DE3326523C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelventil nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1. Regelventile dieser Art werden insbesondere in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik verwendet.

Bekannte Regelventile dieser Art weisen den Nachteil auf, daß sich die Durchflußmenge des zu regelnden Mediums in Abhängigkeit von der Druckdifferenz ändert, welche sich aus dem je­ weiligen Druck vor und nach dem Ventil ergibt. Infolge einer solchen Abhängigkeit von der Druckdifferenz ist die Regelstabilität der geregelten Anlage in Frage ge­ stellt. Um stabile Regeleigenschaften zu gewährleisten, ist es erforderlich, daß das Ventil optimal an die zu regelnde Anlage angepaßt ist, wozu die im Betrieb auftretende Druckdifferenz bekannt sein sollte. In vielen Fällen ist die Druckdifferenz jedoch von einer Reihe von Faktoren abhängig, so daß die richtige Einschätzung im voraus nicht immer möglich ist. Ferner gibt es Anlagen, in denen sich die Druckdifferenz während des Betriebes in großen Grenzen ändern kann.

Wird ein Ventil für den niedrigsten auftretenden Wert der Druckdifferenz bemessen, dann wird es zwar die volle Durchflußleistung erbringen, wird jedoch andererseits bei höheren Werten der Druckdifferenz zu groß sein. Dies deshalb, weil sich die Durchflußmenge mit dem Faktor √ erhöht. Die Folge davon ist, daß der Einfluß des vom Regler an den Stellantrieb abgegebenen Stellsignals um diesen Faktor zu groß ist. Die Folge ist eine Beein­ trächtigung der Regelfunktion.

Die bekannten Möglichkeiten für die Lösung dieses Problems bestehen darin, dem eigentlichen Regelorgan ein Differenz­ druckregelventil vorzuschalten, so daß ersteres bei einer konstanten Druckdifferenz arbeiten kann. Es sind auch Ventilkombinationen mit eingebautem Differenzdruckregel­ teil bekannt, welche über eine Druckmessung vor und nach dem Ventil und mittels eines Membran- oder Kolbensystems entsprechende Korrektureinflüsse ausüben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Regelventil der genannten Art zu schaffen, das weitgehend unabhängig von der über dem gesamten Ventil anstehenden Druckdifferenz des zu regelnden Mechanismus eine der jeweiligen Einstellung entsprechende, gleichbleibende Durchflußmenge gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merk­ male gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird vor dem Bereich des wirksamen Drosselquerschnittes eine Geschwindigkeits­ erhöhung des durchfließenden Mediums erzielt. Die Folge dieser Geschwindigkeitserhöhung ist eine Reduktion des Druckes, welcher in Öffnungsrichtung auf den Schließ­ körper einwirkt. Bei dieser Reduktion des auf den Schließ­ körper einwirkenden Drucks handelt es sich um die vom durchfließenden Medium verursachten dynamischen Kräfte. Die infolge der Druckdifferenz auftretenden statischen Kräfte werden bereits durch den Balgen kompensiert.

Die GB-OS 20 40 402 beschreibt eine Ausgleichs­ ventilanordnung für eine hydraulische Steuer­ ung zum Heben und Senken von Lasten. Bei diesem Ventil soll die Durchflußmenge durch den Drosselquerschnitt konstant ge­ halten werden, jedoch bei einer konstan­ ten Druckdifferenz über dem Drosselquerschnitt. Ein konischer Schließkörper befindet sich in einem Ventilsitz, der zunächst zylindrisch und dann ebenfalls konisch geformt ist, wobei der Durchflußquerschnitt jedoch zunimmt.

Die US-PS 42 50 915 beschreibt ein Ventil zum Begrenzen einer eingestellten Durchflußmenge. Das Ventil besitzt einen Servo-Membranantrieb, welcher mit der Druckdifferenz arbeitet, welche das durchströmende Medium an der Drossel­ stelle erzeugt.

Die GB-PS 8 36 439 zeigt eine Vorrichtung zum Regeln bzw. Begrenzen einer eingestellten Durchflußmenge ähnlich einem Doppelsitzventil. Die Betätigung erfolgt durch einen Schwebekörper im strömenden Medium.

Die US-PS 21 55 358 zeigt ein elektromagnetisch betätigtes Ventil mit Handverstellmöglichkeit und Sicherheitsrück­ stellvorrichtung für die Handverstellung, es handelt sich jedoch im Gegensatz zu den Regelventilen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung nicht um ein Ventil mit einem stetig wirkenden Elektromagneten für eine stetige Regelung.

Die DD-PS 70 762 beschreibt eine Anordnung zum Begrenzen einer Durchfluß­ menge eines gasförmigen Mediums. Die Betätigung erfolgt durch eine Prallplatte und die an dieser auftretenden Kräfte in Verbindung mit einem speziell ausgebildeten Ventilgehäuse.

Bei dem erfindungsgemäßen Regelventil wirken die auf den Schließkörper beim Öffnen des Ventils auf­ tretenden dynamischen Kräfte der Kraft des im Stellantrieb angeordneten Elektromagneten entgegen. Diese dynamischen Kräfte sind umso größer, je größer die Druckdifferenz über dem Ventil ist.

Eine Ausführungsform nach Anspruch 2 hat den Zweck, den Durchfluß bei niedrigen Werten der Druckdifferenz gegen­ über einem üblichen Ventil möglichst nicht zu reduzieren.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich eine Durchfluß-Kennlinie erzielen, die bei einer Druckdifferenz von etwa 1 bis 10 bar keine wesentliche Änderung der Durchflußmenge anzeigt.

An Hand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Magnetregelventil, teilweise im Längs­ schnitt,

Fig. 2 ein Detail nach der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 ein Durchfluß-Diagramm eines Ventils nach dem Stand der Technik,

Fig. 4 ein Durchfluß-Diagramm eines Ventils gemäß der Erfindung,

Fig. 5 ein Diagramm der Regelkennlinie des Ventils nach dem Stand der Technik und

Fig. 6 ein Diagramm der Regelkennlinie eines Ventils gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 ist auf einem Gehäuse 10 eines Durchgangs­ ventils mittels Säulen 12 ein elektromagnetischer Stell­ antrieb 14 aufgebaut. Der Stellantrieb ist ein stetiger Antrieb, der den Schließkörper 16 des Ventils gegen die Kraft einer Rückstellfeder 18 mittels eines Stößels 20 betätigt. Der Schließkörper 16 wirkt mit einem in das Ventilgehäuse 10 eingeschraubten Ventilsitz 22 zusammen.

Die Strömungsrichtung des zu drosselnden Mediums ist mit den beiden Pfeilen bezeichnet, von denen einer an der Einlaßseite 24 und der andere an der Auslaßseite 26 des Ventils dargestellt ist. An der Stellung des Schließ­ körpers 16 ist ersichtlich, daß dieser durch die Kraft der Rückstellfeder 18 gegen die Strömungsrichtung schließt. Das dem Schließkörper 16 benachbarte Ende des Stößels 20 ist von einem Balgen 28 umgeben, der einen Hohlraum 30 begrenzt. Der Hohlraum 30 ist über eine radial im hohlen Stößel 20 angeordnete Ausgleichsbohrung 32 mit der Aus­ laßseite 26 des Ventils verbunden.

In der Fig. 2 ist die Drosselstelle des Ventils mit dem Schließkörper 16 und dem Ventilsitz 22 in einem vergrö­ ßerten Maßstab dargestellt. Es ist aus dieser Figur er­ sichtlich, daß der Schließkörper 16 einen Drosselkörper 34 und einen Schließteller 36 aufweist. Die beiden letzt­ genannten Teile sind mit einer Mutter 38 auf dem Ende des Stößels 20 befestigt. Der Drosselkörper 34 weist einen in Strömungsrichtung konisch erweiterten Abschnitt 40 auf. Der Ventilsitz 22 weist im Bereich seiner Öffnung auch einen in Strömungsrichtung konisch erweiterten Abschnitt 42 auf. Die konisch erweiterten Abschnitte 40 und 42 des Drosselkörpers 34 und des Ventilsitzes 22 sind derart bemessen, daß sich bei geöffnetem Ventil zwischen dem Ventilsitz 22 und dem Drosselkörper 34 ein Ringraum 44 mit in Strömungsrichtung annähernd gleichbleibendem Querschnitt ergibt. Der sich in Strömungsrichtung verklei­ nernde Spalt des Ringraumes 44 dient als Ausgleich des in Strömungsrichtung zunehmenden Durchmessers.

Die Anströmseite 46 des Ventilsitzes 22 ist als Einström­ düse ausgebildet. Der wirksame Drosselquerschnitt des Ventilsitzes 22 befindet sich in einem Bereich 48, dessen Durchmesser größer ist als der kleinste Innendurchmesser des Ventilsitzes 22 in dem dem konisch erweiterten Abschnitt 42 in Strömungsrichtung vorgelagerten zylindrischen Ab­ schnitt 50.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise des dargestellten Ven­ tils näher erläutert. Dem stetig wirkenden elektromagne­ tischen Stellantrieb 14 wird von einem nicht dargestell­ ten Regler, beispielsweise einem Heizungs- oder Lüftungs­ regler, ein elektrisches Signal zugeführt. Der Größe dieses Signals entsprechend wird der Schließkörper 16 eine Stellung einnehmen, die im wesentlichen durch einen Gleichgewichtszustand zwischen der jeweils vom Magneten aufgebrachten Kraft und der Kraft der Rückstellfeder 18 bestimmt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel öffnet der Schließkörper 16 durch eine Abwärtsbewegung, indem sich der Schließteller 36 vom Sitz 22 entfernt. Die sich dabei jeweils ergebende Durchflußmenge V des durch das Ventil strömenden Mediums ist im wesentlichen vom jeweiligen Hub des Schließkörpers 16 abhängig.

Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, wie sich die Durchfluß­ menge V bei einem Ventil bekannter Bauart in Abhängigkeit von der über dem Ventil anstehenden Druckdifferenz Δ p _v bei einem gegebenen Stellsignal und damit einem gegebenen Hub des Schließkörpers 16 ändert. Die Druckdifferenz Δ p _v entspricht dem Druckunterschied des durch das Ventil strö­ menden Mediums zwischen der Einlaßseite 24 und der Auslaß­ seite 26. Die genannte Abhängigkeit der Durchflußmenge V von der Druckdifferenz Δ p _v ist unerwünscht, weil dadurch die Regelstabilität der geregelten Anlage erschwert wird, falls das Ventil nicht optimal für die betreffende Anlage bemessen ist oder falls in der Anlage größere Schwan­ kungen der Druckdifferenz Δ p _v auftreten.

Die Fig. 4 zeigt ein Durchfluß-Diagramm für ein Ventil der an Hand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Art. Aus diesem Durchfluß-Diagramm ist ersichtlich, daß die Durchflußmenge V unabhängig von der über dem Ventil herrschenden Druckdifferenz Δ p _v im wesentlichen konstant bleibt. Die Ursache für die konstant bleibende Durchfluß­ menge V bei einem gegebenen Stellsignal liegt in der Form­ gebung des Sitzes 22 und des Schließkörpers 16, durch welche, in Strömungsrichtung gesehen, bereits vor dem Be­ reich 48 des wirksamen Drosselquerschnittes eine Geschwin­ digkeitserhöhung des durchfließenden Mediums verursacht wird. Dadurch wird eine Reduktion des Druckes, welcher von oben auf den Schließkörper 16 einwirkt, erzeugt.

Ferner werden die auf den Schließkörper 16 infolge der über dem Ventil anstehenden Druckdifferenz Δ p _v einwir­ kenden Kräfte durch die Anordnung der Ausgleichsbohrung 32 und des Balgens 28 statisch kompensiert. In Verbindung mit der erwähnten Druckreduktion entsteht über dem Schließkörper 16 beim Öffnen des Ventils eine zusätz­ liche Kraft, welche der durch den Elektromagneten des Stellantriebes 14 aufgebrachten Kraft entgegenwirkt. Diese zusätzliche Kraft wird umso größer, je größer die Druckdifferenz Δ p _v ist.

Die Ausbildung der Anströmseite 46 des Ventilsitzes 22 als Einströmdüse bewirkt, daß der Durchfluß bei niedri­ gen Werten der Druckdifferenz Δ p _v gegenüber einem Ventil bekannter Bauart möglichst nicht reduziert wird.

Durch den konisch erweiterten Abschnitt 42 des Ventilsitzes 22 werden besonders günstige Strömungsverhältnisse er­ zielt. Eine weitere Begünstigung der Strömungsverhältnisse ergibt sich durch die beschriebene Gestaltung des Schließ­ körpers 16, dessen konisch erweiterter Abschnitt 40 ge­ meinsam mit dem konisch erweiterten Abschnitt 42 des Ven­ tilsitzes 22 den Ringraum 44 mit in Strömungsrichtung annähernd gleichbleibendem Querschnitt begrenzt.

Bei einer Abstimmung der beiden Durchmesser der Bereiche 48 und 50 des Ventilsitzes 22 sowie der äußeren Form des Schließkörpers 16 auf den zugehörigen elektromagne­ tischen Stellantrieb 14 wird ein Arbeitsverhalten des Ventils gemäß den Diagrammen in den Fig. 4 und 6 er­ zielt.

Aus der Fig. 6 geht hervor, wie sich der Hub 52 des Schließkörpers 16 bei verschiedenen Werten von Δ p _v in Abhängigkeit von dem dem Ventil zugeführten Stellsignal 54 ändert. Ein vergleichbares Diagramm für ein Ventil bekann­ ter Bauart zeigt die Fig. 5. Die einzige im Diagramm der Fig. 5 dargestellte Kurve 56 ist auf alle Werte von Δ p _v bezogen.

Durch die aus den Diagrammen der Fig. 4 und 6 ersicht­ lichen Eigenschaften erhält das erfindungsgemäße Ventil eine differenzdruckadaptive Arbeitskennlinie. Diese bewirkt, daß die Durchflußmenge im eigentlichen Arbeits­ bereich nicht von der Druckdifferenz Δ p _v , welche vor und nach dem Ventil herrscht, beeinflußt wird.

Obwohl als Ausführungsbeispiel ein Durchgangsventil ge­ wählt wurde, ist es auch denkbar, das gleiche Prinzip bei einem Dreiwegventil anzuwenden.

Claims (3)

1. Regelventil mit einem stetig wirkenden elektromagnetischen Stellantrieb (14), einem in einem Ventilgehäuse (10) angeordneten Ventilsitz (22) und einem durch den Stell­ antrieb (14) gegen die Kraft einer Rückstell­ feder (18) zum Öffnen in Strömungsrichtung betätigbaren Schließkörper (16), wobei innerhalb der Einlaßseite (24) des Ventils ein mit dem Schließkörper gekuppelter Kompensationsbalgen (28) angeordnet ist, der einen Hohlraum (30) begrenzt, welcher mit der Auslaßseite (26) des Ventils verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung jeweils nacheinander folgen:

• - ein Bereich (46) mit abnehmendem Durch­ flußquerschnitt und
• - ein von Ventilsitz (22) und Schließkörper (16) gebildeter Ringraum (44) mit gleichbleiben­ dem Durchflußquerschnitt, dessen Durchmesser zunächst kleiner ist als im Bereich des wirk­ samen Drosselquerschnitts, und sich anschließend durch konisch zunehmenden Durchmesser von Ventilsitz (22) und Schließkörper (16) auf­ weitet bis zum wirksamen Drosselquerschnitt.

2. Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bereich (46) mit abnehmendem Drosselquerschnitt als Einströmdüse ausge­ bildet ist.

3. Regelventil nach Anspruch 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schließkörper (16) zusätzlich zu dem profilierten drosselnden Körper (34) einen den wirksamen Drosselquerschnitt (48) begrenzenden Schließteller (36) aufweist.