DE10028564B4

DE10028564B4 - Düse zur Steuerung eines Durchflusses und/oder Druckes eines Fluides und Vorrichtung mit solch einer Düse

Info

Publication number: DE10028564B4
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: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2020-06-10
Also published as: DE10028564A1

Abstract

Düse zur Steuerung eines Durchflusses und/oder Druckes eines Fluids in einem Durchflußbereich, in dem ein einen Strömungswiderstand darstellender Körper mit einer einstellbaren Ausgangslage angeordnet ist, wobei der Körper (20a, 20'a) durch Anlegen einer steuerbaren mechanischen, elektrischen, magnetischen, elektromagnetischen und/oder elektromechanischen Kraft in dem Durchflußbereich (20b, 20'b) in Schwingung versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand des Körpers (20a, 20'a) über die Frequenz und/oder Amplitude der Schwingung dynamisch einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Düse zur Steuerung eines Durchflusses und/oder Druckes eines Fluids in einem Durchflußbereich gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung mit solch einer Düse.
Eine herkömmliche Düse stellt eine Verengung eines Strömungskanals dar bzw. umfaßt einen Strömungswiderstand in einem Strömungskanal zur praktisch verlustlosen Umwandlung von Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie. Dabei wird im Prinzip bei gegebenem Druck der Volumenstrom durch die Größe der Austrittsöffnung der Düse bestimmt. Düsen können vielerlei Funktionen erfüllen und kommen häufig in Brennern, nämlich in der Brennstoffzufuhr, zum Einsatz.

Ein Magnetventil mit einem von einem mit Stromimpulsen beaufschlagbaren Elektromagneten betätigbaren Ventilkörper ist beispielsweise aus der DE 37 20 347 A1 bekannt. Der Elektromagnet ist dabei mit Stromimpulsen ansteuerbar, deren Impulsfrequenz deutlich über der maximalen Schaltfrequenz des Ventiles liegt. Bei einer derartig 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 Verhältnis der Pulslänge zur Pausenlänge der Ansteuerungsimpulse ist. Nachteilig dabei ist jedoch, daß insbesondere die statische Lage des Ventils schwer reproduzierbar ist.

Ein Heizkörperventil ist aus der DE 197 32 687 C2 bekannt, das mit einem den Durchfluß eines Mediums durch das Heizkörperventil regelnden schaufelradartigen Element versehen ist, das wiederum durch den hydrostatischen Fluß des Mediums in Rotation versetzbar und durch eine Regel- bzw. Einstelleinrichtung drehzahlgesteuert ist, wobei eine Generatoreinheit vorgesehen ist, die kinematisch mit dem schaufeladartigen Element verbunden ist und elektrische Energie erzeugt, mit der die Regel- bzw. Einstelleinrichtung energieversorgbar ist. Dies stellt einen sehr komplizierten Aufbau dar.

Eine weitere Ventilanordnung ist aus der DE 27 49 977 A1 bekannt, die ein Flügelrad umfaßt, das zwangsläufig mit einer Drehzahl in Abhängigkeit von dem Volumenstrom durch das Ventil mitdreht, wobei die Rotation des Flügelrads über einen Durchflußbegrenzer und einen Überstromauslöser begrenzt wird, um eine maximale Durchflußmenge pro Zeiteinheit festzulegen. Dieser Aufbau ist wiederum kompliziert.

Ein Treibstoffventil ist auch aus der DT 2 057 641 bekannt und umfaßt ein Drosselglied sowie ein Verschlußglied, die beide über elektromagnetische Mittel steuerbar sind.

Ein Flachsitzventil zur Steuerung von strömenden Medien mit einer in einem Gehäuse festgespannten Membrane und einem beweglichen Ventilteil, das durch einen Magneten betätigt wird und mit mindestens einem feststehenden Ventil zusammenwirkt, ist aus der DT 2 246 477 bekannt. Dabei ist die Membrane als bewegliches Ventilteil den Durchgang von zwei Ventilen steuernd zwischen zwei Sitzen angeordnet, und eine Änderung des einen Durchgangsquerschnitts hat eine gegenseitige Änderung des anderen zur Folge.

Der Einsatz einer Vielzahl von schwingenden Permanentmagneten zwischen zwei durchlochten Wänden in einer Durchflußsteuereinheit ist aus der SU 1561067 A bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die gattungsgemäße Düse dahingehend weiterzuentwickeln, daß die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden, insbesondere eine einfache und präzise Einstellung des Durchflusses und/oder Druckes eines Fluides ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper durch Anlegen einer steuerbaren mechanischen, elektrischen, magnetischen, elektromagnetischen Kraft in Schwingung versetzbar ist in dem Durchflußbereich, und der Strömungswiderstand des Körpers über die Frequenz und/oder Amplitude der Schwingung dynamisch eingestellbar ist.

Eine spezielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düse ist dabei dadurch gekennzeichnet, daß der Körper berührungsfrei gelagert ist, zumindest einen Magneten, vorzugsweise in Form eines Permanentmagneten, umfaßt und durch Wechselwirkung mit einem Magnetfeld, vorzugsweise von zumindest einer, insbesondere außerhalb des Durchflußbereichs angeordneten, Spule induziert, in Schwingung versetzbar ist.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düse ist dadurch gekennzeichnet, daß der Körper über eine mechanische Verbindung mit zumindest einem Antrieb in Schwingung 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 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 Körper mittels zumindest eines, an der Membrane befestigten elektromechanischen Elements, insbesondere in Form eines piezoelektrischen Elements, in Schwingung versetzbar ist.

Auch kann vorgesehen sein, daß der Körper 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 Durchflußleitung variierbar ist.

Auch wird mit der Erfindung eine Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Düse vorgeschlagen, 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 Regeleinheit 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 Erkenntnis zugrunde, daß die Frequenz und/oder Amplitude eines in Schwingung 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 Strömungswiderstand dar, dessen Größe durch die Frequenz und/oder Amplitude dynamisch variierbar ist. Zu diesem Zweck kann der Körper massiv oder hohl ausgebildet sein, wobei beispielsweise über die Frequenz und/oder Amplitude einer Schwingung der Abstand des Körpers zu einer Fluidleitung zur Konditionierung der Fluidströmung beeinflußt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsformen der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Schnittansicht durch eine erste erfindungsgemäße Düse für eine Vorrichtung gemäß 1; und
3 eine Schnittansicht durch eine zweite erfindungsgemäße Düse für eine Vorrichtung gemäß 1.
Wie 1 zu entnehmen ist, besteht eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus einer Brennstoffleitung 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 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 Einsatz der Steuer- und/oder Regeleinheit 11 in Abhängigkeit von dem vom Abgasfühler 10 erfaßten 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 Abhängigkeit von der Brennstoffart verändert werden.
Im Folgenden werden unterschiedlichen Düsen, die als Düse 2 in der Vorrichtung gemäß 1 einsetzbar sind, beschrieben.
So zeigt 2 eine Düse mit einem Körper 20a innerhalb einer Leitung 20b im Bereich einer Spule 21, wobei der Abstand 22 zwischen dem Körper 20a und der Leitung 20b im Bereich einer Verengung der Leitung 20b über die Wechselwirkung eines Permanentmagneten 23 innerhalb des Körpers 20a und einem von der Spule 21 induzierbaren Magnetfeld variierbar 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 Körper 20a innerhalb der Leitung 20b in Richtung der Pfeile 27 in Schwingung versetzt, wobei die Frequenz sowie die Amplitude der Schwingung des Körpers 20a den Abstand 22 und somit den Fluidvolumenstrom bei gegebenem Fluiddruck der Fluidstromzufuhr 24 steuerbar bzw. regelbar gestaltet.
Die Düse gemäß 3 unterscheidet sich von der gemäß 2 dadurch, daß der Körper 20'a in der Leitung 20'b zur Variation des Abstandes 22' mechanisch mit einem Permanentmagneten 23' außerhalb des Durchflußbereiches unter Zwischenschaltung einer Membrane 28' verbunden ist. Der Permanentmagnet 23' kann dabei über ein von der Spule 21' bei eingeschalteter 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 2 in Richtung der Pfeile 27' schwingt, um zwischen der Fluidstromzufuhr 24' sowie dem Fluidstromaustritt 25' den Fluidvolumenstrom bei gegebenem Fluiddruck einzustellen.
Die in der voranstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

1: Brennstoffleitung
2: Düse
3: Ventil
4: Brennstoff-Luft-Mischkammer
5: Gebläse
6: Luftleitrohr
7: Bremer
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

Düse zur Steuerung eines Durchflusses und/oder Druckes eines Fluids in einem Durchflußbereich, in dem ein einen Strömungswiderstand darstellender Körper mit einer einstellbaren Ausgangslage angeordnet ist, wobei der Körper (20a, 20' a) durch Anlegen einer steuerbaren mechanischen, elektrischen, magnetischen, elektromagnetischen und/oder elektromechanischen Kraft in dem Durchflußbereich (20b, 20'b) in Schwingung versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand des Körpers (20a, 20'a) über die Frequenz und/oder Amplitude der Schwingung dynamisch einstellbar ist.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (20a) berührungsfrei gelagert ist, zumindest einen Magneten (23), vorzugsweise in Form eines Permanentmagneten, umfaßt und durch Wechselwirkung mit einem Magnetfeld, vorzugsweise von zumindest einer, insbesondere außerhalb des Durchflußbereichs (20b) angeordneten, Spule (21) induziert, in Schwingung versetzbar ist.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (20'a) über eine mechanische Verbindung mit zumindest einem Antrieb in Schwingung versetzbar ist.
Düse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine Membrane (28') umfaßt, und die Membrane (28') mit zumindest einem Magneten (23'), insbesondere in Form eines Permanentmagneten, verbunden und über den Magneten (23') in Schwingung durch Wechselwirkung des Magneten (23') mit einem Magnetfeld, insbesondere induziert durch zumindest eine Spule (21'), versetzbar ist, wobei vorzugsweise der Magnet (23') und die Spule (21') außerhalb des Durchflußbereichs (20'b) angeordnet sind.
Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine Membrane umfaßt, und der Körper mittels zumindest eines, an der Membrane befestigten elektromechanischen Elements, insbesondere in Form eines piezoelelrtrischen Elements, in Schwingung versetzbar ist.
Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (20a, 20'a, 20''a) massiv oder hohl ausgestaltet ist.
Düse nach einem der vorangehenden Ansprüche, 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 derer der Abstand (22, 22') zwischen dem Körper (20a, 20' a) und der Durchflußleitung (20b, 20' b) variierbar ist.
Vorrichtung mit einer Düse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (2) die Brennstoffzufuhr für einen Brenner (7) steuert und/oder regelt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase des Brenners (7) durch einen Abgasweg (8) strömen, in dem ein Abgasfühler (10) angeordnet ist, der Abgaswerte erfaßt und an eine Steuer- und/oder Regeleinheit (11) weiterleitet, die mit der Düse (2) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, 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 stromaufwärts der Düse (2) und/oder stromaufwärts des Gebläses, und/oder einer Betätigungseinheit, wie einer Tastatur oder dergleichen, verbunden ist.