellgliedes in einen Belastungsbereich und bei Zusammenziehung des Verstellgliedes in einen Ent lastungsbereich übergeht.

Eine sanitäre Mischbatterie mit einer Thermostateinrichtung der eingangs genannten Art sowie eine derartige Thermostateinrichtung an sich sind aus der Praxis bereits be kannt. Die Thermostateinrichtung ist dabei üblicherweise mit einem mechanischen Verstellglied versehen, bei dem es sich in der Regel um ein Wachselement oder ein Bi metall handeln kann. Das Verstellglied hat entsprechend seiner Ausführung bestimm te Eigenschaften, zu denen unter anderem gehören:

- Ausdehnung bei Temperaturänderung
- Eigenelastizität
- Zeitverhalten
- Totzeiten bis zum ersten Ansprechen.

Bei sanitären Mischbatterien ist grundsätzlich eine hohe Genauigkeit und eine hohe Regelgeschwindigkeit erwünscht. Um dies zu erreichen, soll das Verstellglied eine ho he Ausdehnung bei gleichzeitig gutem Zeitverhalten haben. Allerdings führen hohe Ausdehnungswerte in Verbindung mit Totzeiten zu Oszillationen des Regelkörpers. Derartige Oszillationen beeinflussen nachteilig die Genauigkeit und die Regelge schwindigkeit der Mischbatterie.

Die Erfindung geht einen neuen Weg und vermeidet die vorgenannten Nachteile. Er findungsgemäß ist nun vorgesehen, daß die Federkennlinie des Rückstellfederele ments derart ausgebildet ist, daß die Federkraft im Belastungsbereich bei Ausdehnung des Verstellgliedes ausgehend von der Mittelstellung in Richtung auf die Grenzlage des Belastungsbereichs zunächst zumindest nicht ansteigt.

Da die von der Rückstellfeder erzeugte Gegenkraft bei Ausdehnung des Verstellele mentes nicht ansteigt, wie dies beim Stand der Technik beispielsweise bei Verwen dung einer bekannten Schraubenfeder üblich ist, kann sich das Verstellglied leichter und besser ausdehnen und zwar ohne daß eine Veränderung am Verstellglied erfor derlich ist. Somit sind auch die Totzeiten bis zum Ansprechen geringer. Daraus resul tiert, daß sich eine höhere Genauigkeit der Regelung insgesamt ergibt. Darüber hin aus ist festgestellt worden, daß die Tendenz zu Oszillationen bei Verwendung eines Rückstellfederelements mit der erfindungsgemäßen Federkennlinie verringert wird.

Neben der größeren Ausdehnung des Verstellgliedes, erhöhten Genauigkeit und der verminderten Tendenz zu Oszillationen ergeben sich aber noch eine Reihe weiterer zum Teil erheblicher Vorteile. Aufgrund der verbesserten Genauigkeit und Ansprech geschwindigkeit ist es gleichzeitig möglich, die Größe der Durchlaßschlitze zwischen dem Regelkörper bzw. den Kaltwasser- bzw. Warmwassersteuerkanten und korre spondierenden Ventilsitzen am Gehäuse der Mischbatterie zu vergrößern. Dies würde unmittelbar eine Erhöhung der maximalen Durchflußmenge nach sich ziehen. Soll die Durchflußmenge gleich gehalten werden, könnte ohne weiteres der äußere Durch messer des Regelkörpers verkleinert und somit die Abmaße der Thermostateinrich tung bzw. der sanitären Mischbatterie insgesamt verkleinert werden.

Zusammenfassend kann somit festgestellt werden, daß es durch die Erfindung mög lich ist, je nach gewünschter Charakteristik,

- die Genauigkeit der Regelung,
- den Durchfluß,
- die Spaltgröße des Reglers oder
- die Baugröße der Mischbatterie

zu optimieren.

Der erfindungsgemäße Effekt und die damit verbundenen Vorteile ergeben sich ins besondere dann, wenn die Federkraft des Rückstellfederelements bei Ausdehnung des Verstellgliedes, ausgehend von der Mittelstellung, im Belastungsbereich zunächst sinkt. Durch die Abnahme der Federkraft bei Ausdehnung des Verstellgliedes wird diesem zumindest im Bereich der Mittelstellung eine vergleichsweise geringe Gegen kraft des Rückstellfederelements entgegengebracht, was die Ausdehnung des Ver stellgliedes begünstigt.

Von ganz besonderem Vorteil ist es, wenn die Federkennlinie im Belastungsbereich einen degressiven Verlauf hat und wenn die Degressivität im Bereich der Mittelstel lung am größten ist. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Federkraft des Rückstellfe derelements gerade in dem häufig beanspruchten Teil des Belastungsbereichs, der an die Mittelstellung angrenzt, auch bei geringer Ausdehnung des Verstellgliedes sofort stark abfällt. Die verminderte Federkraft und insbesondere die degressive Ausbildung der Federkennlinie bewirken, daß bei einer Ausdehnung des Verstellelementes so gleich die Gegenkraft des Rückstellfederelements sinkt. Wegen der Eigenelastizität des Verstellelementes ergibt sich dann eine zusätzliche Expansion des Verstellgliedes, wobei in Form von Federarbeit gespeicherte Energie freigesetzt wird.

Bei Versuchen ist festgestellt worden, daß ausgesprochen gute Ergebnisse hinsicht lich der Genauigkeit der Regelung, der Durchflußmenge und der Spaltgröße des Re gelkörpers erzielt werden, wenn der Federkennwert des Rückstellfederelements in der Mittelstellung negativ und betragsmäßig am größten ist. Dabei sollten die Feder kennwerte ausgehend von der Mittelstellung über den Federweg näherungsweise in Form einer Parabel ansteigen, bis sie zu den Grenzlagen hin positiv werden. Im Be reich der Grenzlagen betragen die Federkennwerte etwa null.

Erfindungsgemäß ist weiterhin festgestellt worden, daß sich als Rückstellfederelement besonders gut eine Metallmembrane eignet, die günstigerweise auf etwa 55 N vorge spannt ist. Diese kann dann gleichzeitig die Abdichtung zwischen den Zuläufen von Heiß- und Kaltwasser übernehmen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung und der Zeichnung selbst. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhangig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Es zeigt

Fig. 1 die Federkennlinie eines Rückstellfederelements für eine erfindungsge mäße Thermostateinrichtung,

Fig. 2 die Kurve der Federkennwerte des Rückstellfederelements aus Fig. 1 und

Fig. 3 die graphische Darstellung der Verbesserung der Geschwindigkeiten und der Genauigkeit als Funktion des Federweges des Rückstellfedere lements.

Nicht dargestellt ist vorliegend die sanitäre Mischbatterie bzw. die Thermostateinrich tung mit ihren konstruktiven Bauteilen. Die Thermostateinrichtung ist - wie im Stand der Technik üblich - mit einem Regelkörper versehen, der zwischen zwei Grenzlagen 2, 3 hin und her bewegbar ist. Der Regelkörper weist eine Kaltwassersteuerkante und eine Warmwassersteuerkante auf, die jeweils mit entsprechenden Ventilsitzen bei spielsweise am Gehäuse der Mischbatterie bzw. einer Mischkartusche zusammenwir ken. Zudem weist der Regelkörper ein Verstellglied auf, bei dem es sich beispielsweise um ein Wachselement oder ein Bimetall handelt. Außerdem ist dem Regelkörper eine Rückstelleinrichtung als Teil der sanitären Mischbatterie zugeordnet, die wiederum ein Rückstellfederelement aufweist. Das Rückstellfederelement wirkt beim Betrieb der Thermostateinrichtung mit dem Verstellglied zusammen. Dieses Zusammenwirken erfolgt dabei derart, daß beim Ausdehnen des Verstellgliedes das Rückstellfederele ment belastet wird, während es beim Zusammenziehen des Verstellgliedes entlastet wird.

In Fig. 1 ist nun die Federkennlinie 1 F = f(x) des erfindungsgemäßen Rückstellfe derelements der Thermostateinrichtung dargestellt. In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist die Federkraft F in Newton als Ordinate gegen den Federweg x in Millimetern als Ab szisse dargestellt. Im eingebauten Zustand des Rückstellfederelements ist dieses in der Mittelstellung M des Regelkörpers auf Druck belastet, nämlich mit ca. 55 N vor gespannt. Die Mittelstellung M liegt bei einem Federweg von x = 0. Bei Ausdehnung des Verstellgliedes geht die Federkennlinie 1 ausgehend von der Mittelstellung M bei x = 0 in einen Belastungsbereich A über, das Rückstellfederelement wird also gegen über der schon vorgespannten Mittelstellung M noch weiter gespannt. Beim Zusam menziehen des Verstellgliedes geht die Federkennlinie 1, ausgehend von der Mittel stellung M, in einen Entlastungsbereich B über.

Ganz wesentlich ist nun, daß die Federkennlinie 1 derart ausgebildet ist, daß die Fe derkraft F im Belastungsbereich A bei Ausdehnung des Verstellgliedes ausgehend von der Mittelstellung M degressiv sinkt. Die Werte der Federkennlinie 1 sind in Ta belle 1 angegeben.

Tabelle 1: F=f(x)

Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, schließt sich an die Grenzlage 2 bei einem Federweg von x = -0,5 mm ein Bereich mit progressiver Kennlinie an. Grundsätzlich sollte darauf ge achtet werden, daß die Grenzlagen bzw. die Spaltweite so gewählt werden, daß sich die Grenzlagen noch im degressiven Bereich der Federkennlinie 1 befinden.

Im Entlastungsbereich B hat die Federkenninie 1 ebenfalls ein degressiven Verlauf bis zum Erreichen der Grenzlage 3. Anschließend fällt die Federkennlinie 1 ab und er reicht bei einem Federweg von x₀ = 1,2 mm etwa ihren entspannten Zustand.

Weiterhin ist in Fig. 1 die örtliche Steigung C_F als Tangente an die Federkennlinie 1 dargestellt, sowie die durchschnittliche Steigung _F, die durch beide Grenzlagen 2, 3 geht.

In Fig. 2 sind die Federkennwerte C in N/mm auf der Ordinate gegen den Federweg x in mm aufgetragen. Dargestellt ist in Fig. 2 einerseits die Kurve der lokalen Feder kennwerte C_F = f(x), andererseits die Kurve der durchschnittlichen Steigung der Fe derkennlinie _F = f(x). Beide Kurven C_F = f(x) und _F = f(x) haben die Form einer Parabel. Der maximale Federkennwert C_max liegt jeweils in der Mittelstellung M und hat einen Wert von C_max = -50 N/mm. In den Grenzlagen 2, 3 sind die Federkenn werte der Kurve C_F = f(x) jeweils null. Die einzelnen Werte der Kurven C_F = f(x) und _F = f(x) sind in den folgenden Tabellen 2 und 3 angegeben.

Tabelle 2: C_F = f(x)

Tabelle 3: _F = f(x)

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Kurven sind bei einem als Metallmembrane aus gebildeten Rückstellfederelement ermittelt worden, das gleichzeitig zwischen den Zuläufen von Heiß- und Kaltwasser abdichtet.

In Fig. 3 ist die Verbesserung der Geschwindigkeit V bzw. der Genauigkeit als re lative Größe auf der Ordinate gegenüber dem Federweg x in mm aufgetragen. Hierbei stellt der Wert V = 1 den Wert eines typischen Thermostaten dar. Die Kurve V = f(x) gibt die Verbesserung der Geschwindigkeit, die Kurve = f(x) die Verbesserung der Genauigkeit jeweils bei einem bestimmten Federweg x an. Die einzelnen Werte der lokalen Verbesserung der Geschwindigkeit im Vergleich zu einem bekannten System aus Wachselement und Rückstellfeder sind durch folgende Gleichung berechnet worden:

Hierbei ist C_w die Federkonstante des Wachselementes. Der Federkennwert ist hier bei mit C_w = -100 N/mm angenommen worden.

Die Geschwindigkeit V ist maßgeblich für eine schnelle Reaktion einerseits und Oszil lationen andererseits. Oszillationen treten bei herkömmlichen Thermostateinrichtung gen bei größeren Auslenkungen auf, die bei starken Regelabweichungen vorkom men. Gerade bei größeren Auslenkungen geht aber bei der degressiven Rückstellfe der der beschriebenen Art die Geschwindigkeit V zurück.

Die lokale Verbesserung der Genauigkeit () wird ebenfalls aufgrund der vorge nannten Gleichung ermittelt, wobei jedoch _F statt C_F verwendet wird. Es ergibt sich somit folgende Gleichung:

Die ermittelten Werte bei unterschiedlichen Federwegen sind in Tabelle 4 angegeben:

Tabelle 4: V=f(x), =f(x)

Um den Durchfluß und die Genauigkeit zu verbessern, ist es auch wichtig, die Spalt weite des beispielsweise als Mischspule ausgebildeten Regelkörpers zu vergrößern. Im folgenden sind die Ergebnisse bezüglich des Durchflusses einerseits und der Ge nauigkeit und der Geschwindigkeit andererseits als Funktion der gewählten Spalt größe des Regelkörpers angegeben. Als Ausgangspunkt bzw. als Vergleichsbasis dient hierbei eine bekannte Thermostateinrichtung mit einem Regelkörper mit einem äußeren Durchmesser von D_N = 25 mm bei einer typischen Spaltweite von ± 0,3 mm.

Das Verhältnis der vergrößerten Spaltweite (S2) bei der Erfindung gegenüber der Spaltweite der bekannten Thermostateinrichtung (S1) wird mit δ bezeichnet und wie folgt berechnet:

Die lokalen spaltbeeinflußten Verbesserungen der Geschwindigkeit (R) und der Ge nauigkeit () vermindern sich durch den Faktor δ und werden wie folgt berechnet:

bzw.

Eine Verbesserung der Durchflußrate ergibt sich durch Vergrößerung der Spaltweite. Verglichen mit einer bekannten Thermostateinrichtung mit einem Regelkörper mit ei nem äußeren Durchmesser D_N = 25 mm arbeitet die erfindungsgemäße Thermostat einrichtung mit einem als Metallmembrane ausgebildeten Rückstellfederelement mit einem kleineren Durchmesser von D_N = 22 mm des Regelkörpers. Das Verhältnis die ser beiden Außendurchmesser ergibt sich zu

Mit einer Vergrößerung der Spaltweite wird die Verbesserung des Durchflusses v mit folgender Gleichung berechnet:

In Tabelle 5 sind nun die Ergebnisse für unterschiedliche Spaltweiten angegeben:

Tabelle 5

Wie sich aus der Tabelle 5 ergibt, ist es beispielsweise möglich, bei Erhöhung der Spaltweite S von 0,3 mm auf 0,45 mm folgende Verbesserungen zu erreichen:
+ 50% Spaltgröße
+ 32% Durchfluß
+ 33% Geschwindigkeit und Genauigkeit im Bereich der Mittelstellung.
+ 21% Stabilität gegen Oszillationen.

Dies ergibt sich aus der Geschwindigkeit einer normalen Thermostateinrichtung mit V = 1 im Verhältnis zu dem Beispiel mit V = 0,82.

Es kann somit festgestellt werden, daß sich durch die Erfindung grundsätzlich in jeg licher Richtung, nämlich Spaltgröße des Regelkörpers, Durchflußmenge, Geschwin digkeit, Genauigkeit und Außendurchmesser des Regelkörpers, ohne weiteres je nach Wunsch Optimierungen vornehmen lassen.

Claims

1. Thermostateinrichtung für eine sanitäre Mischbatterie, mit einem ein Verstellglied aufweisenden, zwischen zwei Grenzlagen (2, 3) bewegbaren Regelkörper und einem mit dem Verstellglied zusammenwirkenden Rückstellfederelement, wobei das Rück stellfederelement im eingebauten Zustand in der Mittelstellung (M) des Regelkörpers auf Druck (oder auf Zug) belastet ist und wobei die Federkennlinie des Rückstellfe derelements ausgehend von der Mittelstellung (M) bei Ausdehnung des Verstellglie des in einen Belastungsbereich (A) und bei Zusammenziehung des Verstellgliedes in einen Entlastungsbereich (B) übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder kennlinie (1) des Rückstellfederelements derart ausgebildet ist, daß die Federkraft (F) im Belastungsbereich (A) bei Ausdehnung des Verstellgliedes ausgehend von der Mittelstellung (M) in Richtung auf die Grenzlage (2) des Belastungsbereichs (A) zunächst zumindest nicht ansteigt.

2. Thermostateinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder kraft (F) des Rückstellelements bei Ausdehnung des Verstellgliedes ausgehend von der Mittelstellung (M) im Belastungsbereich (A) zunächst sinkt.

3. Thermostateinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Federkraft (F) des Rückstellfederelements bei Ausdehnung des Verstellgliedes ausgehend von der Mittelstellung (M) im Belastungsbereich (A) de gressiv sinkt.

4. Thermostateinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Degressivität im Bereich der Mittelstellung (M) am größten ist.

5. Thermostateinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der Federkennwert (C) des Rückstellfederelements in der Mittel stellung (M) negativ und betragsmäßig am größten ist und daß, vorzugsweise, der Fe derkennwert (C) in der Mittelstellung (M) etwa -50 N/mm beträgt.

6. Thermostateinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Federkennwerte (C) ausgehend von der Mittelstellung (M) über den Federweg (x) näherungsweise in Form einer Parabel ansteigen.

7. Thermostateinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Federkennwerte (C) zu den Grenzlagen (2, 3) hin positiv wer den und vorzugsweise im Bereich der Grenzlagen (2, 3) etwa null betragen.

8. Thermostateinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß als Rückstellfederelement eine Metallmembrane verwendet wird.

9. Thermostateinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Rückstellfederelement auf etwa 55 N in der Mittelstellung (M) vorgespannt ist.

10. Thermostateinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Rückstellfederelement zwischen den Zuläufen von Heiß- und Kaltwasser abdichtet.

11. Mischbatterie mit einer Thermostateinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

12. Rückstellfederelement für eine Thermostateinrichtung nach einem der vorherge henden Ansprüche, mit einem oder mehreren der kennzeichnenden Merkmale der An sprüche 1 bis 10.