CH656686A5 - BELLOWS ON A WORK CYLINDER ARRANGEMENT. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Regelventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Regelventile dieser Art werden insbesondere in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik verwendet. The invention relates to a control valve according to the preamble of claim 1. Control valves of this type are used in particular in heating, ventilation and air conditioning technology.
Bekannte Regel ventile der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art weisen den Nachteil auf, dass sich die Durchflussmenge des zu regelnden Mediums in Abhängigkeit von der Druckdifferenz ändert, welche sich aus dem jeweiligen Druck vor und nach dem Ventil ergibt. Infolge einer solchen Abhängigkeit von der Druckdifferenz ist die Regelstabilität der geregelten Anlage in Frage gestellt. Um stabile Regeleigenschaften zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass das Ventil optimal an die zu regelnde Anlage angepasst sein muss, 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. Known control valves of the type mentioned in the preamble of claim 1 have the disadvantage that the flow rate of the medium to be controlled changes as a function of the pressure difference which results from the respective pressure before and after the valve. As a result of such a dependence on the pressure difference, the control stability of the controlled system is questioned. In order to ensure stable control properties, it is necessary that the valve must be optimally adapted to the system to be controlled, for which purpose the pressure difference occurring during operation should be known. In many cases, however, the pressure difference depends on a number of factors, so that it is not always possible to make a correct estimate beforehand. There are also systems in which the pressure difference can change within wide limits during operation.
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/Äpv erhöht. Die Folge davon ist, dass der Einfiuss des vom Regler an den Stellantrieb abgegebenen Stellsignals um diesen Faktor zu gross ist. Die Folge ist eine Beeinträchtigung der Regelfunktion. If a valve is dimensioned for the lowest occurring value of the pressure difference, then it will achieve the full flow rate, but on the other hand it will be too large for higher values of the pressure difference. This is because the flow rate increases with the factor / Äpv. The consequence of this is that the influence of the control signal sent from the controller to the actuator is too great by this factor. The consequence is an impairment of the control function.
Die bekannten Möglichkeiten für die Lösung dieses Problems bestehen darin, dem eigentlichen Regelorgan ein Differenzdruckregelventil vorzuschalten, so dass ersteres bei einer konstanten Druckdifferenz arbeiten kann. Es sind auch Ventilkombinationen mit eingebautem Differenzdruckregelteil bekannt, welche über eine Druckmessung vor und nach dem Ventil und mittels eines Membran- oder Kolbensystems entsprechende Korrektureinflüsse ausüben. The known options for solving this problem are to connect a differential pressure control valve upstream of the actual control element, so that the former can work at a constant pressure difference. Valve combinations with a built-in differential pressure control part are also known, which exert corresponding correction influences via a pressure measurement before and after the valve and by means of a membrane or piston system.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelventil der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ohne zusätzliche Hilfsmittel von der Druckdifferenz weitgehend unabhängig bei einem gegebenen Stellsignal die Durchflussmenge konstant hält. The invention has for its object to provide a control valve of the type mentioned, which largely independent of the pressure difference with a given control signal keeps the flow rate constant without additional aids.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. The object is achieved according to the invention by the features specified in the characterizing part of claim 1.
Durch die erfindungsgemässe Lösung wird vor dem Bereich des wirksamen Drosselquerschnittes eine Geschwindigkeitserhöhung des durchmessenden Mediums erzielt. Die Folge dieser Geschwindigkeitserhöhung ist eine Reduktion des Druckes, welcher in Öffnungsrichtung auf den Schliesskörper einwirkt. Bei dieser Reduktion des auf den Schliesskörper einwirkenden Druckes handelt es sich um die vom durchfliessenden Medium verursachten dynamischen Kräfte. Die infolge der Druckdifferenz auftretenden statischen Kräfte werden bereits durch den Balgen kompensiert. The solution according to the invention achieves a speed increase in the diameter of the medium before the area of the effective throttle cross section. The result of this increase in speed is a reduction in the pressure which acts on the closing body in the opening direction. This reduction in the pressure acting on the closing body is the dynamic forces caused by the medium flowing through. The static forces arising as a result of the pressure difference are already compensated for by the bellows.
Die auf den Schliesskörper beim Öffnen des Ventils auftretenden dynamischen Kräfte wirken der Kraft des im Stellantrieb angeordneten Elektromagneten entgegen. Diese dynamischen Kräfte sind um so grösser, je grösser die Druckdifferenz über dem Ventil ist. The dynamic forces occurring on the closing body when the valve is opened counteract the force of the electromagnet arranged in the actuator. The greater the pressure difference across the valve, the greater these dynamic forces.
Eine Ausführungsform nach Anspruch 2 hat den Zweck, den Durchfluss bei nierigen Werten der Druckdifferenz gegenüber einem üblichen Ventil möglichst nicht zu reduzieren. An embodiment according to claim 2 has the purpose, if possible, of not reducing the flow rate when the pressure difference is low compared to a conventional valve.
Eine Ausführungsform nach den Ansprüchen 3 und 4 dient zur Erzielung von günstigen Strömungsverhältnissen. An embodiment according to claims 3 and 4 is used to achieve favorable flow conditions.
Auch durch eine Ausführungsform nach Anspruch 5 lassen sich die Strömungsverhältnisse weiter begünstigen. The flow conditions can also be further favored by an embodiment according to claim 5.
Durch eine entsprechend Bemessung nach Anspruch 1 lässt sich eine Durchfiuss-Kennlinie erzielen, die bei einer Druckdifferenz von etwa 1 bis 10 bar keine wesentliche Änderung der Durchflussmenge anzeigt. By a corresponding dimensioning according to claim 1, a flow characteristic can be achieved which does not indicate a significant change in the flow rate at a pressure difference of approximately 1 to 10 bar.
An Hand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigt: An embodiment of the subject matter of the invention is explained in more detail with reference to the drawings. It shows:
Fig. 1 ein Magnetregelventil, teilweise im Längsschnitt, 1 is a solenoid control valve, partially in longitudinal section,
Fig. 2 ein Detail nach der Figur 1 in vergrössertem Massstab, 2 shows a detail according to FIG. 1 on an enlarged scale,
Fig. 3 ein Durchfluss-Diagramm eines Ventils nach dem Stand der Technik, 3 shows a flow diagram of a valve according to the prior art,
Fig. 4 ein Durchfluss-Diagramm eines Ventils gemäss der v Erfindung, 4 is a flow chart of a valve according to the invention;
Fig. 5 ein Diagramm der Regelcharakteristik des Ventils nach dem Stand der Technik und Fig. 5 is a diagram of the control characteristic of the valve according to the prior art and
Fig. 6 ein Diagramm der Regelcharakteristik eines Ventils gemäss der Erfindung. Fig. 6 is a diagram of the control characteristic of a valve according to the invention.
Gemäss Fig. 1 ist auf einem Gehäuse 10 eines Durchgangsventils mittels Säulen 12 ein elektromagnetischer Stellantrieb 14 aufgebaut. Der Stellantrieb ist ein stetiger Antrieb, 1, an electromagnetic actuator 14 is built on a housing 10 of a two-way valve by means of columns 12. The actuator is a constant drive,
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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. which actuates the closing body 16 of the valve against the force of a return spring 18 by means of a plunger 20. The closing body 16 interacts with a valve seat 22 screwed into the valve housing 10.
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 Schliesskörpers 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 Auslassseite 26 des Ventils verbunden. The direction of flow of the medium to be throttled is indicated by the two arrows, one of which is shown on the inlet side 24 and the other on the outlet side 26 of the valve. The position of the closing body 16 shows that it closes against the flow direction by the force of the return spring 18. The end of the plunger 20 adjacent to the closing body 16 is surrounded by a bellows 28 which delimits a cavity 30. The cavity 30 is connected to the outlet side 26 of the valve via a compensation bore 32 arranged radially in the hollow plunger 20.
In der Fig. 2 ist die Drosselstelle des Ventils mit dem Schliesskörper 16 und dem Ventilsitz 22 in einem vergrösser-ten Massstab dargestellt. Es ist aus dieser Figur ersichtlich, dass der Schliesskörper 16 einen Schliesskörper 34 und einen Schliesssteller 36 aufweist. Die beiden letztgenannten Teile sind mit einer Mutter 38 auf dem 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 verkleinernde Spalt des Ringraumes 44 dient als Ausgleich des in Strömungsrichtung zunehmenden Durchmessers. 2 shows the throttle point of the valve with the closing body 16 and the valve seat 22 on an enlarged scale. It can be seen from this figure that the closing body 16 has a closing body 34 and a closing actuator 36. The latter two parts are fastened with a nut 38 on that of the plunger 20. The throttle body 34 has a section 40 which is flared in the direction of flow. In the area of its opening, the valve seat 22 also has a section 42 which is flared in the direction of flow. The conically enlarged sections 40 and 42 of the throttle body 34 and the valve seat 22 are dimensioned such that when the valve is open, an annular space 44 with an approximately constant cross section results in the flow direction between the valve seat 22 and the throttle body 34. The narrowing gap in the flow direction of the annular space 44 serves to compensate for the increasing diameter in the flow direction.
Die Anströmseite 46 des Ventilsitzes 22 ist als Einströmdüse ausgebildet. Der wirksame Drosselquerschnitt des Ventilsitzes 22 befindet sich in einem Bereich 48, dessen Durchmesser grösser ist als der kleinste Innendurchmesser dçs Ventilsitzes 22 in dem dem konisch erweiterten Abschnitt 42 in Strömungsrichtung vorgelagerten zylindrischen Abschnitt 50. The inflow side 46 of the valve seat 22 is designed as an inflow nozzle. The effective throttle cross section of the valve seat 22 is located in a region 48, the diameter of which is larger than the smallest inside diameter of the valve seat 22 in the cylindrical section 50 upstream of the conically enlarged section 42.
Nachfolgend wird die Wirkungsweise des dargestellten Ventils näher erläutert. Dem stetig wirkenden elektromagnetischen Stellantrieb 14 wird von einem nicht dargestellten Regler, beispielsweise einem Heizungs- oder Lüftungsregler, 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 Schliesssteller 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 Schliesskörperes 16 abhängig. The mode of operation of the valve shown is explained in more detail below. The continuously acting electromagnetic actuator 14 is supplied with an electrical signal by a controller (not shown), for example a heating or ventilation controller. In accordance with the magnitude of this signal, the closing body 16 will assume a position which is essentially determined by a state of equilibrium between the force applied by the magnet and the force of the return spring 18. In the exemplary embodiment shown, the closing body 16 opens by a downward movement, in that the closing actuator 36 moves away from the seat 22. The resulting flow rate V of the medium flowing through the valve essentially depends on the respective stroke of the closing body 16.
Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, wie sich die Durchflussmenge V bei einem Ventil bekannter Bauart in Abhängigkeit von der über dem Ventil anstehenden Druckdifferenz Apv bei einem gegebenen Stellsignal und damit einem gegebenen Hub des Schliesskörpers 16 ändert. Die Druckdifferenz Apv entspricht dem Druckunterschied des durch das Ventil strömenden Mediums zwischen der Einlassseite 24 und der Auslassseite 26. Die genannte Abhängigkeit der Durchflussmenge V von der Druckdifferenz Apv 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 Schwankungen der Druckdifferenz Apv auftreten. From FIG. 3 it can be seen how the flow rate V changes in a valve of a known type depending on the pressure difference Apv present across the valve for a given actuating signal and thus a given stroke of the closing body 16. The pressure difference Apv corresponds to the pressure difference of the medium flowing through the valve between the inlet side 24 and the outlet side 26. The above-mentioned dependency of the flow rate V on the pressure difference Apv is undesirable because this makes the control stability of the controlled system difficult if the valve is not optimal for the system in question is dimensioned or if there are major fluctuations in the pressure difference Apv in the system.
Die Fig. 4 zeigt ein Durchfluss-Diagramm für ein Ventil der an Hand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Art. Aus diesem Durchfluss-Diagramm ist ersichtlich, dass die Durchflussmenge V unabhängig von der über dem Ventil herrschenden Druckdifferenz Apv im wesentlichen konstant bleibt. Die Ursache für die konstant bleibende Durchflussmenge V bei einem gegebenen Stellsignal liegt in der Formgebung des Sitzes 22 und des Schliesskörpers 16, durch welche in Strömungsrichtung gesehen bereits vor dem Bereich 48 des wirksamen Drosselquerschnittes eine Geschwindigkeitserhöhung des durchfliessenden Mediums verursacht wird. Dadurch wird eine Reduktion des Druckes, welcher von oben auf den Schliesskörper 16 einwirkt, erzeugt. FIG. 4 shows a flow diagram for a valve of the type described with reference to FIGS. 1 and 2. From this flow diagram it can be seen that the flow rate V remains essentially constant regardless of the pressure difference Apv prevailing over the valve. The reason for the constant flow rate V for a given control signal lies in the shape of the seat 22 and the closing body 16, which, viewed in the direction of flow, causes an increase in the velocity of the medium flowing through before the area 48 of the effective throttle cross section. This produces a reduction in the pressure which acts on the closing body 16 from above.
Fernerwerden die auf den Schliesskörper 16 infolge der über dem Ventil anstehenden Druckdifferenz Apv einwirkenden 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 zusätzliche Kraft, welche der durch den Elektromagneten des Stellanstriebes 14 aufgebrachten Kraft entgegenwirkt. Diese zusätzliche Kraft wird um so grösser, je grösser die Druckdifferenz Apv ist. Furthermore, the forces acting on the closing body 16 as a result of the pressure difference Apv present across the valve are statically compensated for by the arrangement of the compensating bore 32 and the bellows 28. In connection with the mentioned pressure reduction, an additional force is created above the closing body 16 when the valve is opened, which counteracts the force applied by the electromagnet of the actuator 14. The greater the pressure difference Apv, the greater this additional force.
Die Ausbildung der Anströmseite 46 des Ventilsitzes 22 als Einströmsdüse bewirkt, dass der Durchfluss bei niedrigen Werten der Druckdifferenz Apv gegenüber einem Ventil bekannter Bauart möglichst nicht reduziert wird. The design of the inflow side 46 of the valve seat 22 as an inflow nozzle has the effect that the flow is not reduced as much as possible when the pressure difference Apv is low compared to a valve of a known type.
Durch den konisch erweiterten Abschnitt 42 des Ventilsitzes 22 werden besonders günstige Strömungsverhältnisse erzielt. Eine weitere Begünstigung der Strömungsverhältnisse ergibt sich durch die beschriebene Gestaltung des Schliesskörpers 16, dessen konisch erweiterter Abschnitt 40 gemeinsam mit dem konisch erweiterten Abschnitt 42 des Ventilsitzes 22 den Ringraum 44 mit in Strömungsrichtung annähernd gleichbleibenden Querschnitt begrenzt. The conically enlarged section 42 of the valve seat 22 achieves particularly favorable flow conditions. A further advantage of the flow conditions results from the described design of the closing body 16, whose conically widened section 40, together with the conically widened section 42 of the valve seat 22, delimits the annular space 44 with a cross section that is approximately constant in the flow direction.
Bei einer Abstimmung der beiden Durchmesser der Bereiche 48 und 50 des Ventilsitzes 22 sowie der äusseren Form des Schliesskörpers 16 auf den zugehörigen elektromagnetischen Stellantrieb 14 wird ein Arbeitsverhalten des Ventils gemäss den Diagrammen in den Figuren 4 und 6 erzielt. If the two diameters of the areas 48 and 50 of the valve seat 22 and the outer shape of the closing body 16 are matched to the associated electromagnetic actuator 14, the valve's working behavior is achieved according to the diagrams in FIGS. 4 and 6.
Aus der Figur 6 geht hervor, wie sich der Hub 52 des Schliesskörpers 16 bei verschiedenen Werten von Apv in Abhängigkeit von dem dem Ventil zugeführten Stellsignal ändert. Ein vergleichbares Diagramm für ein Ventil bekannter Bauart zeigt die Figur 5. Die einzige im Diagramm der Figur 5 dargestellte Kurve 56 ist auf alle Werte von Apv bezogen. FIG. 6 shows how the stroke 52 of the closing body 16 changes at different values of Apv as a function of the control signal supplied to the valve. A comparable diagram for a valve of known design is shown in FIG. 5. The only curve 56 shown in the diagram in FIG. 5 is related to all values of Apv.
Durch die aus den Diagrammen der Figuren 4 und 6 ersichtlichen Eigenschaften erhält das erfindungsgemässe Ventil eine differenzdruckadaptive Arbeitscharakteristik. Diese bewirkt, dass die Durchflussmenge im eigentlichen Arbeitsbereich nicht von der Druckdifferenz Apv, welche vor und nach dem Ventil herrscht, beeinflusst wird. Due to the properties shown in the diagrams in FIGS. 4 and 6, the valve according to the invention has a differential pressure-adaptive working characteristic. This means that the flow rate in the actual work area is not influenced by the pressure difference Apv that prevails before and after the valve.
Obwohl als Ausführungsbeispiel ein Durchgangsventil gewählt wurde, ist es auch denkbar, das gleiche Prinzip bei einem Dreiwegventil anzuwenden. Although a two-way valve was chosen as the exemplary embodiment, it is also conceivable to apply the same principle to a three-way valve.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased | ||
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