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Die
Erfindung betrifft einen Volumenstromregler ohne Hilfsenergie zur
Volumenstromregelung gemäß der im
Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.
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Derartige
Volumenstromregler werden zur Regelung des Volumenstromes in Anlagen,
beispielsweise in Heizungsanlagen, Lüftungsanlagen oder Klimaanlagen
eingesetzt, wobei keine Hilfsenergie zur Regelung erforderlich ist.
Bei einer Soll-Ist-Wertdifferenz bewegt eine freigesetzte Kraft einen
Ventilkegel. Diese Regler entziehen ihren Energiebedarf dem Durchflussmedium.
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Ein
Problem bei diesen Reglern besteht jedoch darin, dass die Regelungseigenschaften
bei einem hohen hydraulischen Widerstand einer Anlage sich verschlechtern.
Dies kann beispielsweise auftreten, wenn in der Anlage ein Filter
angeordnet ist und dieser stark verschmutzt oder verstopft ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Volumenstromregler gemäß der im
Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, der unter
Vermeidung der genannten Nachteile verbesserte Regeleigenschaften
auch bei erhöhtem
hydraulischem Widerstand in den Leitungen der Anlage bietet.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Volumenstromregler mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen
gelöst.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei steigendem hydraulischen
Widerstand einer Anlage die Drossel bzw. der Kegel zwar weiter öffnen kann,
wenn jedoch die maximale Drosselöffnung
erreicht ist und der Anlagenwiderstand weiter steigt, kann der Volumenstrom
nicht mehr geregelt werden. Insbesondere liegt dies darin begründet, dass
der Volumenstrom ab einem bestimmten hydraulischen Widerstand erheblich
fällt bzw.
praktisch zusammenbricht. Dies beruht auf der Feststellung, dass
ab einer bestimmten Druckdifferenz der Hub rasant sich verändert bzw.
eine Hub-Druckdifferenz-Kennlinie
in der Nähe
des Hubanschlages etwa stark exponentiell ansteigt.
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Durch
die erfindungsgemäße Überwachung eines
maximal zulässigen
Hubes des Regelkreises im Volumenstromregler kann in vorteilhafter
Weise eine Warnung signalisiert werden, die anzeigt, dass der hydraulische
Anlagenwiderstand, beispielsweise infolge eines verstopften Filters,
zu groß geworden ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung können zusätzliche
Volumenstromsensoren, um eine Filterverstopfung zu kontrollieren,
entfallen, wodurch ein Kosteneinspareffekt eintritt. Außerdem kann
der Volumenstrom direkt und unabhängig vom Gesamtdifferenzdruck
der Anlage geregelt werden, solange der hydraulische Anlagenwiderstand
nicht unzulässig hoch
ist.
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Eine
Signalisierung kann außerdem
praktisch als Vorwarnung erfolgen, d.h. noch während die Regelungseigenschaften
zwar noch nicht beeinträchtigt
sind, aber ein Filter bereits stark verschmutzt ist. Dies ist möglich, weil
der Hub ab einer bestimmen Druckdifferenz rasant ansteigt. So kann
ein Filter rechtzeitig ohne Funktionsbeeinträchtigung der Anlage ausgewechselt
oder gereinigt werden, wobei der Filter trotzdem optimal ausgenutzt
wird.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Volumenstromreglers
ist vorgesehen, dass das Mittel als elektrischer Wegaufnehmer ausgeführt ist.
Hierdurch ist eine elektrische Signalisierung und Signalverarbeitung
möglich.
So kann ein elektrischer Schwellwert festgelegt werden, der kurz vor
dem Hubanschlag liegt. Wird dieser überschritten, so kann der Wegaufnehmer
ein elektrisches Alarmsignal liefern, der in einer Kontrollwarte
oder dergleichen feststellbar ist. Auch kann die Hubstellung leicht
erfasst und angezeigt werden. So kann eine digitale LCD-Anzeige
oder eine andere digitale oder analoge Anzeige verwendet werden,
um zusätzlich
die genaue Hubposition des Ventilkegels anzuzeigen.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterentwicklung ergibt sich dadurch, dass
der elektrische Wegaufnehmer als induktiver Näherungsschalter zur Distanzmessung
einer metallischen Kuppelstange des Membranantriebes ausgeführt ist.
Derartige Näherungsschalter
arbeiten praktisch verschleißfrei
und weisen eine sehr hohe Lebensdauer auf. Auch sind sie gegenüber Verschmutzung
und anderen Umgebungseinflüssen
sehr unempfindlich und daher robust. Durch die Nutzung der ohnehin
vorhandenen Kuppelstange des Reglers müssen nur geringe konstruktive
Veränderungen
des Reglers erfolgen. Dies gilt insbesondere, wenn eine Befestigungshülse zum Beispiel
aus Kunststoff im Bereich der an der Membran befestigten Kuppelstange
eingesetzt wird, in welcher der Näherungsschalter einschraubbar
ist.
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Alternativ
können
auch andere elektrische oder elektromechanische Lösungen verwendet
werden. So kann alternativ das Mittel als mechanisches Kontaktelement
bzw. als Kontaktschalter ausgeführt sein.
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Zweckmäßigerweise
ist das Mittel mit einem elektrischen Signalisierungselement oder
Signalisierungseinheit elektrisch wirkverbunden, sodass eine elektrische
Signalisierung der kritischen Hubstellung erfolgt. Das Signalisierungselement
bzw. die Signalisierungseinheit kann eine optische Anzeige oder eine
akustische Meldeanzeige umfassen. Dies erleichtert eine Wartung
der Anlage.
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Alternativ
kann das Mittel als mechanisch-optische Anzeige mit einem Anzeigeelement ausgeführt sein.
Diese Lösung
ist mit sehr geringen Kosten verbunden. So kann ein Anzeigestößel mit
einer roten Markierung oder ähnliches
kostengünstig umgesetzt
werden. Diese Lösung
hat außerdem
den Vorteil, dass keine Hilfsenergie für die Warnmeldung erforderlich
ist.
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Eine
in der Praxis bewährte
vorteilhafte Konstruktion des Volumenstromreglers ergibt sich, wenn die
Drossel oder Blende durch eine Sollwertschraube als Stellmittel
zur Sollwerteinstellung des Volumenstromes verstellbar ausgeführt ist.
Hierbei ist zweckmäßigerweise,
auf der Ventilkegelseite eine Stellfeder zwischen der Membran und
dem Ventilkegel vorhanden. So können
Stellkräfte
optimal eingestellt und ein Proportionalregler erreicht werden.
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Um
eine Volumenstromregelung ohne Hilfsenergie zu realisieren, wird
bevorzugter Weise ein Ende der hydraulischen Steuerleitung mit einer
dem Ventilkegel abgewandten Membrankammerseite verbunden, während sein
anderes Ende an einer vor der Drossel oder Blende vorhandenen Druckseite
angeordnet ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ein
Ausführungsbeispiel
wird anhand der Zeichnungen näher
erläutert,
wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Vorteile
derselben beschrieben sind. Es zeigen:
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1 eine
Darstellung eines erfindungsgemäßen Volumenstromreglers,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
des Volumenstromreglers, und
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3 eine
Volumenstrom-/Hubkurvendarstellung des Reglers.
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In
den Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Volumenstromreglers 1 ohne
Hilfsenergie. Dieser dient zur Volumenstromregelung ohne Hilfsenergie
in einer Anlage, wie eine Heizungs-, Lüftungs- oder Klimaanlage.
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Der
Volumenstromregler 1 umfasst ein Regelventil 2,
der mir einer Drossel 3 versehen ist. Anstelle der Drossel 3 kann
auch eine Blende eingesetzt werden. Weiterhin weist der Regler 1 einen
in Abhängigkeit
des – in
Pfeilrichtung V angedeuteten – Volumenstromes
beweglichen Ventilkegel 4 auf. Die von der Drossel 3 freigegebenen
Flächen
beeinflussen den zu regelnden Volumenstrom. Hierbei ist der Ventilkegel 4 verschiebbar,
sodass das Ventil 2 geöffnet
oder geschlossen wird.
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Ein
Stellmittel, insbesondere eine Sollwertschraube 5 dient
zur Sollwerteinstellung des Volumenstromes V. Wie 1 weiterhin
veranschaulicht, ist ein Membranantrieb 6 mit einer hydraulischen Steuerleitung 7 vorhanden.
Der Membranantrieb 6 besteht aus einer Membran 8,
die zwischen zwei beweglichen Membrantellern 9 geklemmt
ist. Die Membran 8 unterteilt eine Druckkammer 10 in
zwei Druckkammerhälften 11 und 12.
An der Membran 8 ist der Ventilkegel 4 befestigt,
und zwar vorzugsweise über eine
Kegelstange 19.
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Erfindungsgemäß umfasst
der Volumenstromregler 1 ein Mittel 13 zur Vorwarnung
oder Signalisierung einer kri tischen Hubstellung des Ventilkegels 4,
bei welcher der Ventilkegel 4 derart weit geöffnet ist,
dass bei steigendem hydraulischen Widerstand in den Leitungen der
Anlage ein relativ starker Abfall des Volumenstromes stattfindet.
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Das
Mittel 13 kann als elektrischer Wegaufnehmer, als mechanisches
Kontaktelement oder als mechanisch-optische Anzeige ausgeführt sein.
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Das
Mittel 13 sitzt am freien Ende einer Kuppelstange 14,
insbesondere einer Niro-Stange. Diese fluchtet mit der Kegelstange 19,
welche die Membran 8 bzw. Stellmembran durchragt und am
anderen Ende den Ventilkegel 4 trägt. Wie 1 auch veranschaulicht,
ist der Ventilkegel 4 mit der vorwiegend auf der dem Ventilkegel 4 zugewandten
Membranseite angeordneten hubveränderlichen
Kegelstange 19 verbunden, wobei die Kegelstange 19 mit
der Kuppelstange 14 verbunden ist.
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Auf
der Ventilkegelseite ist weiterhin eine Stellfeder 15 zwischen
der Membran 8 und dem Ventilkegel 4 vorhanden.
Diese sorgt für
die erforderliche Stellkraft des Ventilkegels 4. Ein Ende 16 der
hydraulischen Steuerleitung 7 ist mit einer dem Ventilkegel 4 abgewandten
Membrankammerseite verbunden, während
sein anderes Ende 17 an einer vor der Drossel 4 vorhandenen
Druckseite angeordnet ist.
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Der
Volumenstromregler 1 besteht außerdem aus einem Ventilgehäuse 20 mit
Gehäuseschrauben 26,
einer Kappe 21 im Bereich der Sollwertschraube 5,
um ihre ungewollte Betätigung
zu verhindern, einer Durchflusseingangs öffnung 22 und eine
Durchflusseingangsöffnung 23 mit Überwurfmuttern 24 und
Dichtungen sowie einem Sitz 25 zwischen Drossel 3 und
Ventilkegel 4.
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Der
beschriebene Regler arbeitet als mediumgesteuerter Proportionalregler,
wobei jede Abweichung von dem durch die Sollwertschraube 5 eingestellten
Sollwert eine bestimmte Stellung des Ventilkegels 4 zugeordnet
ist. Der zu regelnde Volumenstrom erzeugt einen Differenzdruck an
der Membranfläche
der Membran 8 und eine Kraft Fm. Diese der Regelgröße – Istwert – proportionale
Kraft wird an der Kegelstange 19 mit der durch die Sollwertschraube 5 einstellbaren
Federkraft FS der Stellfeder 15 verglichen. Wenn sich der
Volumenstrom ändert, ändert sich
auch die Kraft Fm, sodass die Kegelstange 19 solange verstellt
wird, bis Fm = FS gilt. Mit steigender Regelgröße schließt das Regelventil 2.
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Das
Regelventil 2 wird in Pfeilrichtung V von dem Medium durchströmt. Dabei
beeinflussen die von der einstellbaren Drossel 3 und dem
Ventilkegel 4 freigegebene Flächen den Volumenstrom.
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Die
beschriebene Volumenstromregelung geschieht nach dem Wirkdruckverfahren.
Der an der Drossel 3 erzeugte Wirkdruck ΔpWirk wird
auf die Membranfläche
des Membranantriebes 6 übertragen.
Die Kraftdifferenz zwischen der Kraft an der Membran 8 und
der Federkraft der Stellfeder 5 bewirkt eine Veränderung
der Ventilkegelstellung. Dabei besteht zwischen dem Volumenstrom,
dem an der Drossel 3 entstehende Wirkdruck ΔpWirk und
der an der Membran 8 anstehenden Kraft Fm folgender Zusammenhang: V = K·√ΔpWirk = K·√Fm bzw.
V2 K'·ΔpWirk = K'·Fm ΔpWirk = Fm/A
- V
- = Volumenstrom
- Fm
- = Kraft an der Membranfläche
- ΔpWirk
- = Wirkdruck, speziell
für die
Volumenstrommessung erzeugter Druckabfall an der Drosselstelle
- K, K'
- = Konstanten
- A
- = Membranfläche
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Hierbei
wird der vor der Drossel 3 entstehende „Plusdruck" über
die Steuerleitung 7 auf die „Plusseite" (+) des Membranantriebes 6 übertragen.
Der hinter der Drossel 3 entstehende „Minusdruck" wirkt über eine
Bohrung im Ventilkegel 4 auf die „Minusseite" (–) der Membran 8.
An der Membran wird der Wirkdruck ΔpWirk praktisch in die Stellkraft
Fm zur Verstellung des Ventilkegels 4 umgeformt. Diese Kraft
Fm dient also zur Verstellung des Ventilkegels 4 in Abhängigkeit
von der Kraft der Stellfeder 15.
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Zur Überwachung
des maximal zulässigen Hubes
des Regelkreises ist in bevorzugter Weise der elektrische Wegaufnehmer
als induktiver Näherungsschalter 33 zur
Distanzmessung der metallischen Kuppelstange 14 des Membranantriebes
ausgeführt, wie
in 2 gezeigt ist. Die Kuppelstange 14 weist einen
möglichen
Hub D von 5 bis 10 mm, insbesondere etwa 6 bis 7 mm auf. Diese ist
in einem Gehäuseteil 30 des
Ventilgehäuses 20 gelagert.
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Wie 2 veranschaulicht,
ist eine Befestigungshülse 31,
insbesondere aus Kunststoff, im Bereich der an der Membran 8 befestigten
Kuppelstange 14 vorhanden, in welcher der Näherungsschalter 33 an
einem Hülsenende
einschraubbar ist. Das andere Hülsenende
ist an dem Gehäuseteil 30 verschraubbar,
und zwar an einem bolzenartigen Fortsatz 34.
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Der
Näherungsschalter 33 kann
mit einem elektrischen Signalisierungselement oder Signalisierungseinheit
elektrisch wirkverbunden sein, sodass eine elektrische Signalisierung
der kritischen Hubstellung erfolgt. Beispielsweise kann nach Einschalten
des Näherungsschalters
eine Leuchtanzeige, wie blinkende LED oder ähnliches angesteuert werden.
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3 zeigt
eine typische Δp-/Hub-/Volumenstromkennlinie.
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Die
Druckdifferenz Δp
in der Abszisse der Kennlinie bezieht sich auf die Anlage. Die Hubkennlinie
ist durch H gekennzeichnet.
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Mit
steigendem hydraulischen Anlagenwiderstand hinter dem Ventilregler 2 muss
der Kegel 4 weiter öffnen.
Wenn die maximale Kegelöffnung
erreicht wird und der Anlagenwiderstand weiter steigt, kann der
Volumenstrom V nicht mehr geregelt werden und fällt, wie 3 zeigt.
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Hier
setzt die Erfindung an. Durch Überwachung
eines maximal zulässigen
Hubes des Regelkreises im Volumenstromregler 1 mit Hilfe
des Näherungsschalters 33 kann eine
Warnung „Filter
verstopft" signalisiert
werden. Eine maximale kritische Hubstellung des Regelkreises wird
signalisiert, bevor der Anlagenwiderstand, insbesondere durch einen verstopften
Filter zu groß wird.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Mittel 13 – Näherungsschalter 33 – zur Vorwarnung
oder Signalisierung einer kritischen Hubstellung des Ventilkegels 4 vorhanden
ist, bei welcher der Ventilkegel 4 derart weit geöffnet ist,
dass bei steigendem hydraulischen Anlagenwiderstand ein relativ
starker Abfall des Volumenstromes stattfindet. Das Mittel 13 ist
mit dem Regler 1 direkt wirkverbunden.
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- 1
- Volumenstromregler
- 2
- Regelventil
- 3
- Drossel
- 4
- Ventilkegel
- 5
- Sollwertschraube
- 6
- Membranantrieb
- 7
- Steuerleitung
- 8
- Membran
- 9
- Membranteller
- 10
- Druckkammer
- 11,
12
- Druckkammerhälften
- 13
- Mittel
- 14
- Kuppelstange
- 15
- Stellfeder
- 16
- Erstes
Ende
- 17
- Zweites
Ende
- 18
- –
- 19
- –
- 20
- Ventilgehäuse
- 21
- Kappe
- 22
- Erste
Durchflusseingangsöffnung
- 23
- Zweite
Durchflusseingangsöffnung
- 24
- Überwurfmutter
- 25
- Sitz
- 26
- Gehäuseschrauben
- 30
- Gehäuseteil
- 31
- Befestigungshülse
- 32
- –
- 33
- Näherungsschalter
- 34
- bolzenartiger
Fortsatz
- H
- Hub-
bzw. Öffnungsgrad
des Ventils
- D
- Hub
- V
- Volumenstrom