DE4037920A1 - Dosierventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Dosierventil für Labor- und Betriebsgeräte zur Regulierung der Strömungsmengen flüssiger oder gasförmiger Stoffe.

Für das definierte Dosieren und Absperren flüssiger oder gasförmiger Stoffe werden häufig körperlich getrennte und in ihrer Ausführung unterschiedlich gestaltete Armaturen verwendet, sogenannte Dosierventile und Absperrhähne.

Die Dosierung der das Ventil passierenden Strömungsgemenge der Stoffe erfolgt durch eine Veränderung des den Durchfluß des Stoffes ermöglichenden Querschnitts innerhalb des Ventilkörpers, der Ventilkammer. Veränderungen dieses Querschnitts in der Ventilkammer werden vor allem durch kegel- oder keilförmige Ventilelemente und deren Relativverschiebung, hervorgerufen durch Translations- oder Rotationsbewegung übertragende, die Verschiebung der Ventilelemente bewirkende, Verstellelemente ermöglicht. Die Strömungsmenge wird dabei zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert in Abhängigkeit vom Durchflußquerschnitt kontinuierlich und richtungsunabhängig geregelt, da der Bewegungsablauf der den Strömungsquerschnitt und damit die Strömungsmenge verändernden Ventilelemente kontinuierlich erfolgt und je nach Anspruch an die Feinfühligkeit der Strömungsmengenregelung auch mittels Präzisionsverstellelementen, wie beispielsweise Differentialschraubtrieben, realisiert wird.

Nachteil dieser technischen Lösungen ist ihr mit zunehmender Feinfühligkeit der Strömungsmengenregelung wachsender fertigungstechnischer Aufwand. Deshalb sind zur Erhöhung der Feinfühligkeit der Strömungsmengenregelung Dosierventile entwickelt worden, deren den Strömungsquerschnitt verändernde Ventilelemente durch Translations- und Rotationsbewegungen übertragende Verstellelemente gesteuert werden, wie beispielsweise in der DE-AS/20 54 638 und DD-WP 2 40 593.8 ausgewiesen. Durch die dokumentierte Überlagerung zweier Zustellgrößen der den Bewegungsablauf der Ventilelemente realisierenden Verstellelemente wird die Feinfühligkeit der Ventile über die einzelnen einstellbaren Strömungsmengenbereiche erhöht. Die Strömungsmenge des zu regelnden Medienflusses wird dabei aber allein durch die Veränderung des Strömungsquerschnitts erreicht. Die Veränderung allein des Strömungsquerschnitts zum Zwecke der Strömungsmengenregelung bedingt bei Realisierung eines größeren Strömungsmengenregelbereiches und einer höheren Ansprüchen genügenden Feinfühligkeit des Dosierventils immer noch relativ große Wege für die Relativverschiebung der den Strömungsquerschnitt verändernden Ventilelemente in der Ventilkammer. Bei höheren Anspüchen an die Feinfühligkeit der Durchflußmengenregelung vergrößert sich damit auch der Weg, der die Verschiebung der Ventilelemente bewirkenden Verstellelemente, dabei wirkt die Überbestimmtheit mechanischer Systeme einer anhaltenden, reproduzierbaren Dosierung der Strömungsmenge entgegen.

Auch machen moderne Anlagen und Technologien eine exakte Dosierung flüssiger und gasförmiger Stoffe über einen großen Strömungsmengenbereich bei höheren Ansprüchen genügender Feinfühligkeit der Strömungsmengenregelung und der Realisierung kurzer Verstellwege der Ventilelemente aus Gründen der Verkürzung der Operationszeiten erforderlich.

Da der Strömungsquerschnitt über zwei Zustellgrößen bestimmt wird, ist ein extrem flacher Anstieg der Kennlinie der regelbaren Strömungsmenge nur über eine komplizierte geometrische Formgebung der den Strömungsquerschnitt ausbildenden Aussparungen und/oder über längere Verstellwege der die Ventilelemente betätigenden Verstellelemente, d. h. durch einen ständig komplizierter werdenden mechanischen Aufbau des Ventils zu erreichen.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Dosierventils, das bei höheren Ansprüchen genügender Feinfühligkeit der Strömungsmengenregelung kurze Verstellwege der den Bewegungsablauf der Ventilelemente realisierenden Verstellelemente gewährleistet.

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein Dosierventil zu schaffen, dessen die Strömungsmenge veränderndes Ventilelement mehrere die Strömungsmenge beeinflussende Größen gleichzeitig verändert.

Diese Aufgabe wird durch das Dosierventil mit einem hohlzylinderförmigen, die Ventilkammer mit dem Ventilsitz, zwei Öffnungen, eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung aufweisend, umgebenden Ventilgehäuse, das einerseits durch einen Verstellmechanismus für das in den Ventilsitz eingepaßte Ventilelement und andererseits durch die Wandung begrenzt ist und das Ventilelement mit der Einlaßöffnung korrespondiert, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zylinderförmige Ventilelement mit seiner Zylinderachse senkrecht zur Einlaßöffnung angeordnet und entlang mindestens eines Teils des der Auslaßöffnung zugewandten Teils des zylinderförmigen Körpers des Ventilelements eine die Richtung des Medienstromes bezüglich der durch die Ventilkammer vorgegebenen Richtung des Medienstromes verändernde, in Richtung der Auslaßöffnung den Medienstrom stets freigebende Materialaussparung aufweist und dabei der verbleibende Teil der Mantelfläche des zylinderförmigen Ventilelements entlang jeder Radiuslinie der Zylinderachse im wesentlichen größer als die Oberfläche der Einlaßöffnung ist und der Verstellweg des Ventilelements über der Einlaßöffnung mindestens die Länge der richtungsändernden Aussparung entlang der Zylinderachse des Ventilelements aufweist.

Die Erfindung soll anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung näher erläutert werden. Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung und dessen Wirkmechanismus ist in Fig. 1-4 der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt die

Fig. 1 den Querschnitt des Dosierventils

Fig. 2 die Veränderung des Strömungsquerschnitts durch die Translationsbewegung des Ventilelements

Fig. 3 die Veränderung des Strömungsquerschnitts durch die Rotationsbewegung des Ventilelements

Fig. 4 die Regelungscharakteristik des Dosierventils.

Ein hohlzylinderförmiger Ventilkörper 1, in seinem Inneren einen Ventilsitz 2 für ein bewegbares Ventilelement 3 aufweisend, ist einerseits begrenzt durch ein mit dem Ventilelement 3 verbundenes Verstellelement 4, das als Schraubtrieb ausgebildet ist. Andererseits ist der hohlzylinderförmige Ventilkörper 1 begrenzt durch eine Wandung 5, die eine Austrittsöffnung 6 für das dosierte Medium enthält. Senkrecht zur Zylinderachse des hohlzylinderförmigen Ventilkörpers 1 ist eine Einlaßöffnung 7 für den Eintritt des zu dosierenden Mediums in den Ventilkörper 1, eingebracht. Die Einlaßöffnung 7 ist dabei Bestandteil des Ventilsitzes 2, der die Ventilkammer 8 ausbildet. Das mit dem Schraubtrieb 4 verbundene zylinderförmige Ventilelement 3 weist an der dem Schraubtrieb 4 abgewandten Seite eine zylinderhufförmige Ausnehmung 9 auf.

Diese Ausnehmung 9 des Ventilelements 3 führt beim Überragen der Einlaßöffnung 7 zu einer Veränderung der Richtung des zu dosierenden Medienstromes. Der Schraubtrieb 4, eine Überlagerung der Rotations- und Translationsbewegung bewirkend, realisiert dabei eine Verschiebung des Ventilelements 3, so daß die Ausnehmung 9 über ihre gesamte Länge mit der Einlaßöffnung 7 korrespondiert.

Die Dosierung eines die Verstellkammer 8 durchströmenden Mediums wird dabei sowohl durch eine Überdeckung bzw. Freigabe der Fläche der Einlaßöffnung 7 gemäß Fig. 2 und 3 als auch durch die Änderung der Strömungsrichtung des die Einlaßöffnung 7 verlassenden Mediums erreicht.

Bei der Bewegung des Schraubentriebes 4 zum Zwecke der Dosierung eines die Ventilkammer 3 durchströmenden Mediums wird der Strömungsquerschnitt durch eine Überdeckung bzw. Freigabe der Fläche der Einlaßöffnung 7 gemäß Fig. 2 und 3, sowohl durch die Translationsbewegung des Ventilelements 3 als auch durch die Rotationsbewegung des Ventilelements 3 variiert. Die Überlagerung beider Bewegungen führt zu dem in Fig. 4 dargestellten Kurvenverlauf.

Die Translationsbewegung des Ventilelements 3 regelt die Strömungsmenge von einem Medium A, hervorgerufen durch das vollständige Schließen der die Einlaßöffnung 7 in der Ventilkammer 8 ausbildenden Fläche durch die Mantelfläche des Ventilelements 3 vor Beginn der zylinderhufförmigen Ausnehmung 9 bis zu einem Strömungsmaximum B, hervorgerufen durch die vollständige Freigabe des Weges für das strömende Medium zwischen Einlaß 7 und Auslaß 6 durch das Ventilelement 3. Die dabei durch die Translationsbewegung sich ergebende Kurve der Regelungscharakteristik des Dosierventils wird bestimmt durch die Form und den Querschnitt der Einlaßöffnung 7, die Form der Materialaussparung des Ventilelements und dem Betrag der Verschiebung.

Da die Translationsbewegung über das Gewinde des Verstellelements 4 durch eine Rotationsbewegung verursacht wird, ist dieser Kurve in Abschnitten =360° je eine weitere, halbwellenförmigen Kurve, der Länge 2 überlagert. Damit ist erreicht, daß die dem Verlauf der Kurve entsprechend dosierte Strömungsmenge eines Kurvenabschnittes der Länge =360° durch die Rotationsbewegung einer nochmaligen Dosierung unterzogen wird. Dadurch wird die Feinfühligkeit der Dosierung wesentlich erhöht. Verursacht wird diese wesentlich höhere Feinfühligkeit der Dosierung durch eine Veränderung des Querschnitts der Einlaßöffnung 7 mittels der Materialaussparung des Ventilelements 9 und einer damit einhergehenden Veränderung des Querschnitts der Einlaßöffnung 7 durch die verbleibende Mantelfläche des zylinderförmigen Ventilelements 3 bei der Rotationsbewegung. Die halbwellenförmige Regelungscharakteristik bedingt zusätzlich noch eine feinfühligere Strömungsmegenregelung im Bereich des Strömungsmaximums eines Abschnittes =360°.

Im Bereich des Strömungsmaximums jeder der halbwellenförmigen Kurven verringert sich der Anstieg der Kurve, das heißt mit zunehmender, durch die Halbwelle repräsentierter Durchflußmenge, innerhalb eines Abschnittes =360° wird bei gleichgroßem Drehwinkel des Verstellelements 4 die durch die Dosierung realisierte Volumendifferenz geringer.

Die maximale Richtungsänderung des Medienstromes, zwischen Einlaßöffnung und Auslaßöffnung des Ventils, die durch die Lage der Materialaussparung des Ventilelementes zur Einlaßöffnung verursacht wird, deckt sich mit dem Strömungsmaximum innerhalb eines Abschnittes =360°. In dieser Stellung des Ventilelements wird deshalb die Durchflußmenge des strömenden Mediums nicht nur ausschließlich von der Größe des freigegebenden Querschnitts der Einlaßöffnung bestimmt, sondern auch maximal durch die dämpfende Wirkung der Umlenkung des Medienstromes innerhalb des Ventilraumes. Die dämpfende Wirkung der Richtungsänderung des Medienstromes ist dabei abhängig von der Lage der Materialaussparung des Ventilelements zur Einlaßöffnung und verändert sich innerhalb des Regelbereiches mit der Drehung des Ventilelements um 2 kontinuierlich.

Der Anstieg der halbwellenförmigen Kurve vom Minimum zum Maximum verursacht durch eine Drehung des Ventilelements 3 von =0°-180° und der Abfall der halbwellenförmigen Kurve vom Maximum zum Minimum verursacht durch eine Drehbewegung des Ventilelements 3 von =180°-360°, weisen verschiedene Steigungswinkel = auf. Somit ergibt sich bei der Strömungsmengenregelung in einem Bereich einer Drehung von =(0-360°) · k; (k=1,2,3, . . .) eine unterschiedliche Feinfühligkeit des Ventils hinsichtlich der Dosierung der gleichen Strömungsmenge.

Claims (1)

1. Dosierventil mit einem hohlzylinderförmigen, die Ventilkammer mit dem Ventilsitz, zwei Öffnungen, eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung aufweisend, umgebenden Ventilgehäuse, das einerseits durch einen Verstellmechanismus für das in den Ventilsitz eingepaßte, über einen Freiheitsgrad der Translation und einen Freiheitsgrad der Rotation verfügende Ventilelement und andererseits durch die Wandung begrenzt ist und das Ventilelement mit der Einlaßöffnung korrespondiert, dadurch gekennzeichnet, daß das zylinderförmige Ventilelement mit seiner Zylinderachse senkrecht zur Einlaßöffnung angeordnet und entlang mindestens eines Teils des der Auslaßöffnung zugewandten Teils des zylinderförmigen Körpers des Ventilelements eine die Richtung es Medienstromes bezüglich der durch die Ventilkammer vorgegebenen Richtung des Medienstromes verändernde, in Richtung der Auslaßöffnung den Medienstrom stets freigebende Materialaussparung aufweist und dabei der verbleibende Teil der Mantelfläche des zylinderförmigen Ventilelements entlang jeder Radiuslinie der Zylinderachse im wesentlichen größer als die Oberfläche der Einlaßöffnung ist und der Verstellweg des Ventils über der Einlaßöffnung mindestens die Länge der richtungsändernden Aussparung entlang der Zylinderachse des Ventilelements aufweist.