Die Erfindung betrifft ein Konstantstrom-Ventil mit einem Gehäuse und einer elastisch deformierbaren, im Gehäuse angeordneten Blende mit einer einen Durchgang für ein Strömungsmittel, insbesondere eine Flüssigkeit, bildenden Öffnung, wobei die Blende derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie in Abhängigkeit vom Druckunterschied zwischen den beiden Öffnungsseiten deformiert wird, so dass die lichte Querschnittsfläche der Öffnung bei grossem Druckunterschied abnimmt und die pro Zeiteinheit durchströmende Strömungsmittelmenge mindestens annähernd unabhängig vom Druckunterschied ist.
Derartige Ventile werden beispielsweise in Heizapparaten verwendet. Ein vorbekanntes Ventil weist ein Gehäuse und eine in diesem befestigte Blende mit einer Öffnung auf, die einen Durchgang für die zu regelnde Flüssigkeit bildet. Wenn zwischen den beiden Seiten der Blende nur ein geringer Druckunterschied vorhanden ist, wird die Blende nicht deformiert, so dass die Öffnung ihren Querschnitt beibehält.
Wenn dagegen der Druckunterschied zwischen den beiden Blendenseiten gross ist, wird die Blende deformiert, so dass der Querschnitt der Öffnung verkleinert wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die pro Zeiteinheit durchströmende Flüssigkeitsmene näherungsweise unabhängig von der Druckdifferenz zwischen den beiden Blendenseiten ist.
Dieses vorbekannte Ventil hat jedoch den Nachteil, dass es einen relativ grossen Lärm erzeugt, und zwar insbesondere dann, wenn der Druckunterschied einen gewissen Wert übersteigt und die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend zunimmt. Dieses ist vor allem dann der Fall, wenn eine heisse Flüssigkeit durch das Ventil strömt und sich Luft- oder Dampfblasen in dieser bilden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Konstantstrom-Ventil zu schaffen, das unter allen Betriebsbedingungen nur einen geringen Lärm erzeugt.
Diese Aufgabe wird durch ein Konstantstrom-Ventil der einleitend genannten Art gelöst, das erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass im Gehäuse ein Dorn befestigt ist, der durch die Öffnung hindurchragt und mindestens in dem sich strömungsmässig nach der Öffnung befindenden Bereich einen Abschnitt aufweist, der sich in Strömungsrichtung verjüngt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Lärm beim vorbekannten Ventil weitgehend durch die Blasen erzeugt wird, die gebildet werden, wenn beim Durchströmen einer Flüssigkeit zwischen den beiden Seiten der Blende ein grosser Druckunterschied herrscht und der Druck stromabwärts der Blendenöffnung unter den Dampfdruck der Flüssigkeit absinkt. Der gemäss der Erfindung vorgesehene Dorn kann nun bei geeigneter Dimensionierung verhindern, dass der Druck auf der Austrittsseite der Blende nirgends unter den Dampfdruck absinkt. Dadurch wird auch die Bildung von Blasen weitgehend verhindert und damit die Lärmerzeugung erheblich reduziert.
Die Erfindung wird nun anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele und Diagramme erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Ventils, bei kleinem Druckunterschied auf den beiden Seiten der Blende;
Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Schnitt, jedoch bei grossem Druckunterschied und deformierter Blende;
Fig. 3 bis 7 verschiedene Varianten des Dornes des Ventils und
Fig. 8 und 9 Diagramme, die die Lärmerzeugung in Abhängigkeit des Druckunterschiedes für erfindungsgemässe Ventile im Vergleich zu vorbekannten Ventilen zeigen.
Das in der Fig. 1 dargestellte Konstantstrom-Ventil weist ein Gehäuse 1 mit einem Durchgang und eine in diesem befestigte oder zumindest gehaltene, ringförmige Blende 2 auf, deren Aussenränder dicht an der Innenfläche des Gehäuses 1 anliegen. Die Blende 2 besteht aus einem elastisch deformierbaren Material, wie natürlicher oder synthetischer Gummi, und weist eine kreisrunde Öffnung auf, die einen Durchgang für das zu regelnde Strömungsmittel bildet. Auf der sich bezüglich der Strömungsrichtung stromaufwärts der Blende 2 befindenden Seite der Blenden-Öffnung ist eine Tragplatte 3 angeordnet und fest mit dem Gehäuse 1 verbunden.
Ein rotationssymmetrischer Dorn 4 ist fest mit der Tragplatte verbunden, so dass er durch die Öffnung der Blende 2 hindurchragt und sein freies Ende sich bis in denjenigen Teil des Ventils erstreckt, der sich strömungsmässig nach der Blende 2 befindet. Mindestens der sich stromabwärts befindende Endabschnitt des Dornes verjüngt sich in Strömungsrichtung, d. h. gegen sein freies Ende hin. Der Dorn 4 verjüngt sich in Strömungsrichtung konisch, wobei sein sich stromabwärts befindendes freies Ende verrundet ist. Der Dorn 4 weist also im Bereich der Blenden-Öffnung und stromabwärts von dieser keine Kanten auf und ist stromlinienförmig ausgebildet. Die Tragplatte 3 ist mit mehreren Durchgangsöffnungen 5 versehen, die gleichmässig auf einem Teilkreis um das strömungsmässig obere Ende des Dornes 4 herum verteilt sind.
Beim Betrieb kann ein Strömungsmittel, insbesondere eine Flüssigkeit, durch die Durchgangsöffnung 5 und die Öffnung der Blende 2 hindurchströmen, wie dies durch die Pfeile 6 angedeutet ist. Die lichte Weite, d. h. der Durchmesser, der Blenden-Öffnung ist mit d bezeichnet. Der Querschnitt der Blenden-Öffnung ist also proportional zu d2. Die lichte Querschnittsfläche der Durchlassöffnung ist dann durch die Flächendifferenz des Blenden-Öffnungsquerschnitts und des pornquerschnitts bei dem sich stromaufwärts befindenden Öffnungsrand gegeben.
Die Fig. 1 zeigt die Blende für den Fall, dass der Druckunterschied zwischen dem sich strömungsmässig vor der Blenden-Öffnung und dem sich strömungsmässig nach der Blenden-Öffnung befindenden Strömungsmittel nur klein ist.
Der kleine Druckunterschied erzeugt nur eine kleine, an der Blende 2 angreifende Kraft, so dass deren lichte Weite im wesentlichen gleich ist, wie wenn kein Strömungsmittel vorhanden ist. Wenn nun der Druckunterschied zunimmt, werden die beiden radialen Endflächen der Blende mit unterschiedlichen Kräften beaufschlagt. Auf die Blende 2 wird nun eine zur Strömungsrichtung parallele Kraft ausgeübt, die die Blende 2 in der in der Fig. 2 dargestellten Weise deformiert. Die lichte Weite der Blenden-Öffnung wird nun in d' geändert, wobei d' kleiner als d ist.
Die lichte Querschnittsfläche der Blenden-Öffnung nimmt also mit zunehmendem Druckunterschied ab. Andererseits nimmt die Strömungsgeschwindigkeit in der Blenden-Öffnung mit wachsendem Druckunterschied zu. Durch geeignete Ausbildung der Blende 2 und des Dornes 4 kann erreicht werden, dass die Durchlassquerschnittsfläche ungefähr umgekehrt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Strömungsmittels ändert. Die pro Zeiteinheit durch das Ventil strömende Strömungsmittelmenge ist also mindestens annähernd konstant und unabhängig vom Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der Blende.
Der Dorn 4, der von dem sich strömungsmässig vor der Blende befindenden Bereich des Ventil-Durchganges her durch die Blenden-Öffnung hindurchragt, verhindert, dass der Druck in dem sich stromabwärts der Blenden-Öffnung befindenden Bereich des Ventil-Durchganges stark absinkt.
Dies ermöglicht, den Druck einer durchströmenden Flüssigkeit bei allen Betriebsbedingungen auf einem über dem Dampfdruck liegenden Wert zu halten. Dadurch kann die Bildung von Luft- und Dampfblasen weitgehend verhindert und die Lärmerzeugung erheblich gesenkt werden. Die strom linienförmige Ausbildung der sich in und stromabwärts der Blenden-Öffnung befindenden Dorn-Abschnitte wirkt der Bildung von Wirbeln entgegen und hemmt dadurch die Lärmentwicklung ebenfalls.
Die Fig. 3, 4, 5, 6 und 7 zeigen Varianten rotationssymmetrischer Dorne. Der in der Fig. 3 dargestellte Dorn weist auf der strömungsmässig vor der Blende befindenden Seite einen an die Tragplatte anschliessenden kegelstumpfförmigen Anfangsabschnitt auf, der sich in Strömungsrichtung verjüngt. An diesen schliesst ein zylindrischer Mittelabschnitt an. Auf diesen folgt ein sich in Strömungsrichtung konisch verjüngender Endabschnitt mit einem verrundeten, freien Ende. Die Mantellinien des konischen freien Endabschnittes bilden dabei einen kleineren Winkel mit der Kegelachse als diejenigen des kegelstumpfförmigen Anfangs abschnittes.
Der in der Fig. 4 dargestellte Dorn ist ähnlich wie der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Dorn 4 ausgebildet, ist jedoch etwas stumpfer.
Der in der Fig. 5 dargestellte Dorn weist bei der Tragplatte einen zylindrischen Anfangsabschnitt und anschliessend an diesen einen sich in Strömungsrichtung kegelförmig verjüngenden Abschnitt mit verrundetem Ende auf.
Der in der Fig. 6 dargestellte Dorn weist nach der Tragplatte einen kegelstumpfförmigen und anschliessend an diesen einen kegelförmigen, spitzen Endabschnitt auf. Beide Abschnitte verjüngen sich in Strömungsrichtung, wobei jedoch ihre Mantellinien mit der Kegelachse unterschiedliche Winkel bilden.
Der in der Fig. 7 dargestellte Dorn weist nach der Tragplatte einen zylindrischen Abschnitt auf. Auf diesen folgt ein kegelstumpfförmiger Mittelabschnitt, an den ein konischer Endabschnitt mit verrundetem, freien Ende anschliesst. Der Mittelabschnitt und der konische Endabschnitt verjüngen sich beide in Strömungsrichtung. Ihre Mantellinien bilden jedoch mit der Längsachse unterschiedliche Winkel.
Es wurden Messungen durchgeführt, um die Lärmerzeugung von erfindungsgemässen, einen Dorn aufweisenden Ventilen mit derjenigen von vorbekannten Ventilen ohne Dorn zu vergleichen. Dabei wurde ein erfindungsgemässes Ventil mit einem Dorn mit der in der Fig. 4 dargestellten Form verwendet. Das Diagramm in der Fig. 8 zeigt die Ergebnisse, die mit Ventilen mit einer konstanten Durchflussmenge von fünf Litern pro Minute bei einer Flüssigkeitstemperatur von 600 C erzielt wurden. In der Fig. 8 ist auf der Abszisse der Druckunterschied Ap in kg/cm2 zwischen den beiden Seiten der Blenden-Öffnung und auf der Ordinate die Lautstärke S in Phon aufgetragen. Die Linie A zeigt die Lärmerzeugung eines vorbekannten Ventils ohne Dorn und die Linie B die Lärmerzeugung des erfindungsgemässen Ventils mit Dorn.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich, ist die Lärmerzeugung des erfindungsgemässen Ventils im ganzen Arbeitsbereich, und insbesondere bei grossen Druckunterschieden, wesentlich geringer als diejenige des vorbekannten Ventils. Die Lärmerzeugung des erfindungsgemässen Ventils bleibt insbesondere im ganzen Arbeitsbereich unter dem 36 Phon Toleranzpegel.
Das in der Fig. 9 ersichtliche Diagramm zeigt die Lautstärke S in Funktion des Druckunterschiedes tp für zwei Ventile, die die Durchflussmenge auf einen Wert von drei Litern pro Minute konstant halten. Die Messungen wurden im übrigen unter den gleichen Bedingungen wie bei dem in der Fig. 8 dargestellten Diagramm durchgeführt. Die Linie A zeigt die Lärmerzeugung des vorbekannten und die Linie B diejenige des erfindungsgemässen Ventils. Wie ersichtlich, ist die Lärmerzeugung des erfindungsgemässen Ventils wiederum im ganzen Druckbereich wesentlich kleiner als diejenige des vorbekannten Ventils und liegt insbesondere auch unter dem 36 Phon Toleranzpegel.
Ein mit einem Dorn versehenes Konstantstrom-Ventil ermöglicht also, die Lärmerzeugung im ganzen Arbeitsbereich sehr klein zu haltenn.
The invention relates to a constant flow valve with a housing and an elastically deformable diaphragm arranged in the housing with an opening that forms a passage for a fluid, in particular a liquid, the diaphragm being designed and arranged in such a way that it is dependent on the pressure difference between the two opening sides is deformed, so that the clear cross-sectional area of the opening decreases with a large pressure difference and the amount of fluid flowing through per unit of time is at least approximately independent of the pressure difference.
Such valves are used, for example, in heating appliances. A previously known valve has a housing and a diaphragm fastened in this with an opening which forms a passage for the liquid to be regulated. If there is only a slight pressure difference between the two sides of the diaphragm, the diaphragm will not be deformed so that the opening maintains its cross-section.
If, on the other hand, the pressure difference between the two sides of the diaphragm is large, the diaphragm is deformed so that the cross-section of the opening is reduced. In this way it can be achieved that the amount of liquid flowing through per unit of time is approximately independent of the pressure difference between the two diaphragm sides.
However, this known valve has the disadvantage that it generates a relatively large amount of noise, in particular when the pressure difference exceeds a certain value and the flow speed increases accordingly. This is especially the case when a hot liquid flows through the valve and air or vapor bubbles form in it.
The invention is now based on the object of creating a constant flow valve which generates only a low level of noise under all operating conditions.
This object is achieved by a constant flow valve of the type mentioned in the introduction, which is characterized according to the invention in that a mandrel is fastened in the housing, which protrudes through the opening and at least in the area located downstream of the opening has a section which is located tapers in the direction of flow.
The invention is based on the knowledge that the noise in the known valve is largely generated by the bubbles that are formed when a large pressure difference prevails between the two sides of the diaphragm when a liquid flows through and the pressure downstream of the diaphragm opening is below the vapor pressure of the liquid sinks. The mandrel provided according to the invention can now, with suitable dimensions, prevent the pressure on the exit side of the diaphragm from falling below the steam pressure anywhere. This also largely prevents the formation of bubbles and thus considerably reduces the generation of noise.
The invention will now be explained with reference to exemplary embodiments and diagrams shown in the drawing. In the drawing show:
1 shows a longitudinal section through an embodiment of a valve, with a small pressure difference on the two sides of the diaphragm;
FIG. 2 shows a section corresponding to FIG. 1, but with a large pressure difference and a deformed aperture;
Fig. 3 to 7 different variants of the mandrel of the valve and
FIGS. 8 and 9 are diagrams showing the generation of noise as a function of the pressure difference for valves according to the invention in comparison with previously known valves.
The constant flow valve shown in FIG. 1 has a housing 1 with a passage and an annular diaphragm 2 fastened or at least held in this, the outer edges of which lie tightly against the inner surface of the housing 1. The screen 2 is made of an elastically deformable material, such as natural or synthetic rubber, and has a circular opening which forms a passage for the fluid to be regulated. A support plate 3 is arranged on the side of the diaphragm opening which is upstream of the diaphragm 2 with respect to the flow direction and is firmly connected to the housing 1.
A rotationally symmetrical mandrel 4 is firmly connected to the support plate, so that it protrudes through the opening of the diaphragm 2 and its free end extends into that part of the valve which is downstream of the diaphragm 2 in terms of flow. At least the downstream end portion of the mandrel tapers in the direction of flow, i. H. towards its free end. The mandrel 4 tapers conically in the direction of flow, its free end located downstream being rounded. The mandrel 4 therefore has no edges in the area of the diaphragm opening and downstream of it and is streamlined. The support plate 3 is provided with several through openings 5, which are evenly distributed on a pitch circle around the upper end of the mandrel 4 in terms of flow.
During operation, a fluid, in particular a liquid, can flow through the passage opening 5 and the opening of the diaphragm 2, as indicated by the arrows 6. The clear width, d. H. the diameter of the diaphragm opening is denoted by d. The cross-section of the diaphragm opening is therefore proportional to d2. The clear cross-sectional area of the passage opening is then given by the area difference between the diaphragm opening cross-section and the cross-section of the aperture at the opening edge located upstream.
1 shows the diaphragm for the case where the pressure difference between the fluid located in front of the diaphragm opening and the fluid downstream of the diaphragm opening is only small.
The small pressure difference generates only a small force acting on the diaphragm 2, so that its clear width is essentially the same as when no fluid is present. If the pressure difference increases, the two radial end surfaces of the diaphragm are subjected to different forces. A force parallel to the direction of flow is now exerted on the diaphragm 2, which force deforms the diaphragm 2 in the manner shown in FIG. The clear width of the diaphragm opening is now changed to d ', where d' is smaller than d.
The clear cross-sectional area of the diaphragm opening thus decreases as the pressure difference increases. On the other hand, the flow rate in the orifice increases with an increasing pressure difference. By suitably designing the diaphragm 2 and the mandrel 4, it can be achieved that the passage cross-sectional area changes approximately inversely proportional to the flow velocity of the liquid fluid. The amount of fluid flowing through the valve per unit of time is therefore at least approximately constant and independent of the pressure difference between the two sides of the diaphragm.
The mandrel 4, which protrudes from the area of the valve passage located in front of the aperture in terms of flow through the aperture, prevents the pressure in the region of the valve passage downstream of the aperture opening from falling sharply.
This enables the pressure of a liquid flowing through to be kept at a value above the vapor pressure under all operating conditions. As a result, the formation of air and vapor bubbles can largely be prevented and the generation of noise can be reduced considerably. The streamlined design of the mandrel sections located in and downstream of the aperture counteracts the formation of eddies and thereby also inhibits the development of noise.
3, 4, 5, 6 and 7 show variants of rotationally symmetrical mandrels. The mandrel shown in FIG. 3 has, on the side located in front of the diaphragm in terms of flow, a frustoconical starting section which adjoins the support plate and which tapers in the direction of flow. This is followed by a cylindrical middle section. This is followed by an end section which tapers conically in the direction of flow and has a rounded, free end. The surface lines of the conical free end section form a smaller angle with the cone axis than those of the frusto-conical start section.
The mandrel shown in Fig. 4 is similar to the mandrel 4 shown in Figs. 1 and 2, but is somewhat blunt.
The mandrel shown in FIG. 5 has a cylindrical starting section on the support plate and adjoining this a section which tapers conically in the direction of flow and has a rounded end.
The mandrel shown in FIG. 6 has a frustoconical end section downstream of the support plate and a conical, pointed end section adjoining this. Both sections taper in the direction of flow, but their surface lines form different angles with the cone axis.
The mandrel shown in FIG. 7 has a cylindrical section after the support plate. This is followed by a frustoconical central section, which is adjoined by a conical end section with a rounded, free end. The middle section and the conical end section both taper in the direction of flow. However, their surface lines form different angles with the longitudinal axis.
Measurements were carried out in order to compare the noise generation of valves according to the invention having a mandrel with that of previously known valves without a mandrel. A valve according to the invention with a mandrel with the shape shown in FIG. 4 was used. The diagram in FIG. 8 shows the results that were achieved with valves with a constant flow rate of five liters per minute at a liquid temperature of 600.degree. In FIG. 8, the pressure difference Ap in kg / cm2 between the two sides of the diaphragm opening is plotted on the abscissa and the volume S in phon on the ordinate. Line A shows the noise generation of a previously known valve without a mandrel and line B shows the noise generation of the valve according to the invention with a mandrel.
As can be seen from the diagram, the noise generation of the valve according to the invention in the entire working area, and in particular in the case of large pressure differences, is significantly less than that of the previously known valve. The noise generation of the valve according to the invention remains below the 36 phon tolerance level in particular in the entire working area.
The diagram shown in FIG. 9 shows the volume S as a function of the pressure difference tp for two valves which keep the flow rate constant at a value of three liters per minute. The measurements were otherwise carried out under the same conditions as in the diagram shown in FIG. Line A shows the noise generation of the previously known valve and line B that of the valve according to the invention. As can be seen, the noise generation of the valve according to the invention is again substantially smaller in the entire pressure range than that of the previously known valve and is in particular also below the 36 phon tolerance level.
A constant flow valve provided with a mandrel thus enables the generation of noise to be kept very small in the entire work area.