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Die Erfindung betrifft einen Volumenstromregler mit einer Venturidüseneinheit, insbesondere aus Kunststoff, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei einem bekannten Volumenstromregler in Form einer festen Baugruppe aus Kunststoff sind eine Venturidüse und eine sich an die Venturidüse, insbesondere deren Venturidüsendiffusor, gleichachsig anschließender Rohrkörper mit einer in diesem gelagerten Stellklappe kombiniert (
DE 195 37 063 C2 ). An der Baugruppe sind Ringkammern mit Druckentnahmeöffnungen angeordnet, die über Druckumformer mit einer Regeleinheit einen Stellantrieb der Stellklappe steuern. Die Venturidüse weist ein sich verengendes Einlaufteil auf, an das sich in Strömungsrichtung ein zylindrischer Halsteil und ein Diffusor anschließen. Die Venturidüse ist über ihre gesamte Länge koaxial in ein Rohrteil eingebaut. Vor dem Einlaufteil der Venturidüse ist an dem Rohrteil eine äußere Ringkammer angeformt. Weiterhin schließt sich die Venturidüse vor dem Einlaufteil und hinter dem Diffusor dicht an das Rohrteil an und bildet mit diesem eine innere Ringkammer, die mit dem Innenraum des Halsteils verbunden ist. Dieser Volumenstromregler mit der Venturidüseneinheit soll auch langfristig bei mit Fluiden belasteten Luftströmen oder Gasströmen, die zu regeln sind, eine hohe Messgenauigkeit und Regelgenauigkeit gewährleisten, auch bei schwierigen Strömungsverhältnissen auf der Einlaufseite. Bei einigen Anwendungen störend kann die relativ große Einbaulänge sein.
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Um den Volumenstrom, insbesondere pulverbelasteter gasförmiger Medien in einem weiten Messbereich zu messen und zu regeln, ist eine Drosselanordnung in einem Gehäuse mit rechteckförmigen Querschnitt bekannt, die zwei einander gegenüberstehend angeordnete, nach einer Seite über deren gesamte Breite gleichmässig gekrümmte Klappenblätter umfasst (
US 5 234 021 ). Die beiden Klappenblätter sind an einem ihrer Enden an zueinander gegenüberstehenden Innenseiten des Gehäuses gelagert und miteinander gekoppelt so verstellbar, dass sie in einer Endstellung zueinander trichterähnlich zulaufend an ihren lagerfernen Enden dicht beieinander liegen und so einen lichten Querschnitt des Gehäuses verschliessen. In ihrer entgegengesetzten Endstellung gelangen die Klappenblätter an zueinander gegenüberliegenden Gehäuseinnenseiten zur Anlage und bilden dort zylindersegmentförmige Verengungen. Druckentnahmeöffnungen sind stromaufwärts der Klappenblätteranordnung und in dem Bereich vorgesehen, in dem die Enden der gekrümmten Klappenblätter aneinander liegen können. Damit soll ein grösserer Regelbereich als zum Beispiel mit einer Venturidüse mit gleichbleibendem Strömungsquerschnitt erzielt werden sowie eine verhältnismässig kurze Bauweise. Die Anwendung der Drosselklappenanordnung einschränkend kann die Ausbildung des Gehäuses mit rechteckförmigem inneren Querschnitt sein.
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Bekannt ist auch eine Drosselanordnung in einem Strömungskanal, der einen runden Querschnitt aufweisen kann, bei dem die Drosselklappe zwei plane, im wesentlichen halbkreisförmige Drosselklappenhälften aufweist, die mit je einer Stellwelle symmetrisch zu einer Mittelachse in dem Strömungskanal verstellt werden können. Eine Druckentnahmestelle ist in Strömungsrichtung vor den beiden Drosselklappenhälften angeordnet und eine zweite Druckentnahmestelle ist in einem Bereich angeordnet, der zwischen den beiden Drosselklappenhälften eingeschlossen sein kann.
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Aus der gattungsgemäßen
US 1,685,205 A ist eine Vorrichtung zur Regelung eines Volumenstroms mit einer Venturidüseneinheit bekannt, wobei an der Venturidüseneinheit Druckentnahmeöffnungen vorgesehen sind, die über Druckumformer einen Stellantrieb einer Stellklappeneinheit steuern. Die Stellklappeneinheit ist im Anschluss an den Venturidüsendiffusor angeordnet. Die Stellklappe ist im Wesentlichen oval geformt, wobei bei Anlage der Stellklappe an der Innenseite der Venturidüseneinheit die innere Querschnittsebene in der Venturidüseneinheit kongruent zur Stellklappeneinheit oval ist.
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Grundsätzlich beschäftigt sich die DIN EN ISO 5167-4 mit der Durchflussmessung von Fluiden mit Drosselgeräten in volldurchströmten Leitungen mit Kreisquerschnitt und insbesondere Venturirohren.
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Schließlich ist aus der
FR 1212320 A ein Sperrventil mit einer im Querschnitt torusförmigen Dichtung bekannt, die an einer Stirnseite je einer planen Klappenblatthälfte des Ventils von deren Wand weg nach innen versetzt ist. Zur Anlage der Dichtung an der Innenseite des Fluidkanals ist an diesem eine ringförmige Anlagefläche angeformt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik einen Volumenstromregler mit einer Venturidüseneinheit zu schaffen, die besonders kompakt ist und sich gleichwohl durch gleichmässigen Wirkdruckkennlinienverlauf und damit verbundene hohen Messgenauigkeit auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch Volumenstromregler mit den in den Ansprüchen 1 und 2 genannten Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ausgehend von dem erfindungsgemässen Lösungsprinzip, wonach die Stellklappeneinheit direkt und strömungsgünstig in einem Venturidüsendiffusor angeordnet ist, wobei die Stellklappeneinheit im wesentlichen oval geformt ist und wobei eine innere Querschnittsebene in dem Venturidüsendiffusor, in der die Stellklappeneinheit zur Anlage an der Innenseite des Venturidüsendiffusors gelangt, kongruent zu der Stellklappeneinheit oval ist, können zwei Bauweisen realisiert werden, und zwar:
- wonach die Stellklappe als einzelnes, d. h. einziges planes ovales Klappenblatt ausgebildet ist,
- oder wonach die Stellklappeneinheit zwei Stellklappenhälften umfasst, die zu einer Mittelebene, in der die Mittelachse des Strömungskanals liegt, symmetrisch angeordnet und ausgebildet sind, die durch den Stellantrieb um eine Schwenkachse, die in der Mittelebene liegt, flügelartig verstellbar sind und die so geformt sind, dass sie in einer ersten Endstellung zur Anlage an der Innenseite des Venturidüsendiffusors gelangen und dass sie in einer zweiten, zu der ersten Endstellung entgegengesetzten Endstellung zusammen einen zumindest im wesentlichen geschlossenen stromlinienförmigen Stellklappenkörper bilden.
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Die Baulänge des Volumenstromreglers ist für beide Varianten der Stellklappeneinheit durch deren Anordnung in dem Venturidüsendiffusor minimiert.
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Um bei der Variante der Stellklappeneinheit als einzelnes planes ovales Klappenblatt eine dichte Anlage an einer Innenseite des Venturidüsendiffusors zu gewährleisten, ist die Stellklappe bzw. das Klappenblatt mit einer umlaufenden Dichtlippe aus einem chemisch beständigen thermoplastischen Elastomer versehen, die das Klappenblatt in einer Endstellung an der Innenseite des Venturidüsendiffusors abdichtet. Das Klappenblatt mit der umlaufenden Dichtlippe liegt somit in dieser Endstellung formschlüssig innen an dem Venturidüsendiffusor an.
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Mit der Variante, in der die Stellklappeneinheit zwei Stellklappenhälften umfasst, die zu einer Mittelebene symmetrisch angeordnet und ausgebildet sind sowie durch den Stellantrieb flügelartig um eine Schwenkachse, die in der Mittelebene liegt, verstellbar sind, werden ausserordentlich günstige akustische und strömungstechnische Eigenschaften erreicht, aus denen eine günstige Regelcharakteristik, mit der auch sehr niedrige Volumenströme genau geregelt werden können, resultiert. Die guten strömungstechnischen und akustischen Eigenschaften dieses Volumenstromreglers beruhen in erster Linie auf der strömungsgünstigen Geometrie der Stellklappeneinheit, insbesondere, wenn sich die beiden Stellklappenhälften in einer Endstellung zu dem im wesentlichen geschlossenen stromlinienförmigen Stellklappenkörper ergänzen, der nur geringe Druckverluste hervorruft und kaum Strömungsgeräusche verursacht. In dieser Endstellung der Klappeneinheit, die auch als zweite Endstellung bezeichnet wird, bewirkt die Stellklappeneinheit praktisch keine zusätzliche Drosselung der Venturidüse.
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Durch die Bewegungscharakteristik bzw. Verstellcharakteristik beider Varianten der Stellklappeneinheit ergeben sich auch geringe Regelzeiten.
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Die beiden Varianten des Volumenstromreglers mit Stellklappeneinheit werden im Folgenden anhand einer Zeichnung mit vier Figuren beschrieben, aus denen sich weitere vorteilhafte Merkmale ergeben können. Es zeigen:
- 1 Eine erste Variante des Volumenstromreglers mit einer Stellklappeneinheit, die als einzelnes planes ovales Klappenblatt ausgebildet ist, in einer Seitenansicht,
- 2 den Volumenstromregler gemäss 1 in einer Ansicht auf dessen auslassseitiges Ende,
- 3 eine zweite Variante des Volumenstromreglers mit einer Stellklappeneinheit, die zwei Stellklappenhälften umfasst, die in einer Endstellung einen im wesentlichen als Ellipsoidenabschnitt geformten Stellklappenkörper bilden, in einer Seitenansicht und
- 4 den Volumenstromregler gemäss 3 in einer Ansicht auf dessen auslassseitiges Ende.
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Vorzugsweise werden beide Varianten des Volumenstromreglers bzw. dessen Venturidüseneinheit mit der Stellklappeneinheit aus thermoplastischem Kunststoff gefertigt, der aus der Gruppe PVC, PPS und PP ausgewählt sein kann.
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Beiden Varianten können ohne weiteres wahlweise mit Muffen- oder Flanschanschluss realisiert werden.
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In den 1 und 3 ist mit einem Pfeil die Strömungsrichtung 1 angedeutet, in der die dargestellten Venturidüseneinheiten, die jeweils einen wesentlichen Bestandteil eines Volumenstromreglers bilden, durchströmt werden.
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In Strömungsrichtung 1 weist der in 1 darstellte Volumenstromregler bzw. dessen Venturidüseneinheit 2 an seinem bzw. ihrem einlassseitigen Ende eine Muffe 3 zum Anschluss an ein nicht dargestelltes Rohrteil sowie eine sich hieran in Strömungsrichtung anschliessende Druckkammer 4 auf, die aussen von einer Ringkammer 5 mit einer „Plus“-Druckentnahmeöffnung für relativ hohen Druck umgeben ist. Auf die Druckkammer 4 folgen in Strömungsrichtung ein Einlaufteil 6 der Venturidüse und anschliessend ein Hals 7, der von einer zweiten Ringkammer 8 mit einer Druckentnahmestelle für relativ niedrigen „Minus“-Druck umgeben ist. Von dem Hals 7 aus erweitert sich die Venturidüse in einem Venturidüsendiffusor 9. An ihrem auslassseitigen Ende ist die Venturidüseneinheit 2 mit einer zweiten Muffe 10 zum Anschluss an weitere rohrförmige Formstücke versehen.
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Im wesentlichen in dem Venturidüsendiffusor 9 ist ein planes ovales Klappenblatt 11 um eine Schwenkachse 12 schwenkbar angeordnet, die mit einer unterbrochenen Linie angedeutet ist, und zu einer Mittelachse 13 der Venturidüseneinheit 2 senkrecht orientiert ist. In 2 deutet diese unterbrochene Linie gleichzeitig eine Mittelebene an, in der die Schwenkachse 12 liegt.
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Aus 1 ist die ovale Form des Klappenblatts 11 ersichtlich, die mit einer unterbrochenen Linie dargestellt ist, und aus 2 die plane Form des einzigen Klappenblattes 11.
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Das Klappenblatt 11 in den 1 und 2 ist ebenso wie die Stellklappeneinheit mit den Stellklappenhälften 15, 16 in den 3 und 4 in einer Endstellung dargestellt, die auch als zweite Endstellung bezeichnet wird, in der das Klappenblatt 11 bzw. die Stellklappeneinheit den Durchfluss durch die Venturidüseneinheit 2, 18bzw. den mit ihr gebildeten Volumenstromregler praktisch nicht drosselt.
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Das Klappenblatt 11 ist durch einen Stellantrieb 14, der von einer Reglereinheit gesteuert wird, schwenkbar. Hierzu ist die Regeleinheit an die „Plus“-Druckentnahmeöffnung der Ringkammer 5 und an die der „Minus“-Druckentnahmeöffnung der zweiten Ringkammer 8 angeschlossen.
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In der in den 1 und 2 nicht dargestellten zweiten Stellung des Volumenstromreglers, also bei maximaler Drosselung des Durchflusses, liegt das Klappenblatt 11 mit seinem ovalen Rand dicht bzw. formschlüssig an einer Innenseite des Venturidüsendiffusors 9 an, die hierzu kongruent zu dem Klappenblatt 11 ausgebildet ist.
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Die Ausführungsform des Volumenstromreglers gemäss den Figuren, 3 und 4 unterschiedet sich von der oben beschriebenen Ausführungsform gemäss den 1 und 2 im wesentlichen durch die Ausbildung der Stellklappeneinheit und des sie antreibenden Stellantriebs. Die übereinstimmenden Teile zwischen der ersten Ausführungsform gemäss den 1 und 2 und der zweiten Ausführungsform gemäss den 3 und 4 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und bedürfen keiner weiteren Erläuterung.
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In der zweiten Ausführungsform ist die Stellklappeneinheit nicht einstückig plan oval ausgebildet, sondern sie umfasst zwei Stellklappenhälften 15 und 16, die zu einer Mittelebene symmetrisch angeordnet und ausgebildet sind, siehe 4, in der die Mittelebene in der Schwenkachse 17 liegt, die wiederum rechtwinklig zu der Mittelachse 13 orientiert ist.
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In der in den 3 und 4 gezeigten Stellung sind die Stellklappenhälften 15, 16 zu einem räumlichen stromlinienförmigen Drosselkörper geschlossen, der einen Ellipsoidenabschnitt darstellt. Die Ellipsoidenabschnittform der Stellklappeneinheit ergibt sich aus einer Zusammenschau der 3 und 4. Mit ihr wird ein minimaler Strömungswiderstand bzw. eine minimale Drosselung des Volumenstromreglers in der Venturidüseneinheit 18 erzielt.
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In 3 ist mit einer unterbrochenen Linie 19 dargestellt, dass die Stellklappenhälfte 16 nahe der Schwenkachse 17 endet. Entsprechend endet auch die Stellklappenhälfte 15.
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Wenn die beiden Stellklappenhälften 15 und 16 durch einen Stellantrieb 20 gegenläufig auseinander bewegt sind, bilden sie keinen geschlossenen Stellklappenkörper, sondern die Stellklappeneinheit ist offen, womit der Durchfluss entsprechend gedrosselt wird. In einer offenen Endstellung, in der beiden Stellklappenhälften 15, 16 an der Innenwand des Venturidüsendiffusors 9 dicht anliegen, ist der Durchfluss gesperrt.
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Um das zueinander gegenläufige flügelartige Schwenken der Stellklappenhälften 15 und 16 zu bewirken, sind diese in dem Stellantrieb 20 miteinander gekoppelt.
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Weiterhin sind in 4 scharnierartige Elemente 22 gezeigt, die um die gemeinsame Schwenkachse 17 durch den Stellantrieb 20 schwenkbar sind. Sie sind hierzu abwechselnd mit der einen und mit der anderen Stellklappenhälfte 15 bzw. 16 verbunden. Die gemeinsame Schwenkachse 17 ermöglicht ein vollständiges Schliessen der beiden Stellklappenhälften 15, 16 in der geschlossenen Stellung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pfeil (Strömungsrichtung)
- 2
- Venturidüseneinheit
- 3
- 1. Muffe
- 4
- Druckkammer
- 5
- 1. Ringkammer
- 6
- Einlaufteil
- 7
- Hals
- 8
- 2. Ringkammer
- 9
- Venturidüsendiffusor
- 10
- 2. Muffe
- 11
- Klappenblatt
- 12
- Schwenkachse
- 13
- Mittelachse
- 14
- Stellantrieb
- 15
- Stellklappenhälfte
- 16
- Stellklappenhälfte
- 17
- Schwenkachse
- 18
- Venturidüseneinheit
- 19
- Ende der Stellklappenhälfte 16
- 20
- Stellantrieb
- 22
- scharnierartige Elemente
