DE1650438B2 - Vorrichtung zur regelung der durchfulssmenge von gasen und fluessigkeiten - Google Patents

Description

Strömungsquerschnitt durch von außen angreifende mechanische Kräfte veränderbar ist. Auch diese Stellglieder weisen die mit der Verwendung von Antriebssystemen verbundenen Nachteile auf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge von Gasen und Flüssigkeiten mit laminarem oder turbulentem Strömungspfofil für verhältnismäßig kleine Druckdifferenzen und Temperaturbelastungen, d.h. insbesondere für Druckdifferenzen zwischen I bis 10 kp/ m cm² und Temperaturdifferenzen bis etwa 50° K im Bereich zwischen 100 und 700° K zu schaffen, die einfach herzustellen ist, die praktisch hysteresefrei arbeitet und bei der der Durchflußquerschnitt mittels einfacher technischer Hilfsmittel störungsfrei veränderbar M ist. Diese Vorrichtung soll insbesondere zur Dosierung sehr kleiner Mengen von Flüssigkeiten und Gasen, die nicht extrem temperaturempfindlich sind, verwendbar sein, wobei bei verhältnismäßig großem Stell bereich auch sehr kleine k„ Werte erzielbar sein sollten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Vorrichtung der oben genannten Art dadurch gelöst, daß aufeinanderliegende, bei Temperaturanstieg sich unterschiedlich ausdehnenden Bleche. Folien oder dergleichen über die ganze Länge der rohrförmigen Durchflußstrecke die Wand des Strömungsquerschnitts bilden. Zwar ist auch schon eine Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge mittels einer veränderbaren rohrförmigen Durchflußstrecke bekannt geworden, bei der die rohrförmige Strecke aus metallischem Werkstoff besteht und die Wandung zum Teil aus zwei aufeinanderliegenden Blechen, Folien oder dergleichen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist (deutsche Patentschrift 510, 960). Bekannt ist auch eine Vorrichtung, bei der der Durchflußquerschnitt quer zur Durchflußrichtung verengt beziehungsweise aufgewertet werden kann (französische Patentschrift 619. 098). Davon unterscheidet sich jedoch die Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch, daß sich die thermostatische Betätigungseinrichtung über die ganze Länge der Durchflußstrecke erstreckt, das ist für den Durchflußwiderstand der Vorrichtung gemäß der Erfindung jedoch von wesentlicher Bedeutung. Die hohe, dem jeweiligen Bedarfsfall angepaßte Genauigkeit der Regelung der Durchflußmenge läßt sich daher durch diese bekannten Einrichtungen nicht erzielen.

Eine bevorzugte Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge von strömendpn Stoffen besteht darin, daß die Durchllußstrecke aus zwei in an sich bekannter Weise in an den Kanten fest miteinander verbundenen, bei einer vorgegebenen Temperatur ebenen Bimetallstreifen besteht, wobei die die Außenwandung bildenden Komponenten den größeren Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der Bimetallstreifen kann dabei zum Beispiel π in an sich bekannter Weise aus einer bekannten Eisen Nickel Legierung, die einen Ausdehnungskoeffizienten σ=1χ 10 ⁶ hat, und einem bekannten austentischen Chrom-Nickel-Stahl, der einen Ausdehnungskoeffizienten a = 15 X 10"⁶ hat, bestehen. Eine weitere r,o zweckmäßige Zusammensetzung kann auch aus einer bekannten Eisen-Nickel-Legierung mit einem Ausdehnungskoeffizienten u= 2 XlO⁶ und einem bekannten austentischen Stahl mit einem Ausdehnungskoeffizienten a = 16 X 10 ~⁶ bestehen. Durch die Aus- r.i wahl der Bimetallstreifen verschiedener Zusammensetzungen hat man es dabei weitgehend in der Hand, die rohrförmige Durchflußstrecke den gewünschten Erfordernissen anzupassen. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, die Bimetallstreifen so zu bemessen, daß die Breite zwischen 5 und 10 mm und die Dicke der Streifen zwischen 0,1 und 1 mm liegt.

Zur Herstellung einer gasdichten und starren Verbindung zwischen den beiden Bimetallstreifen sind bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung die Längskanten zweckmäßig in an sich bekannter Weise, beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißung oder durch Rollnahtverschweißung, fest miteinander verbunden. Im Bedarfsfalle sind die Bimetallstreifen in an sich bekannter Weise, beispielsweise durch Widerstandsheizung, aufheizbar, damit bei Änderung der Temperatur eine Verformung mit reproduzierbar veränderbarem Strömungsquerschnitt zum Kreiszweieck erfolgen kann. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die äußeren Bimetallkomponenten zweckmäßig in schmalen Zonen längs der Kanten in an sich bekannter Weise, beispielsweise durch Elektroerosion, abgetragen. Dadurch werden die Rückstellkräfte so klein wie möglich gehalten.

Eine andere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge von Gasen und Flüssigkeiten besteht darin, daß zur Verbindung der Bimetallstreifen ein durch Vulkanisieren auf die Außenflächen der Bimetallstreifen aufgebrachtes, diese umgreifendes, an sich bekanntes hysteresearmes Elastomer vorgesehen ist. Als Elastomer wird dabei ein möglichst temperaturbeständiges Material verwendet. Falls dies im Bedarfsfalle zweckmäßig ist, kann der Durchflußstrecke auch eine schraubenförmige oder schneckenförmige Krümmung erteilt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge von Gasen und Flüsigkeiten besteht aus zwei mit Passung konzentrisch zueinander angeordneten Rohren, von denen das äußere Rohr aus einem an sich bekannten Werkstoff mit großem Ausdehnungskoeffizienten und das innere Rohr aus einem Werkstoff mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten besteht. Als Werkstoff sind dabei die Legierungen vorgesehen, die bei Bimetallstreifen für den in Frage kommenden Temperaturbereich V rwendung finden. Diese Rohre werden vor dem eigentlichen gemeinsamen Ziehprozeß heißpress verschweißt, danach in an sich bekannter Weise auf den gewollten Durchmesser, zum Beispiel 5... 10mm gezogen. Im Anschluß daran werden sie bei einer Temperatur zwischen 100 und 400° C flachgewalzt und die äußere Komponente in den den Kanten benachbarten Bereichen eiectroerosiv abgetragen.

Eine andere vorteilhafte Ausführuiigsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht schließlich darin, daß die rohrförmige Durchflußstrecke aus zwei, bei einer vorgeg.-benen Temperatur miteinander mit gerin ger Paßtoleranz konzentrisch zueinander angeordneten Rohrstücken gebildet wird, von denen das äußere Rohrstück aus einem Werkstoff mit großem Ausdehnungskoeffizienten und das innere RohrstUck aus einem Werkstoff mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten besteht, vvobei die beiden Rohrstücke in an sich bekannter Weise mittels einer schraubenförmig geführten Rollnaht oder dergleichen miteinander verschweißt sind. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Wandstärke des äußeren Rohrstücks mit großer thermischer Dehnung so zu bemessen, daß sie etwa 0,1 mm nicht überschreitet, und bei einer Boh

rung von 18 bis 30mm ein Spiel bis zu 21h und bei einer Bohrung von 30 bis 50 mm ein Spiel bis zu 25// vorhanden ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen hervor. Es zeigt

Fig. 1 eine Durchflußstrecke aus zwei an den Längskanten miteinander verschweißten Bimetallstrei fen im Querschnitt.

Fig. 2 eine aus zwei Bimetallstreifen gebildete Durchflußstrecke mit einem zur Verbindung an den Längskanten durch Vulkanisieren aufgebrachten hy steresearmen Elastomer.

Fig. 3 eine aus zwei konzentrischen durch schrau benförmige Rollnahtverschweißung miteinander ver bundenen Rohren unterschiedlicher Ausdehnung gebil dete Durchflußstrecke.

F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie A B durch die Ausführungsform gemäß Fig. 3

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind zwei Bimetallstrei fen 1, 2, die in an sich bekannter Weise aus zwei mit einander verbundenen Metallfolien unterschiedlicher Ausdehnung 3, 4 und 5, 6 bestehen, an den Längs kanten 7, 8 miteinander verschweißt. Wird nun die Durchflußstrecke durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Heizvorrichtung in an sich bekannter Weise aufgehetzt, so biegen sich infolge der unter schiedlichen Ausdehnungskoeffizienten die Bimetall streifen nach außen und geben je nach der aufge brachten Wärme oder auch in Abhängigkeit von der durch den durchfließenden Stoff freiwerdenden Reak tionswärme die Durchflußstrecke mit unterschiede chem Querschnitt frei. Um dies zu gewährleisten, sind gemäß der Erfindung die kantennahen Zonen 9, 10, II, 12 der äußeren Bimetallkomponenten 3. 6 abgetragen. Dies kann beispielsweise in an sich bekannter Weise durch Elektroerosion geschehen. Die Breite der Abtragung beträgt dabei etwa V₁₀ bis V₅ der Breite des unverändert bleibenden Teils der Bimetall streifen 1, 2. Bei heißpressverschweißten Rohren kann auch senkrecht zur Symmetrieebene so abgetra gen werden, daß die Kanten mit 0.05 bis 0.1 mm Wandstärke Verformungen mit Winkeln von einigen Minuten aushalten. Statt die Längskanten der Birne fellstreifen 1, 2 miteinander zu verschweißen, ist es auch möglich, ein hysteresearmes Elastomer, beispielsweise ein möglichst temperaturbeständiges an sich be kanntes Elastomer 13, durch Vulkanisieren auf die Bimetallstreifen 1, 2 aufzubringen.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der erfindungs

gemäßen Vorrichtung wiedergegeben, die aus einem metallischen Rohrstück 14 mit sehr kleiner thermischer Ausdehnung und einem darübergeschobenen Rohrstiick 15 mit großer thermischer Ausdehnung

f und mit einer Wandstärke von höchstens 0.1 mm durch schraubenförmige Rollnahtverschweißung der beiden Rohrstücke gebildet ist. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zum Aufheizen und somit zur Freigabe des Durchflusses in dpm dem Bedarfsfalle je weils angepaßten Maße die Durchflußstrecke als Se kundärwickiung des Transformators 16 vorzusehen. Wie am besten aus F i g. 4 erkennbar ist. wird dabei in Abhängigkeit von der Temperatur die Höhe Π des kreisabsohnittförmigen Querschnitts der Durch

n flußstrecke 18 verändert.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in vorteil hafter Weise als Stellglied eines Regelkreises verwend bar. Selbstverständlich ist es auch ohne weiteres mög lieh, den Durchfluß in einer dem jeweiligen Bedarfs falle entsprechenden Weise mittels Temperaturände rungen zu steuern. Da die Wärmekapazität der erfin dungsgemäßen rohrförmigen Durchflußstrecke klein ist rnd da es bei der Verwendung als Stellglied ohnt weiteres möglich ist, die Wärmeabfuhr der Stellgiie

ιί der um gewünschten Bedingungen anzupassen, ist die Verwendung der neuen Einrichtung auch in Stetigre gelkreisen mit Zeitkonstanten von einigen Sekunder bis zu Minuten möglich. Hinzu kommt als weiterei Vorteil, daß der Leistungsbedarf nur wenige Wati beträgt. Ein weiterer Vorzug der erfindungsgemäßer Einrichtung besteht darin, daß zur Regelung de; Durchflusses keine mechanisch bewegten Teile erfor derlich sind und daß die Hysterese des Stellglieder der Hysterese der verwendeten Metalle bei elastische) Verformung entspricht. Die geringen Abmessungen die geringen Kosten für die Herstellung sowie sehi kleine Durchflußkoeffizienten trotz relativ großei Stellbereiche sind weitere für den praktischen Verwen dungsbereich erhebliche Vorteile

Vertauscht man die Wandungen der Bimetallstrei fen oder die durch die konzentrische Anordnung vor Rohren gebildete Durchflußstrecke in der Weise, dat die Außenwandung von dem Metall mit kleinem Aus dehnungskoeffizienten und die Innenwandung vor dem Metall mit größerer Aasdehnung gebildet wird so ist ohne weiteres erkennbar, daß die rröndungs gemäße Vorrichtung auch als Temperaturfühler ver wendbar ist. Dadurch wird unter Ausnutzung an siel bekannter exothermer Vorgänge auf einfache Weisi ein vollständiger Regelkreis geschaffen.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche: Rollnaht oder dergleichen miteinander verschweißt sind.

1. Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge von Gasen und Flüssigkeiten durch eine ί rohrformige Durchflußstrecke, deren Querschnitt mittels aufeinanderliegender Bleche, Folien oder dergleichen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten temperaturabhängig veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese in aufeinanderliegenden, bei Temperaturanstieg sich unterschiedlich ausdehnenden Bleche (3, 4, 5, 6), Folien oder dergleichen über die ganze Länge der rohrförmigen Durchflußstrecke die Wand des Strömungsquerschnitts bilden. π

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrformige Durchfluß-Itrecke aus iwei in an sich bekannter Weise an ilen Kanten (7, 8) fest miteinander verbundenen, bei einer vorgegebenen Temperatur, unterhalb der der Durchfluß gesperrt sein soll, ebenen Bimetallstreifen (1, 2) gebildet ist, wobei die die Außenwandung bildenden Komponenten (3, 6) den größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrformige Durchfluß-Strecke aus zwei in an sich bekannter Weise an den Kanten (7, 8) fest miteinander verbundenen, bei einer voi gegebenen Temperatur, oberhalb der der Durchfluß gesperrt sein soll, ebenen Bimetall-Streifen (1, 2; gebildet ist, wobei die die Außen wandung bildenden Komponeren (3, 6) den kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (7, 8) der 3i beiden Bimetallstreifen (1, 2) durch eine in an sich bekannter Weise mittels Elektronenschweißung. Rollnahtverschweißung oder dergleichen hergestellte Schweißnaht miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch ge- !kennzeichnet, daß die äußeren Bimetallkomponenten (3, 6) in schmalen Zonen (9, 10, II, 12) längs der Kanten (7, 8) in an sich bekannter Weise abgetragen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Bimetallstreifen (1, 2) ein durch Vulkanisieren auf die Außenflächen der Bimetallstreifen aufgebrachtes, diese umgreifendes an sich bekanntes hysteresearmes Elastomer (13) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die rohrformige Durchflußsfrecke aus mit geringer Paßtoleranz konzentrisch zueinander angeordneten, heißpreßverschweißten. oberhalb der Temperatur, bei der der Durchfluß ti gesperrt sein soll, flachgewalzten Rohren aus an sich bekannten Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrformige Durchfluß- so strecke aus zwei, bei einer vorgegebenen Temperatur miteinander in Berührung stehenden Rohrstükken. von denen das äußere Rohrstück (15) aus einem Werkstoff mit großem Wärmeausdehnungskoeffizienten und das innere Rohrstück (14) aus <si einem Werkstoff mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist. in an sich bekannter Weise mittels einer schraubenförmig geführten Die Erfindung Dezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge von Gasen und Flüssigkeiten durch eine rohrformige Durchflußstrekke, deren Querschnitt mittels aufeinanderliegender Bleche, Folien oder dergleichen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten temperaturabhängig veränderbar ist.

Derartige Vorrichtungen werden insbesondere zum Konstanthalten des Trägergasstromes in üaschromatographen, zum Regeln eines vorgewählten Gasdrucks, des Mischungsverhältnisses einer Gasmischung in Ionen-Zerstäuberanlagen oder ganz allgemein in der Verfahrenstechnik und bei der Durchführung von chemischen Untersuchungen zum Dosieren von Reaktionspartnern verwendet. Weitere Anwendungsgebiete sind die Dosierung einer Frischölversor gung. die Mengenregelung flüssiger und gasförmiger Brennstoffe oder auch die Polarographie. zum Beispiel die Quecksilbertropfenanalyse mit stetiger Vergrößerung eines einzigen Quecksilbertropfens. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Versorgung von Verbleibekanülen mit flüssigen Medikamenten in der Medizin.

Es sind zwar schon Regelventile bekannt, die eine dem jeweiligen Verwendungszweck entsprechende Durchflußcharakteristik aufweisen. Bei diesen bekannten Regelventilen wird die Veränderung des Durchflußquerschnitts durch die unterschiedliche Stellung zweier gegeneinander verschiel b.irer Teile wie Sitz und Kegel, Platte und Membran oder dergleichen bewirkt. Die Regelung erfolgt dabei im allgemeinen durch eine angetriebene Spindel. Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtungen besteht jedoch darin, daß infolge der dabei im allgemeinen verwendeten Stopfbüchsen Reibungskräfte hervorgerufen werden, durch die Hystereseerscheinungen zwischen Stellgröße und Ventilstellung hervorgerufen werden, die durch Zwangsstellwerke, soweit dies möglich ist, wieder aufgehoben werden müssen. Den weiteren Nachteil, daß in der Nullstellung Sitz und Kegel verklemmt werden, hat man dadurch zu vermeiden gesucht, daß die Kegelwinkel verhältnismäßig groß gehalten werden. Dabei muß jedoch insbesondere bei Ventilen für kleine Durchflußmengen, d.h. für kleine k,. Werte, ein verhältnismäßig kleiner Regelbereich in Kauf genommen werden. Dabei versteht man unter k,,-Wert den Durchflußkoeffizienten in mVh für Wasser der Dichte 1.0 bei einer Druckänderung von 1 at. Bei der Herstellung dieser Ventile ist ferner eine große feinmechanische Genauigkeit erforderlich. Hinzu kommt, daß insbesondere bei Kleinventilen häufig unnötig hohe Belastungsgrenzen für den Betriebsdruck in Kauf zu nehmen sind. Sperrigkeit und ein verhältnismäßig hoher Kostenaufwand bei der Herstellung für die verschiedenen, hierbei erforderlichen Antriebssysteme sind weitere Nachteile.

Es sind auch schon Stellglieder zur Regelung der Durchflußmenge von strömenden Flüssigkeiten und Gasen bekannt, bei denen die eine Durchflußstrecke aus einem Elastomer gebildet wird und bei denen der