DE1650438C - Vorrichtung zur Regelung der Durch flußmenge von Gasen und Flüssigkeiten - 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 Strömungsprofil für verhältnismäßig kleine Druckdifferenzen und Temperaturbelastungen, d.h. insbeErfordernissen 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

sondere für Druckdifferenzen zwischen 1 bis 10 kp/ 10 Rollnahtverschweißung, fest miteinander verbunden.

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 π 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 Stellbereich auch sehr kleine k_v-Werte erzielbar sein sollten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Vorrichtung der oben genannten Art dadurcii gelöst, daß aufeinanderliegende. bei Temperaturanstieg sich unterschiedlich ausdehnenden Bleche, Folien oder derIm 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 W ,se. beispielsweise durch Elektroerosion, abgetragen. O- durch werden die Rückstellkräfte so klein wie möglich gehalten.

Eine andere Variante der erfindungsgemäßen Vor richtung zur Regelung der Durchflußmenge von Gasen .nd Flüssigkeiten besteht darin, daß zur Ver

gleichen über die ganze Länge der rohrförmigen Durch- 25 bindung der Bimetallstreifen ein durch Vulkanisieren

flußstrecke 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 be- ,a steht und die Wandung zum Teil aus zwei aufeinanderlegenden 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 _nterscheidet sich jedoch die Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch, daß sich die thermostaauf die Außenflächen der Bimetallstreifen aufgebrachtes, diese umgreifendes, an sich bekanntes hysteresear mes 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 wer den.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der er findungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge von Gasen und Flüssigkeiten besteht aus zwei mit Passung konzentrisch zueinander angeordneter, Rohren, von denen das äußere Rohr aus einem an sich bekannten Werkstoff mit großem

tische Betätigungseinrichtung über die ganze Länge der 40 Ausdehnungskoeffizienten und das innere Rohr aus

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 Ausführun,;sform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge von strömenden Stoffen besteht darin, daß die einem Werkstoff mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten besteht. Als Werkstoff sind dabei die Legierungen vorgesehen, die bei Bimetallstreifen für den in Frage kommenden Temperaturbereich Verwendung 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 °

Durchflußstrecke aus zwei in an sich bekannter Weise 50 und 400° C fiachgewaht und die äußere Komponente

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 in an sich bekannter Weise aus einer bekannten Eisen-Nickel-Legierung, die einen Ausdehnungskoeffizienten a - 1 x 10 ⁶ hat, ur,d einem bekannten austentischen Chrom-Nickel-Stahl, der einen Ausdehnungskoeffizienten a = 15 χ 10 ⁶ hat, bestehen. Eine weitere zweckmäßige Zusammensetzung kann auch aus einer bekannten Eisen-Nickel-Legierung mit einem Ausdehnungskoeffizienten «=2x10 ⁶ und einem bekannten austentischen Stahl mit einem Ausdehnungskoeffizienten a - 16 X 10 ~^b bestehen. Durch die Auswahl der Bimetallstreifen verschiedener Zusammensetzungen hat man es d-.i>ci weitgehend in der Hand, die rohrförmige Durchflußstreckc den gewünschten in dei den Kanten benachbarten Bereichen electroerosiv nngetragen.

Line andere voiieilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht schließlich darin, 5 daß die rohrföimige Durchflußstrecke aus zwei, bei einer vorgegebenen Temperatur miteinander mit geringer Paßtoleranz konzentrisch zueinander angeordneten Rohrstücken gebildet wird, von denen das äußere Rohrstück aus einem Werkstoff mit großen·, Ausdeh-

fto nungskoeffizienten und das innere Rohrstück aus einem Werkstoff mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten besteht, wobei die beiden Rohrstücke in an sich bekannter Weise mittels einer schraubenförmig geführten Rollnaht oder dergleichen miteinander vcr-

M schweißt sind. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Wandstärke des äußeren Rohrstücks mit großer thermischer Dehnung so zu bemessen, daßsie etwa 0,1 mm nicht überschreitet, und bei einer Boh-

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

Weitcrc Einzelheiten der Erfindung gehen aus den in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausfüh rungsbcispielen hervor. Es zeigt

Fig. 1 eine Durchflußstreckc aus zwei an den Längskanten miteinander verschweißten Bimetallstreifen im Querschniti.

Fig. 2 eine aus zwei Bimetallstreifen gebildete Durchfkißstrecke mit einem zur Verbindung an den Längskanten durch Vulkanisieren aufgebrachten hysteresearmen Elastomer.

F i g. 3 eine aus zwei konzentrischen durch schraubenförmige Rollnahtverschwcißung miteinander verbundenen Rohren unterschiedlicher Ausdehnung gebil dcte Durchflußstreckc,

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

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind zwei Bimetallstreifen I, 2, die in an sich bekannter Weise aus zwei miteinander verbundenen Mctallfolicn unterschiedlicher Ausdehnung 3, 4 und 5, 6 bestehen, an den Längs kanten 7, 8 miteinander verschweißt. Wird nun die Durchflußstreckc durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Heizvorrichtung in an sich bekannter Weise aufgeheizt, 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 Reaktionswärme die Durchflußstrecke mit unterschiedlichem 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 Bimetallstreifen I, 2. Bei heißpressverschweißtcn Rohren kann auch senkrecht zur Symmetrieebene so abgetragen werden, daß die Kanten mit 0,05 bis 0.1mm Wandstärke Verformungen mit Winkeln von einigen Minuten aushalten. Statt die Längskanten der Bimetallstreifen 1, 2 miteinander zu verschweißen, ist es auch möglich, ein hysteresearmes Elastomer, beispielsweise ein möglichst temperaturbeständiges an sich be kanntes Elastomer 1-3. durch Vulkanisieren auf die Bi metallstreifen 1, 2 aufzubringen.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der erfindungsgcmäßen Vorrichtung wiedergegeben, die aus einem metallischen Rohrstiick 14 mit sehr kleiner thermischer Ausdehnung und einem darübergeschobcncn Rohrstück 15 mit großer thermischer Ausdehnung ί und mit einer Wandstärke von höchstens 0.1 mm durch schraubenförmige Rollnahtverschwcißung der beiden Rohrstückc gebildet ist. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zum Aufheizen und somit /.ur Freigabe des Durchflusses in dem dem Bedarfsfälle je ίο weils angepaßten Maße die Durchflußstreckc als Se kundärwicklung des Transformators 16 vorzusehen. Wie am besten aus Fig. 4 erkennbar ist. wird dabei in Abhängigkeit von der Temperatur die Höhe 17 des krcisabschnittförmigcn Querschnitts der Durch n flußstrecke 18 verändert.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in vorteil hafter Weise als Stellglied eines Regelkreises verweiul bar. Selbstverständlich ist es auch ohne weiteres miig lieh, den Durchfluß in einer dem jeweiligen Bedarfs 2ii falle entsprechenden Weise mittels Tempcratiirände rungcn zu steuern. Da die Wärmekapazität der erfin dungsgemäßen rohrförmigen Durchflußstreckc klein ist und da es bei der Verwendung als Stellglied ohne weiteres möglich ist. die Wärmeabfuhr der Stellglic _'ϊ der den gewünschten Bedingungen anzupassen, ist die Verwendung der neuen Einrichtung auch in Stetijire gelkrcisen mit Zeitkonstanten von einigen Sekunden bis zu Minuten möglich. Hinzu kommt als weiterer Vorteil, daß der Leistungsbedarf nur wenige Wan in heirägl. Fin weiterer Vnr/iio der crfindun^oS"0nⁱ?'H'¹!i Einrichtung besteht darin, daß zur Regelung de·; Durchflusses keine mechanisch bewegten Teile erfor derlich sind und daß die Hysterese des Stellglieds der Hysterese der verwendeten Metalle bei clastisehei '■> Verformung entspricht. Die geringen Abmessungen die geringen Kosten für die Herstellung sowie sein kleine Durchflußkoeffizicntcn trotz relativ gml.Wi Stellbereiche sind weitere für den praktischen Vcrwen dungsbereich erhebliche Vorteile.

«ι Vertauscht man die Wandungen der Bimetallsiivi fen oder die durch die konzentrische Anordnung vm Rohren gebildete Durchflußstrecke in der Weise. d.H die Außenwandung von dem Metall mit kiel· τι A,,s dehnungskoeffizienten und die Innenwandung u>i dem Metall mit größerer Ausdehnung gebildet wird so ist ohne weiteres erkennbar, daß die crfindun::- gemäße Vorrichtung auch als Temperaturfühler ver wendbar ist. Dadurch wird unter Ausnutzung an s.H bekannter exothermer Vorgänge auf einfache Weis ein vollständiger Regelkreis geschaffen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche: RoUnaht oder dergleichen miteinander verschweißt sind.

1. Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge von Gasen und Flüssigkeiten durch eine rohrförmige Durchflußstrecke, deren Querschnitt mittels aufeinanderliegender Bleche, Folien oder dergleichen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten temperaturabhängig veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese 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.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Durchflußstrecke aus zwei in an sich bekannter Weise an den Kanten (7, 8) f?st miteinander verbundenen, bei einer vorgegebeneil 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 rohrförmige Durchflußstrecke aus zwei in an sich bekannter Weise an den Kanten (7, 8) fest miteinander verbundenen, bei einer vorgegebenen Temperatur, oberhalb der der Durchfluß gesper · sein soll, ebenen Bimetallstreifen (1, 2) gebildet ist, wobei die die Außenwandung bildenden Komponenten (3, 6) den kleineren Wärmeausdehnungskoeffizieriien aufweisen.

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

5. Vorrichtung nach Anspruch 4. daduich gekennzeichnet, daß die äußeren Bimetallkomponenten (3, 6) in schmalen Zonen (9, 10, 11, 12) längs der Kanten (7, 8) in an sich bekannter Weise abgetragen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dudurch 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. ίο

7. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch ge-.kennzeichnet, daß die rohrförmige Durchflußstrecke aus mit geringer Paßtoleranz konzentrisch zueinander mgeordneten, heißpreßverschweißten, oberhalb der Temperatur, bei der der Durchfluß gesperrt sein soll, flachgewalzten Rohren aus an sich bekannten Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Durchfluß- no 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 Rührstück (14) i\us μ einem Werkstoff mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist. in an sich bekannter Weise mittels einer schraubenförmig geführten Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung der Durchflußmenge von Gasen und Flüssigkeiten durch eine rohrförmige Durchflußstrekke, deren Querschni.t mittels aufeinanderliegender Bleche, Folien oder dergleichen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten temperaturabhängig veränderbar ist.

Derartige Vorrichtungen werden insbesondere zum Konstanthalten des Trägergasstromes in Gaschromatographen, zum Regeln eines vorgewählten Gssdrucks, des Mischungsverhältnisses einer Gasmi schung in Ionen-Zerstäuberanlagen oder ganz allge mein in der Verfahrenstechnik und bei der Durchfüh rung von chemischen Untersuchungen zum Dosieren von Reaktion^'irtnern verwendet. Weitere Anwen dungsgebiete sind die Dosierung einer Frischölversor gung. die Mengenregelung flüssiger und gasförmiger Brennstoffe oder auch die Polarographie. 7um Bei spiel die Quecksilbertropfenanalyse mit stetiger Vergrö ßerung eines einzigen Quecksilbertropfens. Eine weitere Anwendungsmögiichkeit ist die Versorgung von Verbleibekanülen mit flüssigen Medikamenten in de.

Medizin.

Es sind zwar schon Regelventile bekannt, die eine dem jeweiligen Verwendungszweck entsprechende Durchflußcharakteristik aufweisen. Bei diesen bekann ten Regelventil wird die Veränderung des Durchflußquerschnitts durch die unterschiedliche Stellung zweier gegeneinander verschiebbarer 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 verwenceten Stopfbüchsen Reibungskräfte hervorgerufen weiden, 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 Ke- ^elwinkel 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 Durchflußstrccke aus einem Elastomer gebildet wird und bei denen der