BESCHREIBUNG
Als einzige über diesen Gegenstand mir bekannte Veröffentlichung ist die No. 2 507 795, Patentgesuch No. 8111 837 vom 17.12.1982 durch das Institut National de la Propriete Industriel, Paris.
Nach Beschreibung und Zeichnungen Fig. 1, 2, 3 handelt es sich um einen Durchflusskonstanthalter, in dem der Konstantoder Regelstrom aus zwei Strömen besteht, einem ersten mit festem Durchflussquerschnitt, dessen Durchfluss proportional zum Wirkdruck steigt und einem zweiten bei steigendem Wirkdruck fallenden Strom, wobei die Summe beider Ströme beginnend bei ca. 1,5 bar Wirkdruck und endigend bei ca. 7 bar ungefähr konstant bleibt. Der zweite Strom steigt jedoch bis zum Wirkdruck von 1,5 bar steil an und fällt dann erst bei 1 bis 1,5 bar auf Null bei 6,5 bar.
Die Regelung des Durchflussquerschnittes des zweiten Stromes erfolgt durch eine weiche, elastische, auf 3 kleinflächigen Abstützungen lose sitzenden ca. 3 mm starken Scheibe, die sich durch den Wirkdruckaufschlag konkav ausbiegt und dadurch den Durchflussquerschnitt, der sich zwischen Umfangskante der Scheibe und dem rohrförmigen Stirnteil der Durchflussöffnung bildet, verringert. Mir ist nicht bekannt, dass ein Gerät nach diesen Unterlagen je auf dem Markt erschienen ist, bezweifle aber, dass ein solcher Durchflusskonstanthalter auf dem Markt akzeptiert worden wäre. Dünne Scheiben aus Elastomeren, die durch konkave oder konvexe Ausbiegung - je nach Art ihrer Lagerung - den Durchflussquerschnitt druckabhängig regeln, sind aus jahrzentelanger Erfahrung für genauere, kleinere und grössere Durchflüsse und Wirkdrücke ungeeignet.
Hinzu kommt, dass die Ausbiegekräfte das Elastomer schnell ermüden und dessen Elastizität verringern. Aus Figur 3 der vorgenannten Veröffentlichung ist z.B. ersichtlich, dass für die kleinste Ausbiegung dieser dünnen ca. 15 mm im Durchmesser messenden weichen Scheibe eine Wirkdruck-Kraft von fast 20 N erforderlich ist.
Unter solchen Bedingungen sind feinste wirkdruckentsprechende Änderungen des Durchflussquerschnittes und somit auch des Durchflusses gar nicht möglich. Die auf Seite 4, Z. 24 ff gemachten Vorschläge zur Erreichung grösserer Konstantströme und auch höherer Wirkdruckbereiche, nämlich die Anzahl und Auflageflächen der Abstützungen für die Scheibe zu erhöhen, brächte nur den grossen Nachteil, den Beginn des Konstantstromes in noch höhere Wirkdruckbereiche zu verschieben. Im weiteren ist aus der Beschreibung und den Zeichnungen nicht zu entnehmen, dass es mit seiner zum Patent angemeldeten Durchflussregelarmatur möglich sei, einen im voraus bestimmten Konstantstrom zu erzielen.
Auf Seite 4, Z.21 ff heisst es: A la sortie du regulateur R, le debit du fluide est egal à la somme des debuts du fluide traversant, d'une part, les rainures 7 et, d'autre part, le canal 6 axial.... , das heisst nichts anderes, als das was in die Armatur hineinfliesst auch wieder herauskommt.
Wenn aber die Summe der beiden Ströme dem vorbestimmten Konstantstrom entsprechen soll und dieser Konstantstrom z.B.
100 Liter/Minute betragen muss, dann müssen auch die Querschnitte beider Ströme bei einem bestimmten Wirkdruck vorbekannt und bestimmbar, d.h. regelbar sein. Für die Erzielung eines vorbestimmten Konstantstromes bedarf es daher vorerst der Regelung des bestimmenden Direktstromes und seines Durchflussquerschnittes und erst dann des Komplementärstromes. Ohne Vorausbestimmbarkeit beider Durchflussquerschnitte bei einem bestimmten Wirkdruck lässt sich auch kein im voraus bestimmter Konstantstrom erzielen. Dass die Zeichnung No. 3 in keiner Weise der Beschreibung entspricht, geht auch daraus hervor, dass z.B. der Durchflussquerschnitt der minimal 3 Nuten 7 gemäss Figur 1 und 2 die Grösse von ungefähr 40 mm2 ergibt, was einem Durchfluss von ca. 6-7 Liter/Min. bei 1 bar gleichkommt. Auf der Figur 3 erreicht der Direktstrom bei 1 bar die Grösse d = 1,5.
Diese zum Patent angemeldete Vorrichtung zum Konstanthalten des Durchflusses von Fluiden hat den Zweck, ein Gerät auf den Markt zu bringen, das in einem grossen Durchflussbereich ab 0,2 Liter/Minute bis 400 m3/h und ab Wirkdrücken von 0,3 bar äusserst geringe Durchfluss-Toleranzen gewährleistet.
Durchflusskonstanthalter ab Wirkdrücken von 0,3 bar bedingen zylindrische, zusammendrückbare Elastomere, die bereits bei diesen Drücken sich verformen und dadurch den Durchflussquerschnitt zu verringern vermögen, es sei denn, dass der Abfall des Komplementärstrom-Durchflusses bei ansteigendem Wirkdruck über einen grösseren Wirkdruckbereich verzögert werden soll oder der Direktstromverlauf während des Wirkdruckbereiches weniger rasch ansteigt als dies bei einer festen Bohrung normalerweise der Fall ist.
Um einen vorbestimmten Konstantstrom bei schwankenden Wirkdrücken zu erzielen, genügt es nicht, dass die Summe der beiden Ströme, des Direktstromes und des Komplementärstromes, konstant oder mehr oder weniger gleichbleibt, oder dass diese Summe einem X-beliebigen Konstantstrom entspricht, sondern der Konstantstrom muss der im voraus bestimmten Stromgrösse in Liter/Minute oder m3/h gleichsein. Über den ganzen Wirkdruckbereich müssen deshalb die Durchflussquerschnitte der beiden Teilströme und ihre Durchflüsse bekannt und vorausbestimmbar sein. Mit andern Worten muss zuerst der Direktstromverlauf über den ganzen Wirkdruckbereich festgelegt sein, d.h. die Wirkdrücke am Anfang und am Ende des Bereiches, sowie die diesen Drücken entsprechenden Ströme, wobei der bei maximalem Wirkdruck fliessende Direktstrom dem im voraus bestimmten Konstantstrom gleich sein muss.
Hiefür den entsprechenden Durchflussquerschnitt zu bestimmen ist kein Problem. Dieser gleiche Querschnitt für den Direktstrom gilt nun auch für den Beginn des Wirkdruckbereiches, sei dies nun bei 0,3, 0,5, 1 oder 3 bar usw., deren Durchflüsse ebenfalls ohne lange Berechnung feststellbar sind.
Aufgrund der jetzt bekannten Daten ist die bei Beginn des Wirkdruckbereiches zum Direktstrom hinzu zu steuernde Menge des Komplementärstromes und seines Durchflussquerschnittes gegeben. Jetzt geht es nur noch darum, den Verlauf des Komplementärstromes demjenigen des Direktstromes über den Wirkdruckbereich hinweg derart anzupassen, dass am Ende des Wirkdruckbereiches der Komplementärstrom Null ist, was durch den Einsatz der hiefür geeigneten und vorgesehenen Elastomere verschiedenster Härtegrade und die Form und Grösse der mit diesen den Durchflussquerschnitt bildenden, flächenmässig vorausbestimmbaren Ausnehmungen erfolgt.
Für Fälle, wo ein im Verhältnis zum Konstantstrom noch höherer Anteil des Direktstromes nötig ist, ist es sinnvoll, den Direktstrom über den Wirkdruckbereich hinweg zusätzlich oder nur durch eine axiale Bohrung im Elastomer zu führen, so dass der Verlauf des Direktstromes abgeflacht und der Anteil des Komplementärstromes verringert sowie der Konstantstrom samt seiner Durchfluss-Toleranz erhöht werden können. Die dem Verlauf der verschiedensten Komplementärströme über den Wirkdruckbereich hinweg angepassten Elastomere sind bei Druckeinwirkung nicht ausbiegbar, sondern nur zusammendrückbar und zwar derart, dass sich deren ebenen und nicht aufliegenden, freien Bodenflächen wirkdrucksensibilisiert in die dreieck- oder kreisabschnittförmigen Ausnehmungen hineinschieben und so nur deren Querschnittsfläche, nicht aber deren geometrische Form verändern.
Alle zum Einsatz kommenden Elastomere weisen über einen erheblichen Beanspruchungsbereich hinweg eine lineare Kompressionscharakteristik auf, wo hingegen die Abhängigkeit der Ausbiegung von den Druckkräften bei Elastomerscheiben nicht linear verläuft und daher schwer und bei konkaver Ausbiegung überhaupt nicht zu berechnen ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert, dabei zeigen:
Fig. 1 die in ein Rohr eingebaute komplette Ventilanordnung mit dreieckförmiger Ausnehmung,
Fig. 2 den Einsatz bestehend aus Elastomer und Düsenkörper mit kreisförmiger Ausnehmung,
Fig. 3 den Einsatz mit im Elastomer vorgesehenen Ausnehmungen,
Fig. 4 das Durchflussdiagramm der Ventilanordnung.
Elastomer 3 und Düsenkörper 1 sitzen in einem rohrähnlichen Gehäuse 10 mit Gegenverschraubung 11 und Dichtung 12.
Ein mit steigendem Wirkdruck zunehmender Teil des Direktstromes fliesst durch die Bohrung 5 in Richtung Ausfluss 13. Je nach Höhe des Direktstromes kann der Durchmesser und die Anzahl dieser Bohrungen so erhöht werden, dass die Abstufungen auch für grössere Ströme innerhalb eines Liters/Minute liegen. Die axiale Bohrung 9 bei der Variante nach Fig. 3 durch das Elastomer dient einer Erhöhung des Direktstromes, wobei der Anstieg der Stromkurve bei höherwerdendem Wirkdruck weniger steil vor sich geht, als beim Direktstrom mit nicht ver änderbarem Durchflussquerschnitt. Anstelle der Direktbohrungen 5 durch die Düse mit den für den Direktstrom erforderlichen und vorausbestimmten Querschnitten können solche Durchflussquerschnitte auch durch den Düsenverschraubungsteil des Körpers 11 geführt werden.
Gemäss den Figuren 1 und 2 sitzt das Elastomer 3 mit seiner ebenen Stirnfläche auf der gleichfalls ebenen kreisring-, oder kreisabschnittförmigen Sitzfläche 2 der hohlzylinderförmigen Wandung der Düse 1, welche diametralsymmetrische Ausnehmungen 7 und 6 aufweist, die zusammen mit der ebenen Stirnfläche des Elastomers 3 die Form von Dreiecken oder Kreisabschnitten bilden und als Durchflussquerschnitt für den Komplementärstrom dienen. Je nach Härte und Elastizität des Elastomers legt sich dieses bei niedrigstem Wirkdruck vorerst lose auf der Sitzfläche 2 auf, um sich dann bei steigendem Wirkdruck sukzessive und äusserst drucksensitiv mit seiner freien Sitzfläche in die offenen Ausnehmungsräume 7 und 6 hineinzudrücken und deren Querschnittsflächen entsprechend dem erforderlichen Verlauf des Komplementärstromes zu verringern.
Bei dieser Durchflussquerschnitts-Verringerung, die am Ende des Wirkdruckbereiches geschlossen ist, bleibt die Dreiecksoder Kreisabschnittform bis zum Schluss des Wirkdruckbereiches erhalten. Die Ausnehmungen 7 und 6 könnten auch im Elastomer vorgesehen werden. Siehe Figur 3, Ziffer 8. Nur bestünde für diese Art der Ausnehmung keine Möglichkeit der Durchflussquerschnittsflächenberechnung.
Figur 4 zeigt in einem aufgrund eines Mustertestes erstellten Diagramm den Verlauf der zwei Teilströme, des Direktstromes 13 und des Komplementärstromes 14 sowie des Konstantstromes 15 innerhalb eines Wirkdruckbereiches von 0,5 bar bis maximal 6 bar. Der im voraus bestimmte Konstantstrom fliesst also bereits bei einem Wirkdruck von 0,5 bar. Der mit 10 Liter/Minute im voraus bestimmte Konstantstrom ist am Ende des Wirkdruckbereiches gleich dem Direktstrom. Dies ist eine Regel, die für alle Konstantströme und in allen Wirkdruckbereichen volle Gültigkeit hat. Ohne diese Voraussetzung lässt sich der Durchflussquerschnitt des Komplementärstromes nicht berechnen. Dieser Querschnitt muss berechnet werden, wenn als Ergebnis der Durchflussregelung und Durchflusskonstanthaltung eine im voraus ganz bestimmte Grösse des Stromes in Liter/Minute resultieren soll.
Es genügt demnach keineswegs, dass die Summe der beiden Ströme konstant bleibt oder dem Konstantstrom entsprechen. Nein, dieser Konstantstrom muss eine im voraus festgesetzte Grösse haben und diese Grösse muss den ganzen Wirkdruckbereich hinweg konstant bleiben, d.h.
ihre Toleranz sollte innerhalb plus/minus 4(vo liegen. Bei Toleranzen von über plus/minus 6% kann nicht mehr von einem Konstantstrom und auch nicht mehr von einer Regelung gesprochen werden. Eine zweite Voraussetzung für die Berechenbarkeit des Konstantstromes und damit logischerweise auch der beiden Teilströme mit ihren Durchflussquerschnitten ist die Berechenbarkeit der Durchflussquerschnitte, wenn nötig über den ganzen Wirkdruckbereich hinweg, was wiederum voraussetzt, dass die Durchflussquerschnitte eine berechenbare Form haben und dies ebenfalls ab Beginn des Wirkdruckbereiches bis zu dessen Ende. Es muss also auch die Grösse des Wirkdruckbereiches im voraus bestimmt sein, d.h. Beginn bei X Wirkdruck und Ende bei X' Wirkdruck. Je kleiner der Wirkdruckbereich, desto genauer die Konstantstromregelung und desto enger ihre Toleranz.
Die Grösse des Wirdruckbereiches richtet sich aus schliesslich nach den vom Markt gestellten Anforderungen. So wäre es z.B. sinnlos, einen Wirkdruckbereich von 8, 10 oder sogar 12 bar zu fordern, wenn der Durchfluss-Konstanthalter für gewerbliche und Haushaltgeräte eingesetzt wird, also für ein Gebiet, wo maximale Wirkdrücke von 6 bar, aber minimale Wirkdrücke von 1 bar oder noch darunter die Regel sind oder für industrielle Wasserpumpenspeisungen, wo es darum geht, die Druckschwankungen der Pumpe z.B. zwischen 6 bis 8 bar durch den Einsatz eines Durchflusskonstanthalters im Wirkdruckbereich zwischen 5 bis 8 bar zu eliminieren.
Zurück zur Figur 4: Für diesen Direktstrom von 10 Liter pro Minute am Ende des Wirkdruckbereiches bei 6 bar ist eine Bohrung 5 im Ventilsitz 1 mit einem Durchmesser von 2,8 mm erforderlich, was einer Querschnittsfläche von 6,16 mm2 ent spricht. Bei einem Wirkdruck von 0,5 bar fliesst durch diese Querschnittsfläche ein Direktstrom von 3,3 Liter/Minute. Die Differenz bis zu 10 Liter/Minute, das sind 6,6 Liter, hat der Durchflussquerschnitt des Komplementärstromes zu erbringen.
Wenn 3,3 Liter bei 0,5 bar einen Durchflussquerschnitt von 6,16 mm2 benötigen, dann benötigt der Komplementärstrom für seine 6,7 Liter einen Durchflussquerschnitt von 12,5 mm2, plus einen Zuschlag von 6,5 mm2 für den wesentlich höheren Durchflusswiderstand, total also 19 mm2. Da die Düse 1 über zwei dreieckförmige Durchflussquerschnitte verfügt, bleiben pro Dreieck noch 9,5 mm2 Querschnittsfläche, dies ergibt ein stumpfwinkliges Dreieck mit einer Hypothenuse von 13 mm und einer Höhe von 1,45 mm sowie einem stumpfen Winkel von 155 Grad. Der Start des Komplementärstromes erfolgt also bei 0,5 bar mit einem auf zwei Durchflüsse gleichmässig verteilten Gesamtquerschnitt von 19 mm2. Die weitere über den Wirkdruckbereich hinweg erforderliche Anpassung des Komplementärstromes bis zum Werte Null bei 6 bar ergibt sich zwangsläufig durch den Einsatz des hiefür bestimmten Elastomers.
Aus Figur 4 ist zu erkennen, dass der Leistungsanteil des Direktstromes gemäss Feld A-B-F-D am Konstantstrom gemäss Feld A-B-F-G wesentlich höher ist, als der Komplementärstromanteil gemäss Feld A-B-C und dass die Durchflusschara teristik des Direktstromes die Regelcharakteristik des Komplementärstromes bestimmt und dass sich der Durchfluss des Komplementärstromes 14 im gleichen Masse gemäss Buchstabe b verringert, wie sich der Direktstrom 13 gemäss Buchstabe a erhöht.
Die Vorteile dieser Erfindung liegen darin:
Zum ersten Mal eine genaue Berechnungsmöglichkeit des durch ein Elastomer wirkdruckabhängig gesteuerten Durch flussquerschnittes und damit eine wirkliche und vorausbestimmbare Regelung des Konstantstromes über den ganzen Wirkdruckbereich.
Es kann praktisch jede Grösse eines bestimmten Konstantstromes ab 0,2 Liter/Minute bis zu einigen Hundert m3/h hergestellt werden und zwar innerhalb einer Toleranz von plus/minus maximal 4%.
Erstmalig ist auch ein Konstantstrom im niederen Wirkdruckbereich ab 0,5 bar bis 6 bar bei einer Toleranz von plus/minus maximal 4%.
Neu ist auch, dass die Konstantstromleistung pro Anschluss Nennweite gegenüber bisherigen ähnlichen Systemen ganz entscheidend höher liegt.