Es sind verschiedene Vorrichtungen zur Steuerung des Abflusses einer Flüssigkeit aus einer Druckquelle bekannt. Solche Vorrichtungen ,,erden beispielsweise dazu benutzt, den Fliissig keitszufluss zu einem Behälter. z.B. zu einem Wasserbehälter.
zu regulieren. so dass in diesem stets ein gleiches vorbestimmtes Niveau bestehen bleibt.
Es ist bekannt. die Aufrechterhaltung eines gleichen Niveaus in einem Behälter dadurch zu sichern. dass man ein sogenanntes Schwimmerventil anwendet. bei welchem eine Kugel auf der Flüssigkeit des Behälters schwimmt, wobei ein Arm, an dessen Ende die Kugel befestigt ist, mit einem Ventilelement verbunden ist, welches in der Zuflussieitung sitzt. Die Anordnung ist dabei so getroffen, dass dann, wenn der Schwimmer bei Erhöhung des Flüssigkeitsniveaus hochgehoben wird. das Ventilelement in die Schliessstellung geht und umgekehrt.
Bei derartigen Vorrichtungen ergibt sich das Problem, dass die Kraft. die zur Betätigung des Ventilelements eines solchen Ventils gebraucht wird, von dem angehobenen Schwimmer gegen den Flüssigkeitsdruck in der Leitung aufgebracht werden muss. Aus diesem Grunde müssen daher der Schwimmerdurchmesser und die Länge des Armes. der den Schwimmer trägt, so gewählt werden. dass der Schwimmer genügend Hebemoment aufbringt. um das Ventilelement gegen den Flüssigkeitsdruck zu bewegen. Die hierbei gebrauchten verhältnismässig grossen Dimensionen erhöhen die Kosten, und dort. wo es sich bei der Flüssigkeit um Trinkwasser handelt, müssen Messingteile verwendet werden. die bekanntlich sehr teuer sind. Wenn man z.B. die Abmessungen des Schwimmers entsprechend vermindert. so wird man die Länge des Armes erhöhen müssen.
wodurch dann der Weg, den sich der Schwimmer zwischen voller Öffnung und voller Schliessung des Ventils bewegen muss, entsprechend proportional ansteigt. Es wird sich dabei ergeben. dass das Ventil beinahe geschlossen ist, wenn sich das Flüssigkeitsniveau dem vorbestimmten gewünschten Niveau nähert. Das Ergebnis einer solchen Einrichtung ist dann, dass unerwünschte Geräusche auftreten werden. wenn die Strömung gedrosselt wird. d.h. also, wenn das Ventil nicht ganz geschlossen wird. Es wird bei einer solchen Einrichtung auch die Zeit, die gebraucht wird, um einen Behälter zu füllen, unverhältnismässig ansteigen.
Es sind daher schon verschiedene Vorrichtungen zur Steuerung des Durchflusses einer Flüssigkeit, die in einen Behälter gedrückt wird, konstruiert worden, bei denen verhältnismässig geringe Kräfte zur Betätigung gebraucht werden, so dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden.
Solche bekannte Vorrichturigen besitzen ein Steuerventil mit einem Ventilelement in Form einer Scheibe, die mit Hilfe einer elastischen Membran gehalten ist und mit dieser zusammen eine bewegliche Trennwand zwischen der Ventilkammer und einer Unterkammer bildet. Die Unterkammer ist iiber eine Bohrung mit dem Einlass verbunden, und sie ist mit einem Schaltventil versehen, das den Flüssigkeitsdruck in der Unterkammer steuert, welcher Flüssigkeitsdruck seinerseits das Ventilelement betätigt.
Bei einer solchen Vorrichtung ist der Vorteil gegeben, dass man nur verhältnismässig geringe Kräfte aufwenden muss, um das Steuerventil zu betätigen, wobei der Flüssigkeitsdruck zu dieser Betätigung herangezogen wird. Der Schwimmer und die damit zusammenhängenden Teile können daher wesentlich kleinere Abmessungen haben.
Der besondere Vorteil einer solchen Vorrichtung besteht vor allen Dingen darin, dass die Kosten des Betätigungsmechanismus ganz beachtlich gesenkt werden können, denn der Schwimmer kann klein und leicht ausgeführt werden, und dementsprechend ist auch der Arm, der den Schwimmer trägt, entsprechend leicht auszuführen. Das führt dazu, dass alle Messingteile, die sonst gebraucht a urden, durch Kunststoffteile ersetzt werden können. die wesentlich billiger sind. Bei der Vorrichtung bedarf es auch für den Schwimmer nur eines verhältnismiissig kleinen Weges, um das Schaltventil zu betätigen. Auf diese Art und Weise hat man die Möglichkeit geschaffen, dass man einen ungeschmälerten Zufluss der Flüssigkeit in den Behälter für eine lange Zeit aufrechterhält.
ohne dass das Steuerventil zu sehliessen beginnt Dadurch wird erreicht, dass der Zeitraum. in welchem der Zufluss gedrosselt wird, auf ein Minimum herabgesetzt wird, so dass die Vorrichtung wesentlich mhiger arbeitet und der Behälter viel schneller gefiillt wird.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung des Ahflusses einer Flüssigkeit aus einer Druckquelle. mit einem Steuerventil. das einen mit der Druckquelle verbundenen Einlass, einen Auslass, eine den Einlass mit dem Auslass verbindende Ventilkammer und ein Ventilelement aufweist, welches zwischen Stellungen, in denen der Auslass gegenüber dem Einlass offen und geschlossen ist, bewegbar ist und welches eine in der Ventilkammer mit Hilfe einer elastischen ringförmigen Membran bewegbar montierte Scheibe ist, wobei das Ventilelement und die Membran zusammen eine bewegliche Trennwand zwischen der Ventilkammer und einer Unterkammer bilden,
die mit dem Einlass über eine mit einem Absperrorgan versehene Bohrung verbunden ist und mit einem Schaltventil versehen ist, das den Flüssigkeitsdruck in der Unterkammer steuert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, dafiir zu sorgen, dass das Ventilelement das Steuerventil mit einer geregelten Geschwindigkeit schliesst, um Druckstösse oder Schläge in der Druckquelle, z.B. einer Leitung, zu vermeiden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass der Ventilkammer eine ringförmige Ventilfläche aufweist, gegen die das Ventilelement in der Schliessstellung stösst, dass ein mit Öffnungen versehenes Drosselglied auf dem Ventilelement mittig zur Ventilfläche des Auslasses und bezüglich des Ventilelements axial bewegbar getragen ist, und dass das Drosselglied die Ventilfläche berührt.
wenn das Ventilelement sich der Schliessstellung nähert, so dass der Abfluss durch den Auslass herabgesetzt wird, ehe dieser durch das Ventilelement geschlossen wird.
Da das Ventilelement zusammen mit der Membran eine Trennung der Ventilkammer von der Unterkammer darstellt, wird die Geschwindigkeit, mit der das Ventil schliesst, von der Differenz der Flüssigkeitsdrücke in den beiden Kammern.
Diese Differenz der Drücke ist ihrerseits abhängig von der Grösse der mit dem Absperrorgan versehenen Bohrung, welche die Geschwindigkeit des Druckanstieges in der Unterkammer steuert, wenn das Schaltventil geschlossen wird, und sie hängt ferner auch davon ab, welche Flüssigkeitsmenge durch den Auslass abfliesst.
Wenn das mit Öffnungen versehene Drosselglied weggelassen würde, dann würde, wie in der Praxis festgestellt werden kann, ein sehr rasches Schliessen erfolgen, so dass unerwünschte Schläge und Stösse in die Druckquelle, z.B. Versorgungsleitung, gelangen könnten. Dies ergibt sich aus dem Wechsel des Druckes in der Ventilkammer und den daraus sich ergebenden Veränderungen in der Form der Membran, denen gemäss sich die Scheibe der Ventilfläche nähert. Es konnte festgestellt werden, dass dann, wenn man das Drosselglied weglässt, die Durchflussmenge vom Einlass zum Auslass eine maximale ist, die lediglich durch die Durchmesser von Einlass und Auslass bestimmt wird, solange das Verhältnis dIR gleich oder grösser als 0,4 ist, wobei in dieser Formel d der Abstand der Scheibe von der Ventilfläche und R der Radius der letzteren ist.
Wenn die Scheibe sich der Ventilfläche nähert, wird die Durchflussmenge absinken bis ein kritischer Wert von diR von etwa 0,1 erreicht ist. Bei diesem kritischen Wert ist die Durchfluss menge ungefähr 60% des Maximums. Unterhalb dieses Wertes sind es verschiedene Faktoren, die die Scheibe zu einem sehr raschen Schliessen veranlassen, so dass plötzliche Stösse und Schläge daraus resultieren können. Die Membran wird in der Nähe des kriüschen Wertes in die Unterkammer hineingebogen, und wenn das Flüssigkeitsvolumen in der Unterkammer während einer kurzen Zeit gleich bleibt, wird der Druck darin ansteigen und die Scheibe veranlassen, sich wesentlich rascher gegen die Ventilfläche zu bewegen und so den Durchfluss abzusperren.
Dazu kommt, dass der Venturieffekt, der durch den Durchgang der Flüssigkeit zwischen der Scheibe und der Venflllläche auftritt, die Scheibe in Richtung auf die Schliessstellung zieht, und zwar mit ansteigenden Kräften in dem gleichen Masse, wie der Durchfluss vermindert wird.
Indem man das mit Öffnungen versehene Drosselglied anwendet, können diese unerwünschten Effekte völlig ausgeschaltet werden. Das Drosselglied wird mit der Ventilfläche in Berührung gebracht, wenn sich die Scheibe ihr nähert, und vermindert damit die Druchflussmenge durch das Ventil, so dass die abschliessende Scheibenbewegung, um den Auslass zu schliessen, durch die Flüssigkeit bestimmt wird, die durch die mit dem Absperrorgan versehene Bohrung in die Unterkammer fliesst. Das Drosselglied sorgt auch für einen gewissen Rückdruck auf die Scheibe, der dem Druckabfall im Auslass entgegenwirkt.
Es wurde ferner festgestellt, dass dann, wenn die Flüssigkeit Wasser ist, der Durchmesser der mit dem Absperrorgan versehenen Bohrung nur so gering zu sein braucht, dass dort eine Blockierung durch im Wasser schwebende kleine Teilchen möglich ist. Diese Gefahr kann durch die besondere Anordnung eines kegelig ausgebildeten Absperrorgans ausgeschaltet werden, das in der Bohrung beweglich sitzt. Dabei bietet die Bewegung dieses Absperrorgans in der Bohrung eine Möglichkeit der selbsttätigen Reinigung, falls sich tatsächlich Teilchen dort festgesetzt haben sollten.
Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen, in schematischen Skizzen:
Figur 1 einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel,
Figur 2 die Vorrichtung eingebaut in einen Wasserbehälter, in schaubildlicher Darstellung, und
Figur 3 eine Ansicht nach der Linie A-A in Figur 1.
Wie aus Figur 1 zu ersehen, ist ein Rohrkörper 1 mit einer Kappe 2 abgeschlossen. Der Rohrkörper 1 bildet auch die Ventilkammer VC und besitzt einen Einlass 3 und einen Auslass 4, der soweit vorgezogen ist, dass er einen zentralen zylindrischen Durchgang 4a bildet (siehe auch Figur 3). Der Rohrkörper kann aus Kunststoffmaterial, wie z.B. Kemetal , bestehen, kann aber auch aus Metall, Keramik oder thermoplastischen oder duroplastischen Werkstoffen hergestellt sein.
Die Kappe 2 nimmt eine Unterkammer SC auf und ist mit einem Schaltventil ausgestattet, welches aufgebaut ist aus einem Auslassrohr 5 mit vermindertem Durchmesser einem Verschlussstück 6, welches mit Hilfe eines Zapfens 7 an der Kappe 2 schwenkbar gelagert ist und welches mit Hilfe eines Schwimmers 8 bewegt wird, der auf dem Verschlussstück mit Hilfe eines Armes 9 gehalten ist. Ein Dichtungspolster aus Neopren -Gummi ist in einer entsprechenden Bohrung des Verschlussstückes 6 eingesetzt und dichtet das Auslassrohr 5 dann ab, wenn der Schwimmer 8 steigt, d.h. also dann, wenn der Arm 9 sich entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt (Siehe Figur 1).
Die Ventilkammer VC ist von der Unterkammer SC durch ein Ventilelement getrennt, welches eine kreisrunde Membran 10 aus Neopren ist, die im Zentrum durch einen Messingeinsatz 11 verstärkt ist. Die Membran 10 ist an ihrem Umfang durch eine Versteifungsrippe 10a verstärkt, die in einer entsprechend ausgebildeten Rille la des Rohrkörpers 1 aufge nommen und dort mit Hilfe einer ringförmigen Rippe 2b der
Kappe 2 festgehalten wird, wenn diese mit Hilfe von vier sich selbst einschneidenden Schrauben 2c festgelegt wird.
Die Membran 10 weist einen elastischen, ringförmigen Teil 1 Ob und einen versteiften mittleren Scheibenteil 10c auf. Ein ringförmiges mit öffnungen versehens Drosselglied 12 ist mit
Hilfe eines Zapfens 13 in einer solchen Art und Weise angebracht, dass begrenzte Axialbewegungen bezüglich des
Mittelteils 10c möglich sind.
Wie aus Figur 1 ersehen werden kann, sind der Scheibenteil
10c und das Drosselglied 12 zentral zu dem zylindrischen
Durchgang 4a angeordnet und können bei entsprechender
Biegung des ringförmigen Teils 10b mit der Ventilsfläche 4b in
Berührung gebracht werden, die am Ende des Durchganges 4a vorhanden ist, um so diese zu verschliessen. In der Zeichnung ist die Membran in vollen Linien in einer teilweise geschlosse nen Stellung eingezeichnet, während in gestrichelten Linien die offene Stellung dargestellt ist. Eine Bohrung 14 zwischen der
Ventilkammer VC und der Unterkammer SC ist in dem
Scheibenteil 10c vorgesehen und ein besonders geformter kegeliger Stift 15, der an einer Wand des Rohrkörpers 1 angeformt ist, entstreckt sich mittig durch diese Bohrung und bestimmt auf diese Art die Abmessungen des ringförmigen
Durchgangs in dieser Bohrung.
Die besondere Form dieses
Stiftes 15 soll nachstehend noch besprochen werden.Es ist jedoch festzuhalten, dass die Abmessungen der Bohrung 14 geringer sind als die Abmessungen des Auslassrohres 5.
Die Vorrichtung wird z.B. in der Wandung 16 eines Flüssig keitsbehälters angebracht (siehe Figur 2), durch welche der
Einlass 3 hindurchgeführt wird, wobei die Einlassleitung mit einer Versorgungspumpe (die nicht dargestellt ist) verbunden wird. Die Vorrichtung wird so eingebaut, dass der Auslass 4 in
Richtung auf den Boden des Behälters zeigt; der Schwimmer 8 hängt nach abwärts und wird den Arm 9 in Richtung des Uhr zeigersinnes bewegen, wie den Figuren 1 und 2 entnommen werden kann, wobei dann das Auslassrohr 5 geöffnet wird.
Wenn also Wasser mit Hilfe der Versorgungspumpe zugeführt wird, wird der Druck, der auf den ringförmigen elastischen Teil
10b der Membran einwirkt, den Scheibenteil 10c von der
Ventilfläche 4b weg bewegen, so dass das Wasser durch den
Auslass 4 in den Behälter fliessen kann. Wasser wird auch durch die Bohrung 14 in die Unterkammer SC eintreten, aber der Druck in dieser Kammer bleibt gering, wenn das Auslass rohr 5 offen ist und das Wasser aus der Unterkammer SC in den
Behälter ausfliesst. Wenn das Wasser in dem Behälter ansteigt und das Niveau des Schwimmers 8 erreicht, beginnt dieser zu schwimmen und wird von dem steigenden Wasser angehoben, so dass der Arm 9 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird (Figur 1), so dass dann, wenn der Spiegel des Wassers ein vor bestimmtes Niveau erreicht, die Dichtung im Verschlussstück 6 das Auslassrohr 5 abschliesst.
Der Verschluss des Auslassrohres 5 erhöht den Druck in der
Unterkammer SC in einem Masse, welches durch den Quer schnitt der Bohrung 14 gegeben ist, und wenn dieser Druck ansteigt, wird die Membran 10 nach links bewegt (siehe Figur
1), so dass der Auslass 4 verschlossen wird.
Für den Fall, dass der Wasserspiegel in dem Behälter fällt, wird der Schwimmer nach unten gehen und damit das Auslass rohr 5 öffnen. In dem Augenblick, wo das Auslassrohr 5 geöffnet wird, wird der Druck in der Unterkammer CS fallen, da das Wasser leichter aus dieser Kammer austreten kann als es durch die Bohrung 14 eintritt. Wenn der Druck in der Unter kammer SC abfällt, wird der Flüssigkeitsdruck im Einlass die
Membran 10 anheben, wodurch ein völlig freier Druchfluss für die Flüssigkeit in den Behälter durch den Auslass 4 gegeben ist.
Diese Durchflussmöglichkeit bleibt so lange offen, bis das Wasser in dem Behälter wieder den Schwimmer 8 anhebt und dabei den Auslass 5 schliesst, so dass die Membran 10 wieder gegen den Auslass 4 gepresst wird und ihn absehliesst.
Die Geschwindigkeit der Bewegung der Membran 10 wird durch die relativen Kräfte bestimmt, die auf den beiden gegen überliegenden Seiten der Membran 10 angreifen. Wenn diese in der Schliessstellung ist. dann ist der Druck, der auf jeder Seite der Membran angreift, etwa derselbe, aber die Flächen, auf welche dieser Druck einwirkt, sind verschieden. Die Kraft, die auf die Membran in Öffnungsrichtung wirkt, ist durch die Fläche bestimmt. die dem Einlassdruck ausgesetzt ist, das ist jene ringförmige Fläche der Membran ausserhalb der Ventilfläche. Die Kraft jedoch. die auf die Membran in Schliessrichtung wirkt, wird durch die gesamte Membranfläche bestimmt.
Wenn die Membran ganz offen ist. ist sie dem Druck des Wassers auf der ganzen Fläche an beiden Seiten ausgesetzt, wobei die Druckkraft. die auf den Scheiben teil 10c in der Öffnungsrichtung einwirkt, durch den Rückdruck bestimmt wird, der im Auslass 4 vorhanden ist. Zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung ist die Fläche, die der Unterkammer SC zugewandt ist und die für das Schliessen der Membran zur Verfügung steht, ungefähr konstant, während die Fläche, die in der Ventilkammer VC dem Wasserdruck ausgesetzt ist, effektiv einer Verminderung unterliegt, wenn sich die Membran der geschlossenen Stellung nähert und der Rückdruck im Auslass 4 sich vermindert.
Dies, im Zusammenhang mit den vorher besprochenen Faktoren. führt dazu, dass ein sehr schneller Verschluss der Membran 10 herbeigefiihrt wird, was den unerwünschten schlagartigen Verschluss zur Folge hat. Das Drosselglied 12 vermeidet einen solchen schlagartigen Verschluss.
Das Drosselglied 12 ist hohl und kegelig ausgebildet und mit einem ringförmigen Sitzrand 12a versehen, der dazu dient auf der Ventilfläche 4b in einer Ausfalzung aufzusitzen. Das Drosselglied 12 ist mit vier Durchbohrungen 12c versehen und kann axial auf dem ihn tragenden Zapfen 13 bewegt werden, so dass, wenn die Membran 10 geschlossen wird, die erste Berührung zwischen der Ventilfläche 4b und der Sitzfläche 12a des Drosselgliedes 12 gegeben ist, während der hohle kegelige Körper des Drosselgliedes von dem Auslass 4 aufgenommen wird.
Wenn sich die Membran 10 der Ventilfläche 4b annähert, wie in Figur 1 gezeigt, kommt das Drosselglied 12 zuerst mit der Ventilfläche 4b in Berührung und wird daher die Durchflussmenge durch den Auslass 4 herabsetzen, wobei diese Verminderung durch die Abmessungen der Öffnungen 12c bestimmt wird. Das Wasser, welches sich im Auslass radial bewegt, fliesst durch den Spalt zwischen der Membran und dem Drosselglied und erzeugt während der letzten Phase des Schliessvorganges einen Rückdruck, der gegen die schliessende Membran wirkt, sobald das Drosselglied zur Ruhe kommt, wodurch in der kritischen Zeit der Schliessbewegung eine gewisse Polsterung der Bewegung der Membran gegeben ist.
Wenn die Membran offen ist, wird die kegelige Oberfläche des Drosselgliedes 12dafür sorgen,dass dieses gegen die Oberfläche der Membran gedrückt wird, wenn das Wasser durch den Auslass fliesst, und das Drosselglied wird dann auf diese Art dem Fluss des Wassers durch das Ventil keinerlei Widerstand entgegensetzen.
In Figur 1 ist auch die Form des Steuerstiftes 15 gezeigt.
Dieser Stift 15 ist so abgeschrägt, dass dann, wenn die Membran 10 sich der Ventilfläche 4b nähert, die Durchflussmenge des Wassers in die Unterkammer SC vermindert wird.
Dies führt zu einer Verlangsamung der Druckerhöhung in der Kammer und zu einer gewissen zusätzlichen Polsterung in der Schliessbewegung der Membran. Der Stift 15 sorgt auch dafür, dass irgendwelche kleine Teilchen, die in dem Wasser schweben, sich nicht in der Bohrung 14 festsetzen können.
Die beschriebene Bauform, insbesondere im Zusammenhang mit dem Drosselglied 12, ist besonders vorteilhaft zu verwenden, wenn das Wasserniveau in grossen Wasserbehäitern reguliert werden soll. Bei entsprechenden Abmessungen des Drosselgliedes kann die Vorrichtung weitgehend unempfindlich gegen die Auswirkung plötzlicher Änderungen des Niveaus gestaltet werden, wie dies z.B. bei Auftreten von Wellen in dem Behälter der Fall ist.
Es ist festzuhalten, dass das beschriebene Drosselglied und im Zusammenhang damit auch der Steuerstift 15 eine besonders vorteilhafte Möglichkeit bieten, um irgendwelche Flüssigkeitssteuerventile auszurüsten. bei denen ein Flüssigkeitsdruck dazu verwendet werden soll, das Ventilelement eines Steuerventils zu betätigen.
Selbstverständlich könnten die Betätigungsmittel eines Schaltventils auch elektromagnetisch betätigte Kolben sein oder auch Bimetallstreifen; die letzteren könnten sowohl bei einer Vorrichtung zur Steuerung des Flüssigkeitsniveaus als auch bei einem thermostatischen geregelten Steuerventil verwendet werden.