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Durchflußregler für Luftverteilungssysteme in Klimaanlagen Die Erfindung
bezieht sich auf einen Durchflußregler für Luftverteilungssysteme in Klimaanlagen,
bei dem der Durchgangsquerschnitt durch einen Kanal mittels einer Drosselklappe
veränderbar ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Möglichkeit
für eine einfache und automatische Verstellung eines Druckflußquerschnittes im Sinn
einer Regelung auf konstantes Volumen zu schaffen, die sich selbsttätig in Abhängigkeit
vom Druckgefälle an der die Regelung bewirkenden Drosselstelle verstellt. Der Durchflußregler
nach der Erfindung findet in Luftverteilungssystemen für Klimaanlagen Verwendung.
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Bei Luftverteilungssystemen werden üblicherweise eine Anzahl von Ableitungen
über eine einzige Sammelleitung mit einer Luftquelle verbunden. Bei dieser Anordnung
ändert sich der Druck in der Hauptleitung mit der Änderung der einzelnen Ableitungsquerschnitte.
Aus der Tatsache, daß Klimaanlagen außerdem in der Regel eine Warmluft- und Kaltluftzuführung
und einen Mischer zur geregelten Mischung von Warm- und Kaltluft aufweisen, ergibt
sich eine weitere Ursache für Änderungen des Druckes in der Sammelleitung.
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Wenn also bei mit derartigen Anordnungen arbeitenden Luftverteilungsanlagen
ein Regler in Form einer konstanten Drossel vorgesehen ist, ergeben sich durch die
nur schwer kontrollierbaren Änderungen vor und hinter der Drosselstelle Schwankungen
in dem die Drossel durchströmenden Volumen.
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Die spezielle, der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin,
für die oben geschilderten oder vergleichbare Verhältnisse einen sehr einfachen,
wartungsfrei und sicher arbeitenden Regler zu schaffen, der den Drosselquerschnitt
in Abhängigkeit von Änderungen der Drücke Oberstrom und Unterstrom der Drosselstelle
im Sinn eines konstanten Durchströmvolumens und damit eines konstanten Druckes,
z. B. in der Sammelleitung von Luftverteitungsanlagen, verstellt.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß eine im Durchströmungsquerschnitt
liegende flexible Bahn an einer im Abstand von der Schwenkachse liegenden Stelle
mit der Drosselklappe einerseits und mit dem Gehäuse andererseits derart verbunden
ist, daß sie an ihren gegenüberliegenden Seiten den Drücken Oberstrom bzw. Unterstrom
der Drosselstelle ausgesetzt ist und sich in Abhängigkeit von der Differenz zwischen
beiden Drücken durchbiegt und dabei die Drosselklappe durch Verkürzung des Abstandes
zwischen beiden Verbindungsstellen im Sinn einer Verminderung des Durchgangsquer-Schnittes
verschwenkt. Die Drosselklappe ist dabei vorzugsweise im Sinn einer Spannung der
flexiblen Bahn, z. B. durch eine Feder, vorgespannt.
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Um eine höhere Empfindlichkeit der als Meßwertgeber der Regeleinrichtung
dienenden Bahn zu erreichen, kann der von den Drücken beaufschlagte Abschnitt der
Bahn dadurch, in Abhängigkeit von der Druckdifferenz, veränderbar sein, daß eine
quer zur Durchströmrichtung liegende starre Platte Unterstrom der flexiblen Bahn
zur Begrenzung deren Durchbiegung derart vorgesehen ist, daß die flexible Bahn sich
mit zunehmender Durchbiegung zunehmend auf die Platte anlegt.
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Um eine leichte Anpassung des Reglers an unterschiedliche Betriebsbedingungen
zu erreichen, kann die flexible Bahn am Gehäuse mittels einer von außen drehbar
im Gehäuse gelagerten Welle so befestigt sein, daß beim Drehen der Welle die flexible
Bahn sich ab- bzw, aufwickelt und damit die wirksame Länge der Bahn verändert. Dabei
kann an der Außenseite des Gehäuses auf der Schwenkwelle der Drosselklappe ein Hebel
sitzen, an dem die die Drosselklappe
in Schließrichtung vorspannende
Feder angreift, wobei die von Hand zu betätigende Verstelleinrichtung an der die
wirksame Länge der flexiblen Bahn beeinflussenden Welle mit der Feder so in Verbindung
steht, daß in Abhängigkeit von der Veränderung der wirksamen Länge der flexiblen
Bahn die von der Feder ausgeübte Kraft änderbar ist.
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Um ein Schwingen der Drosselklappe z. B. in Abhängigkeit von Schwingungen
der Luftsäule in der Leitung zu verhindern, kann die Drosselklappe über einen Schwingungsdämpfer
mit dem Gehäuse verbunden sein. Um die Beaufschlagung der flexiblen Bahn von Strömungsunterschieden
im. Strömungsquerschnitt unabhängig zu machen, ist vorzugsweise wenigstens an der
Eingangsseite des Reglers eine Drosselplatte mit einer Vielzahl von über die Flächen
verteilt angeordneten Drosselöffnungen angeordnet.
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Bei den aus den USA.-Patentschriften 2 157 025, 2 850 043 und
2 933 100 bekanntgewordenen Regelvorrichtungen mit einer schwenkbaren Drosselklappe
führt direkt auf die Drosselklappe einwirkende Geschwindigkeitsdruckgefälle zu einem
Kraftmoment, das proportional dem Geschwindigkeitsdruckgefälle ist.
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Es ist somit notwendig, eine in entgegengesetzter Richtung wirkende
Feder vorzusehen, die ein Kraftmoment auf die Drosselklappe ausübt, das in einem
logarithmischen Verhältnis zu der Federablenkung steht und somit, wenn ein konstanter
volumetrischer Fluß erzielt werden soll, kein lineares Verhältnis darstellt. Dies
liegt daran, daß der volumetrische Fluß einerseits proportional zu der Geschwindigkeit
verläuft, während das auf der Drosselklappe durch das Geschwindigkeitsgefälle ausgeübte
Kraftmoment proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit ist. Es müßte daher eine
Feder, die bei ihrer Ablenkung ein Kraftmoment mit einem nicht linearen bzw. logarithmischen
Verhältnis ausübt, verwendet werden. Dies ist auch nur dann möglich, wenn eine Drosselklappe
angewandt wird, die eine einzige und nicht verstellbare Fließgeschwindigkeit regelt.
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Durch die erfindungsgemäße Ausführung wird erreicht, daß die durch
das Geschwindigkeitsdruckgefälle auf die Drosselklappe ausgeübten Kraftmomente von
den Flächen der Klappenteile und dem Kraftmoment abhängen, das durch das Geschwindigkeitsdruckgefälle
der auf die Bahn einwirkenden Luft erzeugt wird. Die auf die Drosselklappe ausgeübten
Kraftmomente sind in etwa proportional der Quadratwurzel des Geschwindigkeitsdruckgefälles,
so daß eine Feder mit einer linearen Federkonstante verwendet werden kann, wodurch
ein konstanter, jedoch veränderbarer volumetrischer Fluß aufrechterhalten wird.
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Da das Geschwindigkeitsdruckgefälle sich mit dem Quadrat der Geschwindigkeit
verändert, kann die wirksame Fläche, auf die der Geschwindigkeitsdruck einwirkt,
und!oder der wirksame Hebelarm der hierdurch bedingten Kraft verändert werden, um
die gesamten Kraftmomente, die auf die Drosselklappe wirken, direkt proportional
der Quadratwurzel des Geschwindigkeitsdruckgefälles oder direkt proportional der
Geschwindigkeit zu machen.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Ansicht in den erfindungsgemäßen Durchflußregler
von unterstrom, F i g. 2 eine Ansicht auf die in F i g. 1 linke Stirnseite des Reglers,
F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in F i g. 1, F i g. 4 eine Ansicht
ähnlich F i g. 2 auf einen Regler mit abgewandelter Verstellvorrichtung und F i
g. 5 eine Ansicht ähnlich F i g. 2 auf eine weitere Abwandlungsform der Stellvorrichtung.
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Der Regler hat ein durch ein rechtwinkliges Rohr 10 gebildetes Gehäuse
mit Seitenwänden 12, 14, 16, 18. Durch die offenen Stirnseiten des Rohres tritt
die zu steuernde Luft in Richtung der Pfeile in F i g. 3 hindurch. Die eintretende
Luft wird durch eine mit Drosselöffnungen versehene Metallplatte 15 auf praktisch
über den gesamten Querschnitt gleichem Druck gehalten. Im Rohr 10 ist eine eine
Platte 24 und ein flexibles Scharnier 26 aufweisende Drosselklappe 20 um eine an
den Seitenwänden 12 und 14 befestigte Rippe 22 schwenkbar gelagert. Das Scharnierband
26 ist längs dieser Rippe 22 durch die Platte 24 eingespannt und an der freien Kante
an der Drosselklappe 20 angeklebt. Koaxial zu der Schwenkachse ist an der Drosselklappe
20 ein Achsstummel 30 befestigt, der in einem Lager 31 an der Seitenwand 14 drehbar
ist.
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Die Drosselklappe 20 besitzt einen in Strömungsrichtung oberen Abschnitt
34 und einen unteren Abschnitt 32, der mit einem winkelförmig abgekanteten Randabschnitt
35, in eine eingerollte Kante 36 ausläuft, die sich in eine Endstellung dicht gegen
die Wand 18 anlegen kann.
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Die Verschwenkung der Drosselklappe 20 erfolgt durch eine Bahn 40
aus flexiblem Material, deren eines Ende 42 an der oberströmigen Längskante der
Drosselklappe befestigt ist, und deren entgegengesetztes Ende an einer Welle 44
befestigt ist. Die Welle 44 ist in den Seitenwänden 12 und 14 des Rohres 10 drehbar
gelagert und so einstellbar, daß die Länge der Bahn 40 zwischen der Welle 44 und
der Kante 34 der Drosselklappe vergrößert oder verkleinert werden kann. Die Bahn
40 besteht aus einem flexiblen, vorzugsweise nicht porösem Material, wie Neopren
od. dgl., und nimmt, sobald die Luft durch das Rohr 10 strömt und einen Differenzialdruck
auf die Bahn ausübt, eine mehr oder weniger zylindrische Form an, wie es gestrichelt
in der F i g. 3 gezeigt ist. Ein als Anschlag wirkendes Metallblech 46 (wie gestrichelt
in der F i g. 3 gezeigt) zur Anlage. Durch Schwenken des Bleches 46 kann eine optimale
Anpassung der Anlage der Bahn 40 entsprechend der erforderlichen Regelkraft erreicht
werden, die experimentell für jede Form des Durchflußreglers festgestellt werden
kann.
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Unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 weist die Ausführungsform
einen Einstellmechanismus für die Drosselklappe mit einem Winkelhebel 50 auf, der
auf einem verjüngten Teil 52 des Lagers 31 schwenkbar gelagert ist. Ein Arm 54 des
Hebels 50 besitzt eine kreisbogenförmig gekrümmte Kante, auf der sich ein flexibles
Band 56, dessen eines Ende 58 an dem Arm 54 befestigt ist, abwickelt und dabei die
Bewegung von einer an der Welle 44 befestigten Spule 60 auf den Winkelhebel überträgt.
An der Welle 44 sitzt ein Zeiger 62, der auf einer Skala 64 die Winkellage der Welle
44 und des Hebels 50 anzeigt.
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An einer Muffe 66 auf der Welle 30 sitzt ein Arm 68, der in der F
i g. 2 in Uhrzeigerrichtung durch einen Schenkel 70 einer Schraubendruckfeder 72
vorgespannt
ist. Die Feder 72 liegt lose um den Achsstummel
30 und stützt sich mit einem zweiten Schenkel 74, an einem Stift 76 am anderen
Arm des Winkelhebels 50 ab. Der Stift 76 ist an einem Ende mit Gewinde versehen
und in einem Schlitz 78 des Hebels 50 mittels einer Flügelmutter 80 einstellbar,
so daß die Vorspannung auf die Drosselklappe 20 einstellbar ist. Die wirksame Länge
der Bahn 40 und die Spannung der Feder 70 werden gleichzeitig durch Drehen
der Welle 44 eingestellt.
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Eine weitere Ausführungsform des Einstellmechanismus für die Drosselklappe
20 ist in den F i g. 4 und 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Zeiger
90, durch welchen die Länge der Bahn 40
zwischen der Welle
44 und der Drosselklappe 20 eingestellt wird, an der Welle 44 vor
einer Skala 92 an der Seitenwand 14 befestigt. Der Zeiger 90 kann in jeder
eingestellten Lage durch eine Flügelmutter 94 festgelegt werden. Eine die Drosselklappe
vorspannende Spiralfeder 96 ist an der gegenüberliegenden Seitenwand 12 des Gehäuses
10 mit einem Ende an einer Muffe 98 an einem Achsstummel 30' der Drosselklappe befestigt,
während das andere Ende der Feder an einem senkrechten Vorsprung 100 eines
Hebels 102 befestigt ist, der um den Achsstummel 30' drehbar angeordnet ist. Um
die auf die Drosselklappe ausgeübte Öffnungsspannung in Abhängigkeit von der Länge
der Bahn 40 zu verstellen, wird der Hebel 102
durch einen zweiten an
der Welle 44 befestigten Hebel 104 mittels eines in einem Langloch
108 am Hebel 102 verschiebbaren Stiftes 106 verschwenkt. Wenn somit die Länge
der Bahn 40 zwischen der Welle 44 und der Drosselklappe 20 verkleinert wird,
um die Strömungsmenge zu vermindern, wird die auf den Lüftungsschieber ausgeübte
Öffnungsspannung vergrößert.
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Um das Schwingen des Lüftungsschiebers zu verringern, ist eine Zylinder-
und Kolbenanordnung 110
(F i g. 4) als Schwingungsdämpfer schwenkbar bei
112 an der Seitenwand 14 des Gehäuses 10 angelenkt und mit
der Welle 30 der Drosselklappe durch eine Kolbenstange 114 und einen Hebel
116 verbunden. Der Dämpfungskolben ist so bemessen, daß eine begrenzte Luftmenge
durch den Kolbenschaft durchtreten kann.
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Die wirksamen Flächen und die wirksamen Hebelarme der Teile 32, 34,
35 der Drosselklappe bleiben bei Geschwindigkeitsveränderung der Luft oder der Drosselklappe
praktisch konstant. Jedoch kann das gesamte Kraftmoment des Geschwindigkeitsdruckgefälles,
das auf die Drosselklappe einwirkt, dadurch verändert werden, daß der wirksame Hebelarm
und/oder die wirksame Fläche der Bahn 40 abgeändert wird. Die wirksame Fläche der
Anordnung 40 ist durch die Projektion des Bahnteiles zwischen der Befestigungslinie
an der Drosselklappe und der Anlagelinie am Blech 46, d. h. die Bahnlänge A-B bzw.
A'-B' auf eine senkrecht zur Strömungsrichtung liegende Ebene definiert.
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Der wirksame Hebelarm, der auf die Bahn 40 einwirkenden Kraft ist
als das Produkt aus der Entfernung zwischen der Drehachse der Drosselklappe und
dem Schwerpunkt der wirksamen Fläche, und dem cosinus des Winkels definiert, der
zwischen der Ebene der wirksamen Fläche und einer Linie besteht, die die Achse der
Drosselklappe und den Schwerpunkt der wirksamen Fläche verbindet. Das durch den
Differentialdruck ausgebildete und auf die Anordnung einwirkende Kraftmoment ist
sodann das Produkt aus dem Differentialdruck, der wirksamen Fläche und dem wirksamen
Hebelarm.
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Die Bahn 40 wird für jede gegebene Lage der Welle 44 eine teilweise
zylinderförmige Form annehmen, und bei einer Zunahme des Geschwindigkeitsdruckgefälles
und der Bewegung der Drosselklappe 20 in Schließrichtung wird der wirksame Hebelarm
und die wirksame Fläche der Bahn 40 verändert. Da weiterhin die Bahn eine kreisbogenförmige
Form annimmt, kommt der an der Welle 44 vorliegende Teil in Anlage am Blech 46,
wodurch die wirksame Fläche der Bahn 40 verringert wird.
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Durch experimentelles Verstellen der Umrißform des Anschlages 46 und
der Länge der Bahn 40 zwischen der Welle 44 und der Drosselklappe kann ein
praktisch lineares Verhältnis zwischen dem gesamten Schließmoment auf die Drosselklappe
und der Luftgeschwindigkeit (bzw. der Quadratwurzel des Geschwindigkeitsdruckgefälles)
erreicht werden.
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Die das Verhältnis zwischen dem Kraftmoment der Bahn 40 und der Geschwindigkeit
der Luft bestimmenden Variablen schließen die Länge der Bahn zwischen der Welle
44 und der Drosselklappe die Lage dieser Welle 40 relativ zur Drehachse der
Drosselklappe, die Lage der Befestigungslinie der Bahn 40 relativ an der Klappe
zu deren Drehpunkt und die Lage und Form des Anschlagbleches 46 ein. Diese Variablen
können verändert werden, um die erfindungsgemäße Anordnung speziellen Zwecken anzupassen.
Versuche haben gezeigt, daß eine Konstantregelung innerhalb eines Wertes von ±5°,'a
und einer Veränderung des statischen Druckgefälles von etwa 200 mm WS erreichbar
ist.
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Die Länge der Bahn 40 und die Ausgangslage der Drosselklappe sind
entsprechend einem konstanten volumetrischen Fluß innerhalb eines Bereiches zwischen
Null und Maximum für eine spezifische Bauart einzustellen. Gegebenenfalls kann eine
Anzahl derartiger Einheiten parallel für einen Durchströmquerschnitt kombiniert
werden.