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Die Erfindung betrifft einen mechanisch selbsttätigen Volumenstromregler mit
- – einem Kanalstück, dessen Mantel einen Innenraum umschließt und das einen Eintrittsquerschnitt und einen Austrittsquerschnitt jeweils für das Kanalstück durchströmende Luft aufweist,
- – einer in dem Innenraum des Kanalstücks angeordneten Drosselklappe, deren Drosselklappenblatt um eine Drehachse drehbar gelagert ist, wobei mittels einer Drehung des Drosselklappenblatts um die Drehachse ein freier Querschnitt des Kanalstücks veränderbar ist, wobei das Drosselklappenblatts zumindest abschnittsweise Perforationen aufweist.
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Stand der Technik
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Volumenstromregler der vorgenannten Art werden im Bereich der technischen Gebäudeausstattung, insbesondere der Lüftungstechnik, sehr häufig eingesetzt und dienen dazu, den Luftvolumenstrom, der beispielsweise aus einem Luftauslass in einen zu belüftenden Raum austritt, unabhängig von eventuellen Schwankungen im Rohrdruck in dem Rohrleitungssystem konstant zu halten. Mechanisch selbsttätige Volumenstromregler haben gegenüber elektronischen Volumenstromreglern den Vorteil, dass sie keinerlei Fremdenergie benötigen, um ihre Regelaufgabe auszuüben. So entfällt insbesondere die Notwendigkeit, einen mechanisch selbsttätigen Volumenstromregler an ein elektrisches Leitungsnetz anzuschließen, wodurch bei großen Gebäuden nicht unerhebliche Leitungslängen eingespart werden können.
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Gegenüber vollständig geschlossenen Drosselklappenblättern weisen solche mit abschnittsweise oder vollflächig, gleich verteilt angeordneten Perforation den Vorteil auf, dass die akustischen Eigenschaften des jeweiligen Volumenstromreglers verbessert werden. Während bei Drosselklappenblättern ohne Perforationen stromabwärts der Drosselklappe ein großer Wirbel erzeugt wird, der entsprechend große Schallemissionen hervorruft, sind aufgrund des Luftdurchtritts durch die Perforationen hinter dem Drosselklappenblatt eine Vielzahl kleiner Wirbel vorhanden, die von der Schallabstrahlung her wesentlich günstiger sind.
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Im Zuge einer zunehmenden Anforderung, Lüftungsanlagen energetisch günstiger als in der Vergangenheit zu betreiben, sind nicht nur die an den Luftauslässen selbst auftretenden Druckverluste spürbar reduziert worden, sondern auch an Volumenstromregler wird die Aufgabe gestellt, die Regelfunktion mit einem deutlich geringeren Druckverlust als früher auszuüben. Mechanisch selbsttätige Volumenstromregler kommen daher häufig heute an ihre Grenzen, insbesondere wenn auf komplizierte Feder-Kurvenscheibe-Mechanismen zur Linealisierung der Kennlinie verzichtet werden soll.
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Aufgabe
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen mechanisch selbsttätigen Volumenstromregler vorzuschlagen, der seine Regelaufgabe auch bei deutlich kleineren Druckverlusten und kleineren Strömungsgeschwindigkeiten der Luft mit hoher Regelgüte erfüllen kann.
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Lösung
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Ausgehend von dem Volumenstromregler der eingangs beschriebenen Art wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Flächenschwerpunkt des Drosselklappenblatts in einem Abstand von der Drehachse angeordnet ist.
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Der erfindungsgemäße Abstand des Flächenschwerpunkts des Drosselklappenblatts von der Drehachse bewirkt eine Erhöhung des Klappenschließmoments bei Auslenkungen der Drosselklappe aus einer Ruheposition, in der die Längsachse des Kanalstücks mit der Ebene des Drosselklappenblatts zusammenfällt. Die Erhöhung des Klappenschließmoments ermöglicht es, eine sehr viel höhere Regelgüte insbesondere auch bei sehr geringen Druckverlusten zu erreichen, als dies bei Volumenstromreglern der Fall ist, bei denen die Drehachse des Drosselklappenblatts durch den Flächenschwerpunkt des Drosselklappenblatts verläuft. Somit kann der erfindungsgemäße Volumenstromregler insbesondere bei energieoptimierten Lüftungsanlagen mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten und bei Generierung sehr geringer Druckverluste eine sehr gute Regelqualität vorweisen.
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Um eine besonders gute Regelgüte zu erreichen, ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen Drehachse und Flächenschwerpunkt des Drosselklappenblatts mindestens 10 mm, vorzugsweise mindestens 15 mm, weiter vorzugsweise mindestens 20 mm, beträgt, da somit ein optimales Klappenschließmoment erreicht werden kann.
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Eine gewünschte Drehung des Drosselklappenblatts kann aufgrund einer Erhöhung des Klappenschließmoments auf einer Seite des Drosselklappenblatts verursacht werden, wobei das Drosselklappenblatt entlang seiner Drehachse in eine erste und eine zweite Seite unterteilt werden kann. Zur Erhöhung des Klappenschließmoments muss bei einer gleich bleibenden Kraft, welche von dem Volumenstrom erzeugt wird, eine angeströmte Fläche einer Seite erhöht werden. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass die Summe der Flächen aller Perforationen, die auf einer ersten Seite der Drehachse des Drosselklappenblatts angeordnet sind, größer ist als die Summe aller Perforationen, die auf der anderen zweiten Seite der Drehachse des Drosselklappenblatts angeordnet sind. Daraus ergibt sich, dass die angeströmte Fläche der zweiten Seite und somit das auf diese wirkende Klappenschließmoment größer ist als auf der ersten Seite.
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Vorteilhafterweise sind alle Perforationen rund. Die runden Perforationen sind besonders kostengünstig und schnell herzustellen (beispielsweise durch Stanzen), weshalb diese bevorzugt werden. Mittels der runden Perforationen kann ein günstiges Strömungsprofil erreicht werden, so dass der Geräuschpegel gering gehalten wird und auf einen Schalldämpfer verzichtet werden kann.
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Um das Herstellungsverfahren weiterhin zu vereinfachen, kann es sinnvoll sein, dass alle Perforationen die gleiche Querschnittsfläche aufweisen. Daraus ergibt sich ferner der Vorteil, dass sich besonders einfach die Summe aller Perforationen berechnen lässt, womit wiederum eine Geschwindigkeit des Luftvolumenstroms ermittelt werden kann.
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Alternativ ist vorgesehen, dass Perforationen mit unterschiedlichen Querschnittsflächen vorhanden sind. Dadurch kann bewirkt werden, dass in Bereichen, die mit einer größeren Luftmenge zu Drehung der Drosselklappe beaufschlagt werden, weniger große Perforation aufweisen, als andere Bereiche, durch welche die Luft möglichst großflächig durchströmen soll.
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Eine Weiterentwicklung des Kanalstücks sieht vor, dass der Querschnitt des Kanalstücks und das Drosselklappenblatt rund oder ovalförmig oder rechteckig sind. Insbesondere ein runder Querschnitt des Kanalstücks sowie des Drosselklappenblattes weisen den Vorteil auf, dass ein Anstoßen des Drosselklappenblatts an dem Kanalstück verhindert wird. Es gibt jedoch auch Kanalstücke, die einen eckigen oder ovalen Querschnitt aufweisen, weshalb in diesen Kanalstücken entsprechend ein eckiges oder ein ovales Drosselklappenblatt eingesetzt werden soll.
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Vorgenanntes ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil bei einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen ist, dass eine Fläche, die von einer Umrisslinie des Drosselklappenblatts umschlossen wird und bei der Perforationen unberücksichtigt bleiben, mindestens 80 %, vorzugsweise mindestens 85 %, weiter vorzugsweise mindestens 90 %, der Querschnittsfläche des Kanalstücks in einem Bereich der Drehachse des Drosselklappenblatts beträgt. Die Querschnittsfläche des Drosselklappenblatts sollte derart gewählt werden, dass ein Anecken des Drosselklappenblatts an dem Kanalstück verhindert wird, dennoch sollte das Drosselklappenblatt so groß sein, dass eine möglichst große Fläche des Kanalstücks strömungstechnisch verschließbar ist.
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Die Erfindung weiter ausgestaltend ist vorgesehen, dass die Drehachse des Drosselklappenblatts durch den Schwerpunkt der Fläche verläuft, die von der Umrisslinie des Drosselklappenblatts umschlossen wird und bei der Perforationen unberücksichtigt bleiben, und dass vorzugsweise nur auf einer Seite der Drehachse des Drosselklappenblatts Perforationen vorhanden sind. Diese Weiterentwicklung ist besonders bei runden Drosselklappenblättern vorteilhaft, da eine Verschiebung der Drehachse gegebenenfalls zu einem Anecken des Drosselklappenblatts an dem Mantel des Kanalstücks führt. Die erste Seite des Drosselklappenblatts weist die Perforationen auf, weshalb der Luftvolumenstrom mit geringem Widerstand durch diesen Teil des Kanalstücks strömen kann. Die zweite Seite ohne Perforationen bildet wiederum einen Widerstand in dem Kanal, weshalb ein Klappenschließmoment auf die zweite Seite wirkt und die Drosselklappe verschließen will. Mittels dieser Anordnung kann eine gute Regelgüte erreicht werden.
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Gemäß einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Drehachse in einem Einbauzustand des Volumenstromreglers vertikal oder horizontal ausgerichtet ist. Sowohl in einer vertikalen als auch in einer horizontalen Ausrichtung der Drehachse kann die gewünscht Regelgüte erreicht werden.
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Um eine möglichst reibungsarme Drehung der Drosselklappe um ihre Drehachse zu erreichen, ist schließlich noch vorgesehen, dass eine die Drehachse definierende Welle oder die Drehachse definierende Wellenzapfen jeweils spitz zulaufende Enden aufweisen, die in angepassten Lagervertiefungen gelagert sind, die vorzugsweise in dem Mantel des Kanalstücks angeordnet sind. Die Drehung sollte vorzugsweise reibungsfrei erfolgen, so dass kein Widerstand, in einer unvorhersehbaren Größenordnung, auf die Drehung der Drehachse wirken kann und somit die Regelgüte negativ beeinflusst.
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Ausführungsbeispiele
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren dargestellt werden, näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: ein Kanalstück mit einem erfindungsgemäßen mechanisch selbsttätigen Volumenstromregler,
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2: ein Kanalstück mit einem daran angrenzenden Gehäuse und einem Volumenstromregler gemäß 1,
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3: ein Kanalstück mit einem erfindungsgemäßen Volumenstromregler gemäß 1 und einem Dämpfer,
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4: ein erfindungsgemäßer Volumenstromregler in einer ersten Ausführungsform,
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5: ein erfindungsgemäßer Volumenstromregler in einer zweiten Ausführungsform,
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6: ein erfindungsgemäßer Volumenstromregler in einer dritten Ausführungsform, und
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7: Momentenverläufe unterschiedlicher Volumenstromregler.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen mechanisch selbsttätigen Volumenstromregler 1 der in einem Kanalstück 2 angeordnet ist. Ein mit einem Luftvolumenstrom durchströmter Innenraum 3 des Kanalstücks 2 wird von einem Mantel 4 umgeben. Der Luftvolumenstrom, welcher mit einem Pfeil 5 gekennzeichnet ist, tritt durch einen Eintrittsquerschnitt 6 des Kanalstücks 2 in letzteres ein und strömt aus einem Austrittsquerschnitt 7 wieder aus. Damit der Luftvolumenstrom konstant gehalten werden kann, befindet sich in dem Kanalsstück 2 der selbsttätige Volumenstromregler 1 in Form einer Drosselklappe 8. Die Drosselklappe 8 ist drehbar um eine horizontale Drehachse 9 gelagert und kann einen freien mit Luft durchströmten Querschnitt 10 des Kanalstücks 2 vergrößern oder verkleinern.
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In einer hier nicht dargestellten Ruheposition der Drosselklappe 8 ist ein Drosselklappenblatt 11 entlang einer Längsachse 12 des Kanalstücks 2 angeordnet. Das Drosselklappenblatt 11 kann aus dieser Ruheposition um einen Klappenwinkel f gedreht werden, wobei eine hier nicht dargestellte Schließstellung des Drosselklappenblatts 11 dann gegeben ist, wenn der Winkel f 90° beträgt. In der Schließstellung ist der Querschnitt 10 des Kanalstücks 2 fast vollständig von dem Drosselklappenblatt 11 verschlossen. Es befindet sich lediglich zwischen einer Umrisslinie 17 gemäß 4 des Drosselklappenblatts 11 und dem Mantel 4 des Kanalstücks 2 ein hier nicht dargestellter Abstand von 1 mm. Eine Querschnittsfläche 18 des Drosselklappenblatts 11 beträgt somit circa 90% einer Querschnittsfläche 13 des Kanalstücks 2.
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Die 2 entspricht weitestgehend der 1, wobei unmittelbar an dem Austrittsquerschnitt 7 des Kanalstücks 2 ein Gehäuse 14 angeordnet ist. Die Drosselklappe 8 befindet sich unmittelbar in dem Austrittsquerschnitt 7.
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Das in der 3 dargestellte Kanalstück 2 entspricht dem Kanalstück 2 gemäß 1. Der darin angeordnete Volumenstromregler 1 weist zusätzlich zu der Drosselklappe 8 einen Dämpfer 15 auf, mittels dessen eine maximale Schließstellung der Drosselklappe 8 eingestellt werden kann. Der Dämpfer 15 setzt sich aus einem Dämpferrohr 16 mit einem darin integrierten Kolben 17, einer Zugfeder 18 sowie einer Lagerung 19 der Zugfeder 18 zusammen. Die Zugfeder 18 ist an einer Position mit der Drosselklappe 8 befestigt.
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Die 4 zeigt eine erfindungsgemäße Drosselklappe 8 mit einem runden Querschnitt. Eine Umrisslinie 20 definiert eine Querschnittsfläche 21 der Drosselklappe 8, wobei Perforationen unberücksichtigt bleiben. An zwei sich gegenüberliegenden Positionen 22, 23 auf der Umrisslinie 20 befinden sich zwei stoffschlüssig mit der Drosselklappe 8 verbundene Wellenzapfen 24, 25. Die Wellenzapfen 24, 25 können an dafür vorgesehene hier nicht dargestellte Ausnehmungen an dem Mantel 4 des Kanalstücks 2 gemäß 1 eingesetzt werden, so dass die Drosselklappe 8 um ihre Drehachse 9 drehbar gelagert ist. Die Drehachse 9 ergibt sich durch die Positionierung der Wellenzapfen 24, 25. Wird die Drosselklappe 8, wie sie in 4 dargestellt ist, in ein Kanalstück 2 eingebaut, ist die Drehachse 9 horizontal ausgerichtet.
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In dem Drosselklappenblatt 11 sind runde Perforationen 26 mit unterschiedlichen Querschnittsflächen 27 eingestanzt, die bewirken, dass ein Flächenschwerpunkt 28 des Drosselklappenblatts 11 in einem Abstand A zu der Drehachse 9 angeordnet ist. Eine erste Seite 29 des Drosselklappenblatts 11 weist eine größere Summe aller mit Perforationen 126 versehenen Flächen auf als eine zweite Seite 30, wobei der Flächenschwerpunkt 28 sich auf der zweiten Seite 30 befindet. Aufgrund der Verschiebung des Flächenschwerpunktes 28 wird ein Klappenschließmoment auf die zweite Seite 30, also die Seite auf der die Summe der Flächen der Perforation 126 geringer sind, erhöht, da eine Querschnittsfläche 31 der Drosselklappe 8 auf die der Luftvolumenstrom wirken kann, auf der zweiten Seite 30 vergrößert wird.
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Die 5 zeigt eine Drosselklappe 108 mit einem eckigen Querschnitt, wobei der sonstige Aufbau dieser Drosselklappe 108 der Drosselklappe 8 gemäß 4 entspricht. Die Umrisslinie 120 umgibt eine eckige Querschnittsfläche 121 der Drosselklappe 108. An zwei sich gegenüberliegenden Positionen 22, 23 befinden sich wiederum zwei Wellenzapfen 24, 25 die im eingebauten Zustand mit Ausnehmungen in der Mantelfläche korrespondieren. Auch in diesem Fall ist der Flächenschwerpunkt 128 in einem Abstand A zu der Drehachse 109 angeordnet, da die Summe einer Fläche aller Perforationen 126 auf der ersten Seite 129 der Drosselklappe 108 größer ist als auf der zweiten Seite 130. Die eckige Drosselklappe wird vorteilhafterweise in einem hier nicht dargestellten Kanalstück mit einem eckigen Querschnitt eingesetzt.
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Die 6 weist eine weitere Ausführungsform einer Drosselklappe 208 auf, wobei die Querschnittsfläche der Drosselklappe 208 auch eckig ist. Auf dem Drosselklappenblatt 211 ist eine gleichmäßige Perforation 26 angebracht, so dass in diesem Fall der Abstand A zwischen dem Flächenschwerpunkt 215 und der Drehachse 209 nicht mittels der Verschiebung des Flächenschwerpunkts 215 aus einem Mittelpunkt 32 der Drosselklappe 208 bewirkt wird, sondern die Drehachse 209 aus dem Mittelpunkt 32 verlagert wird. An Positionen 22, 23 der Umrisslinie 220, die durch die Drehachse 209 verläuft, sind wiederum Wellenzapfen 24, 25 angebracht.
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In der 7 wird ein Momentenverlauf eines Klappenschließmoments Y im Verhältnis zu dem Klappenwinkel f bei unterschiedlich ausgeformten Drosselklappen dargestellt. In Punkt B sind die Drosselklappen geöffnet und in Punkt C geschlossen. Der Graph I zeigt den Momentenverlauf eines gleichmäßig über seine gesamte Querschnittsfläche perforierten Drosselklappenblatts, welches bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Perforation ist zwingend notwendig, um den Geräuschpegel zu senken. Allerdings kann mit dieser Art der Klappe, wie aus dem Graph I ersichtlich wird, nur ein geringes Klappenschließmoment Y erreicht werden, da eine zu große Reibung auftritt.
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Graph II zeigt einen Momentenverlauf einer bereits aus dem Stand der Technik bekannten Drosselklappe auf. Diese Drosselklappe besitzt jedoch keine Perforationen. Das Klappenschließmoment Y ist um einiges besser als bei Graph I, allerdings kommt diese Drosselklappe nicht in Frage, da der Geräuschpegel aufgrund der fehlenden Perforation zu hoch ist.
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Graph III stellt den Momentenverlauf einer erfinderischen Drosselklappe dar, wie diese beispielsweise in den 4 bis 6 dargestellt werden. Der Flächenschwerpunkt der Drosselklappe liegt aufgrund von ungleich verteilten Perforationen nicht in der Drehachse. Der Geräuschpegel wird wegen der Perforationen gesenkt und das Klappenschließmoment aufgrund des verlagerten Flächenschwerpunktes verbessert. Mit dieser Drosselklappe können also sowohl ein geringer Geräuschpegel als auch eine gute Regelgüte erzielt werden.
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Ein letzter Graph IV zeigt wiederum den Momentenverlauf einer ungelochten Drosselklappe, wobei zwischen der Drehachse und dem Flächenschwerpunkt des Drosselklappenblatts ein Abstand ist. Entsprechend kann mit dieser Drosselklappe zwar das beste Klappenschließmoment erreicht werden, allerdings ist der Geräuschpegel sehr hoch, weshalb von einem Einsatz dieser Drosselklappe abgesehen wird.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Abstand
- B
- Punkt
- C
- Punkt
- f
- Klappenwinkel
- Y
- Klappenschließmoment
- I
- Momentenverlauf
- II
- Momentenverlauf
- III
- Momentenverlauf
- IV
- Momentenverlauf
- 1
- Volumenstromregler
- 2
- Kanalstück
- 3
- Innenraum
- 4
- Mantel
- 5
- Pfeil
- 6
- Eintrittsquerschnitt
- 7
- Austrittsquerschnitt
- 8, 108, 208
- Drosselklappe
- 9, 109, 209
- Drehachse
- 10
- Querschnitt
- 11, 111, 211
- Drosselklappenblatt
- 12
- Längsachse
- 13
- Querschnittsfläche
- 14
- Gehäuse
- 15
- Dämpfer
- 16
- Dämpferrohr
- 17
- Kolben
- 18
- Zugfeder
- 19
- Lagerung
- 20, 120
- Umrisslinie
- 21, 121
- Querschnittsfläche
- 22
- Position
- 23
- Position
- 24
- Wellenzapfen
- 25
- Wellenzapfen
- 26, 126
- Perforation
- 27
- Querschnittsfläche
- 28, 128, 228
- Flächenschwerpunkt
- 29, 129
- Seite
- 30
- Seite
- 31
- Querschnittsfläche
- 32
- Mittelpunkt
