DE10028564A1

DE10028564A1 - Verfahren zur Steuerung eines Durchflusses und/oder Druckes eines Fluides, dazu verwendbare Düse und Vorrichtung mit solch einer Düse

Info

Publication number: DE10028564A1
Application number: DE10028564A
Authority: DE
Inventors: Jaroslav Klouda
Original assignee: Rational AG
Current assignee: Rational AG
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2020-06-10
Also published as: DE10028564B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Durchflusses und/oder Druckes eines Fluids in einem Durchflußbereich, in dem ein ansteuerbarer, einen Strömungswiderstand darstellender Körper mit einer einstellbaren Ausgangslage angeordnet ist, wobei der Körper in Schwingung und/oder Rotation versetzt wird, und der Strömungswiderstand über die Frequenz, Amplitude und/oder Drehrichtung der Schwingung und/oder Rotation dynamisch eingestellt wird; eine Düse zur Verwendung in solch einem Verfahren sowie eine Vorrichtung mit solch einer Düse.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Durchflusses und/oder Druckes ei nes Fluids in einem Durchflußbereich, in dem ein ansteuerbarer, einen Strömungswiderstand darstellender Körper mit einer eintstellbaren Ausgangslage angeordnet ist; eine Düse zur Verwendung in solch einem Verfahren sowie eine Vorrichtung mit solch einer Düse.

Eine herkömmliche Düse stellt eine Verengung eines Strömungskanals zur praktisch verlust losen Umwandlung von Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie dar. Dabei wird im Prinzip bei gegebenem Druck der Volumenstrom durch die Größe der Austrittsöffnung der Düse be stimmt. Düsen können vielerlei Funktionen erfüllen und kommen häufig in Brennern, nämlich in der Brennstoffzufuhr, zum Einsatz.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist beispielsweise aus der DE 37 20 347 A1 bekannt. Dabei kommt ein Magnetventil zum Einsatz, das einen von einem mit Stromimpulsen beaufschlag baren Elektromagneten betätigbare Ventilkörper aufweist. Der Elektromagnet ist seinerseits mit Stromimpulsen ansteuerbar, bei denen das Verhältnis zwischen Impulslänge und Pausen länge verlängerbar ist, und deren Impulsfrequenz deutlich über der maximalen Schaltfrequenz des Ventiles liegt. Bei einer derartigen hochfrequenten Ansteuerung kann das Ventil keine einzelnen Öffnungs- und Schließbewegungen ausführen, sondern es befindet sich in einer stabilen Stellung, deren Öffnungs- bzw. Schließgrad letztendlich davon abhängt, wie das Ver hältnis der Pulslänge zur Pausenlänge der Ansteuerungsimpulse ist. Nachteilig dabei ist je doch, daß insbesondere die statische Lage des Ventils schwer reproduzierbar ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das gattungsgemäße Verfahren dahingehend wei terzuentwickeln, daß die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden, insbesondere eine einfache und präzise Einstellung des Durchflusses und/oder Druckes eines Fluides er möglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper in Schwingung und/oder Rotation versetzt wird, und der Strömungswiderstand über die Frequenz, Amplitude und/oder Drehrichtung der Schwingung und/oder Rotation dynamisch eingestellt wird.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der Körper durch Anlegen einer steuerbaren mechanischen, elektrischen, magnetischen, elektromagnetischen und/oder elektromechanischen Kraft in Schwingung und/oder Rotation versetzt wird.

Ferner wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Körner durch Wechselwirkung zumin dest eines Magneten, vorzugsweise in Form eines Permanentmagneten, mit einem Magnet feld, insbesondere induziert durch zumindest eine Spule, in Schwingung und/oder Rotation versetzt wird.

Bevorzugt ist erfindungsgemäß, daß der Strömungswiderstand dynamisch geregelt wird, ins besondere in Abhängigkeit von Eigenschaften des Fluids stromaufwärts und/oder stromab wärts des Körpers.

Eine bevorzugte Weiterentwicklung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kör per zur Erzeugung eines Überdrucks oder eines Unterdrucks im Durchflußbereich in Schwin gung und/oder Rotation versetzt wird.

Ferner wird mit der Erfindung ein Düse zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Ver fahren vorgeschlagen, die einen in Schwingung und/oder Rotation versetzbaren Körner in einem Durchflußbereich aufweist.

Dabei ist bevorzugt, daß der Körner berührungsfrei, insbesondere magnetisch berührungsfrei, gelagert ist.

Eine spezielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düse ist dadurch gekennzeichnet, daß der Körper zumindest einen Magneten, vorzugsweise in Form eines Permanentmagneten, umfaßt und durch Wechselwirkung mit einem Magnetfeld, vorzugsweise von zumindest ei ner, insbesondere außerhalb des Durchflußbereichs angeordneten, Spule induziert, in Schwin gung und/oder Rotation versetzbar ist.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düse ist dadurch gekenn zeichnet, daß der Körner über eine mechanische Verbindung mit zumindest einem Antrieb in Schwingung und/oder Rotation versetzbar ist.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der Antrieb eine Membrane umfaßt, und die Membrane mit zumindest einem Magneten, insbesondere in Form eines Permanentmagneten, verbunden und über den Magneten in Schwingung und/oder Rotation durch Wechselwirkung des Magneten mit einem Magnetfeld, insbesondere induzierte durch zumindest eine Spule, versetzbar ist, wobei vorzugsweise der Magnet und die Spule außerhalb des Durchflußbereichs angeordnet sind.

Alternativerweise kann auch vorgesehen sein, daß der Antrieb eine Membrane umfaßt, und der Körner mittels zumindest eines, an der Membrane befestigten elektromagnetischen Ele ments, insbesondere in Form eines piezoelektrischen Elements, in Schwingung und/oder Ro tation versetzbar ist.

Ferner wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß der Antrieb zumindest einen Magneten, insbesondere in Form eines Permanentmagneten, umfaßt, der in Wechselwirkung mit einem Magnetfeld, vorzugsweise induziert von zumindest einer, insbesondere außerhalb des Durch flußbereichs angeordneten, Spule, bringbar ist, wobei der Antrieb vorzugsweise berührungs frei, insbesondere magnetisch berührungsfrei, gelagen ist.

Auch kann vorgesehen sein, daß der Körner massiv ausgestaltet ist, hohl ist oder ein Laufrad umfaßt.

Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Düse können auch dadurch gekennzeichnet sein, daß der Durchflußbereich in Form einer Durchflußleitung in der Nähe des Körpers eine Verengung aufweist, im Bereich der der Abstand zwischen dem Körper und der Durchfluß leitung variierbar ist.

Auch wird mit der Erfindung eine Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Düse vorge schlagen, wobei die Düse die Brennstoffzufuhr für einen Brenner steuert und/oder regelt.

Dabei kann vorgesehen sein, daß die Abgase des Brenners durch einen Abgasweg strömen, in dem ein Abgasfühler angeordnet ist, der Abgaswerte erfaßt und an eine Steuer- und/oder Re geleinheit weiterleitet, die mit der Düse verbunden ist.

Schließlich wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Steuer- und/oder Regeleinheit mit einem Gebläse für eine Luftzufuhr einer Brennstoff-Luft-Mischkammer, zumindest einem Ventil, insbesondere stromaufwärts der Düse und/oder stromaufwärts des Gebläses, und/oder einer Betätigungseinheit, wie einer Tastatur oder dergleichen, verbunden ist.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß die Frequenz, Ampli tude und/oder Drehrichtung eines in Schwingung und/oder Rotation versetzten Körpers im Durchflußbereich eines Fluides einfach und präzise steuerbar, selbst regelbar ist, wodurch sich dynamisch der Durchfluß und/oder Druck des Fluides, beispielsweise bei gegebenem Fluiddruck der Fluidvolumenstrom, genau einstellen läßt. Dabei kann der Körper in seiner Ruhestellung, also seiner Ausgangslage, einen Fluiddurchfluß gänzlich unterbrechen oder auf einen bestimmten, niedrigen Wert halten. Der Körper stellt auf jeden Fall einen Strömungs widerstand dar, dessen Größe durch die Frequenz, Amplitude und/oder Drehrichtung der Schwingung und/oder Rotation dynamisch variierbar ist. Zu diesem Zweck kann der Körper massiv ausgebildet sein, hohl sein oder ein Laufrad umfassen. Im Falle der Ausbildung in Form eines massiven oder hohlen Körpers kann beispielsweise über die Frequenz und/oder Amplitude einer Schwingung der Abstand des Körpers zu einer Fluidleitung und im Falle des Umfassens eines Laufrades können die Drehrichtung und/oder Drehzahl einer Rotation zur Konditionierung der Fluidströmung beeinflußt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei bung, in der Ausführungsformen der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine erste erfindungsgemäße Düse für eine Vorrich tung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht durch eine zweite erfindungsgemäße Düse für eine Vor richtung gemäß Fig. 1; und

Fig. 4 eine Schnittansicht durch eine dritte erfindungsgemäße Düse für eine Vorrich tung gemäß Fig. 1.

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, besteht eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus einer Brenn stoffleitung 1, in der eine erfindungsgemäße Düse 2 stromabwärts eines Ventils 3 angeordnet ist. Die Brennstoffleitung 1 mündet in eine Brennstoff-Luft-Mischkammer 4, in die ebenfalls ein einem Gebläse 5 nachgeordnetes Luftleitrohr 6 mündet. Stromabwärts der Brennstoff- Luft-Mischkammer 4 ist ein Brenner 7 angeordnet, von dem ein Abgasweg 8 über einen Wärmetauscher 9 verläuft, wobei im Abgasweg 8 auch ein Abgasfühler 10 angeordnet ist. Der Abgasfühler 10 ist schließlich über eine Steuer- und/oder Regeleinheit 11 mit der Düse 7 rückgekoppelt.

Die mit Bezug auf Fig. 1 beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Brenngas wird in der Brennstoffleitung 1 bei geöffnetem Ventil 3 der Düse 2 zugeführt und in der Brennstoff-Luft-Mischkammer 4 mit von dem Gebläse 5 angesaugter Umgebungsluft vermischt. Das Mischverhältnis von Brennstoff und Luft wird dabei über das Ventil 3, die Düse 2 sowie das Gebläse 5 eingestellt, wobei über die Düse 2 auch eine Regelung unter Ein satz der Steuer- und/oder Regeleinheit 11 in Abhängigkeit von dem vom Abgasfühler 10 er faßten Abgas des Brenners 7 möglich ist. Der Abgasfühler 10 kann dabei eine CO₂-Sonde sein, so daß die Steuer- und/oder Regeleinheit 11 bei jeder Veränderung des CO₂-Werts des Abgases die Düse 2 ansteuert bzw. regelt. Selbstverständlich kann auch die Düse 2 in Abhän gigkeit von der Brennstoffart verändert werden.

Im Folgenden werden unterschiedlichen Düsen, die als Düse 2 in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 einsetzbar sind, beschrieben.

So zeigt Fig. 2 eine Düse mit einem Körner 20a innerhalb einer Leitung 20b im Bereich ei ner Spule 21, wobei der Abstand 22 zwischen dem Körner 20a und der Leitung 20b im Be reich einer Verengung der Leitung 20b über die Wechselwirkung eines Permanentmagneten 23 innerhalb des Körners 20a und einem von der Spule 21 induzierbaren Magnetfeld variier bar ist, um zwischen einer Fluidstromzufuhr 24 und einem Fluidstromaustritt 25 die Strömung eines Fluides durch die Düse einzustellen. Zu diesem Zweck wird über eine Stromversorgung 26 und die Spule 21 ein Magnetfeld induziert, das den Permanentmagneten 23 und somit den Körner 20a innerhalb der Leitung 20b in Richtung der Pfeile 27 in Schwingung versetzt, wo bei die Frequenz sowie die Amplitude der Schwingung des Körners 20a den Abstand 22 und somit den Fluidvolumenstrom bei gegebenem Fluiddruck der Fluidstromzufuhr 24 steuerbar bzw. regelbar gestaltet.

Die Düse gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 2 dadurch, daß der Körner 20'a in der Leitung 20'b zur Variation des Abstandes 22' mechanisch mit einem Pennanent magneten 23 außerhalb des Durchflußbereiches unter Zwischenschaltung einer Membrane 28' verbunden ist. Der Permanentmagnet 23' kann dabei über ein von der Spule 21' bei einge schalteter Stromversorgung 26' induziertes Magnetfeld in Schwingung versetzt werden, wobei diese Schwingung dann auf den Körper 20'a übertragen wird, so daß dieser ähnlich wie im Falle der Düse gemäß Fig. 2 in Richtung der Pfeile 27' schwingt, um zwischen der Fluidstromzufuhr 24' sowie dem Fluidstromaustritt 25' den Fluidvolumenstrom bei gegebe nem Fluiddruck einzustellen.

In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Düse dargestellt, die wiederum einen Körner 20"a in einer Leitung 20"b umfaßt, der jedoch in Rotation versetzbar ist. Zu diesem Zweck ist der Körper 20"a in Form eines Laufrades ausgebildet, das mechanisch mit einem Antrieb verbun den ist, der seinerseits einen Permanentmagneten 23" umfaßt, der über ein mittels der Spule 21" induziertes Magnetfeld in Drehung in Richtung der Pfeile 27" versetzbar und magnetisch berührungsfrei gelagert ist. über eine Stromversorgung 26" ist die Spule 21" aktivierbar und somit das Magnetfeld im Bereich des Permanentmagneten 23" induzierbar, das zu einer Dre hung des Permanentmagneten 23" und somit des Körpers 20"a führt, wobei die Drehrichtung und Drehzahl des Körpers 20"a einen Überdruck oder Unterdruck zur Einstellung der Strö mung in der Leitung 20"b zwischen einer Fluidstromzufuhr 24" und einem Fluidstromaustritt 25" hervorrufen können.

Die in der voranstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie den Zeichnungen darge stellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1

Brennstoffleitung

2

Düse

3

Ventil

4

Brennstoff-Luft-Mischkammer

5

Gebläse

6

Luftleitrohr

7

Brenner

8

Abgasweg

9

Wärmeaustauscher

10

Abgasfühler

11

Steuer- und/oder Regeleinheit
20a, 20'a, 20"a Körper
20b, 20'b, 20"b Leitung

21

,

21

',

21

" Spule

22

,

22

' Abstand

23

,

23

',

23

" Permanentmagnet

24

,

24

',

24

" Fluidstromzufuhr

25

,

25

',

25

" Fluidstromaustritt

26

,

26

',

26

" Stromversorgung

27

,

27

' Schwingungsrichtung

27

" Rotationsrichtung

28

' Membrane

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines Durchflusses und/oder Druckes eines Fluids in einem Durchflußbereich, in dem ein ansteuerbarer, einen Strömungswiderstand darstellender Körner mit einer einstellbaren Ausgangslage angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Körner in Schwingung und/oder Rotation versetzt wird, und der Strömungswider stand über die Frequenz, Amplitude und/oder Drehrichtung der Schwingung und/oder Rotation dynamisch eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körner durch Anlegen einer steuerbaren mechanischen, elektrischen, magneti schen, elektromagnetischen und/oder elektromechanischen Kraft in Schwingung und/oder Rotation versetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körner durch Wechselwirkung zumindest eines Magneten, vorzugsweise in Form eines Permanentmagneten, mit einem Magnetfeld, insbesondere induziert durch zu mindest eine Spule, in Schwingung und/oder Rotation versetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand dynamisch geregelt wird, insbesondere in Abhängigkeit von Eigenschaften des Fluids stromaufwärts und/oder stromabwärts des Körpers.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körner zur Erzeugung eines Überdrucks oder eines Unterdrucks im Durchflußbe reich in Schwingung und/oder Rotation versetzt wird.

6. Düse zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen in Schwingung und/oder Rotation versetzbaren Körner (20a, 20'a, 20"a) in einem Durchflußbereich (20b, 20'b, 20"b).

7. Düse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körner (20a, 20'a, 20"a) berührungsfrei, insbesondere magnetisch berührungsfrei, gelagert ist.

8. Düse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körner (20a) zumindest einen Magneten (23), vorzugsweise in Form eines Perma nentmagneten, umfaßt und durch Wechselwirkung mit einem Magnetfeld, vorzugs weise von zumindest einer, insbesondere außerhalb des Durchflußbereichs (20b) an geordneten, Spule (21) induziert, in Schwingung und/oder Rotation versetzbar ist.

9. Düse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körner (20'a, 20"a) über eine mechanische Verbindung mit zumindest einem An trieb in Schwingung und/oder Rotation versetzbar ist.

10. Düse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine Membrane (28') umfaßt, und die Membrane (28') mit zumindest ei nem Magneten (23'), insbesondere in Form eines Permanentmagneten, verbunden und über den Magneten (23') in Schwingung und/oder Rotation durch Wechselwirkung des Magneten (23') mit einem Magnetfeld, insbesondere induzierte durch zumindest eine Spule (21'), versetzbar ist, wobei vorzugsweise der Magnet (23') und die Spule (21') außerhalb des Durchflußbereichs (20'b) angeordnet sind.

11. Düse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine Membrane umfaßt, und der Körper mittels zumindest eines, an der Membrane befestigten elektromagnetischen Elements, insbesondere in Fonn eines pie zoelektrischen Elements, in Schwingung und/oder Rotation versetzbar ist.

12. Düse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb zumindest einen Magneten (23"), insbesondere in Form eines Permanent magneten, umfaßt, der in Wechselwirkung mit einem Magnetfeld, vorzugsweise indu ziert von zumindest einer, insbesondere außerhalb des Durchflußbereichs (20"b) ange ordneten, Spule (21"), bringbar ist, wobei der Antrieb vorzugsweise berührungsfrei, insbesondere magnetisch berührungsfrei, gelagert ist.

13. Düse nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (20a, 20'a, 20"a) massiv ausgestaltet ist, hohl ist oder ein Laufrad umfaßt.

14. Düse nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußbereich in Form einer Durchflußleitung (20b, 20'b) in der Nähe des Kör pers (20a, 20'a) eine Verengung aufweist, im Bereich der der Abstand (22, 22') zwi schen dem Körner (20a, 20'a) und der Durchflußleitung (20b, 20'b) variierbar ist.

15. Vorrichtung mit einer Düse nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeich net, daß die Düse (2) die Brennstoffzufuhr für einen Brenner (7) steuert und/oder regelt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase des Brenners (7) durch einen Abgasweg (8) strömen, in dem ein Abgas fühler (10) angeordnet ist, der Abgaswerte erfaßt und an eine Steuer- und/oder Rege leinheit (11) weiterleitet, die mit der Düse (2) verbunden ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und/oder Regeleinheit (11) mit einem Gebläse (5) für eine Luftzufuhr einer Brennstoff-Luft-Mischkammer (4), zumindest einem Ventil (3), insbesondere strom aufwärts der Düse (2) und/oder stromaufwärts des Gebläses, und/oder einer Betäti gungseinheit, wie einer Tastatur oder dergleichen, verbunden ist.