DE19535641C1 - Umschaltventil zwischen Fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil zum Umschalten zwischen Fluiden.

Ventile zum Umschalten zwischen zwei Fluiden sind im Handel in unterschiedlichen Bauformen, Leistungsklassen und Größen lieferbar. In der Regel wird der Schaltvorgang durch die translatorische Verschiebung eines Steuerkolbens erreicht. Ein solches Ventil ist aus DE 34 08 815 A1 bekannt.

Dieses Ventil ist aufgrund der Massenträgheit des Steuerkolbens (Ventilschieber) im periodischen Betrieb nicht ohne Vibrationen zu betreiben.

Handelsübliche Ventile, bei denen der Schaltvorgang durch eine rotatorische Bewegung eine Steuergliedes erzeugt wird (Kugelhähne), werden üblicherweise nur für das Absperren/Freigeben eines Fluidstromes eingesetzt.

Für bestimmte Anwendungen besteht die Notwendigkeit, periodisch und mit hoher Frequenz zwischen zwei oder mehreren Fluiden umzuschalten. Hochfrequent bedeutet speziell im Zusammenhang mit inkompressiblen Fluiden und langen Zuleitungen Frequenzen von mehr als 1 Hz.

Zu lösende Probleme im vorliegenden Fall sind:

• - Das Umschalten der Fluidströme soll vibrationsfrei erfolgen.
• - Speziell bei inkompressiblen Fluiden dürfen Zuflüsse während des Schaltvorganges nicht blockiert werden. Würde das Fluid in einer langen Zuflußleitung durch den Umschaltvorgang in seiner Geschwindigkeit gebremst, so wäre eine hohe Frequenz des Schaltvorgangs aufgrund der Massenträgheit der Fluidsäule vor dem Zulauf unmöglich.
• - Häufig soll darüber hinaus ein steilflankiges Umschalten möglich sein, d. h. es findet kein allmählicher Wechsel von einem Fluid zu einem anderen statt.

Aus DE 34 30 860 A1 ist zwar eine Mehrwege-Armatur zum Umlenken von Strömungsrichtungen von Fluiden bekannt, die durch Rotation eines Kükens bewirkt wird. Die Drehung des Kükens hat jedoch zunächst zur Folge, daß die Eintriftsöffnungen in das Ventil verschlossen werden. Der Schließvorgang bewirkt ein Abbremsen der Fluide. Diese setzen sich erst wieder in Bewegung, wenn die Öffnungen wieder freigegeben sind. Der Abbrems- und Beschleunigungsvorgang verursacht Vibrationen. Vibrationen sollen jedoch vermieden werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Ventils, bei dem das Umschalten auch bei inkompressiblen Flüssigkeiten vibrationsfrei erfolgen kann.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Eine mit der gewünschten Umschaltfrequenz kontinuierlich umlaufende Welle wird als strömungsbeeinflussendes Bauteil verwendet. Das Abbremsen der Fluidströmung im Zulauf wird dadurch verhindert, daß kein Schaltvorgang im eigentlichen Sinne mit den einzelnen zuströmenden Fluiden durchgeführt wird, sondern die Strömungen lediglich durch Taumelscheiben oder stufenförmig miteinander verbundenen, halbkreisförmigen Scheiben abgelenkt werden.

Werden nun mehrere Taumelscheiben oder stufenförmig miteinander verbundene, halbkreisförmige Scheiben auf einer Welle angebracht und in ein Ventilgehäuse eingesetzt, so wird ein Umschaltvorgang durch Änderung der Leitrichtung ohne Beeinflussung der Fluidgeschwindigkeit realisiert.

Je ein Bypassausgang für den jeweils nicht genutzten Fluidstrom bewirkt, daß dieser ununterbrochen abströmen kann. Daher ist das Ventil sogar für inkompressible Flüssigkeiten problemlos einsetzbar.

Der Gesamtaufbau des Ventils ist frei von oszillierenden Bauteilen und daher vibrationsfrei. Der Schaltvorgang erfolgt schnell, so daß ein steilflankiges Umschalten möglich ist.

Durch die Formgebung der Taumel- oder stufenförmig miteinander verbundenen, halbkreisförmigen Scheiben und des Zustromquerschnittes läßt sich außerdem die zu erzielende Signalform des Ausgangsstromes von einer Sinusform bis hin zu einem steilflankigen Trapez variieren.

Bei stufenförmig miteinander verbundenen, halbkreisförmigen Scheiben (Fig. 1 bzw. Fig. 3) und einem in Wellenumfangsrichtung möglichst schmalen Schlitz als Zustromquerschnitt ergibt sich ein steilflankiges Trapez als Ausgangssignalform. Wird dagegen eine Taumelscheibe (Fig. 2a bzw. Fig. 2b) und der Zustrom als Kreisquerschnitt ausgebildet, so erhält man einen allmählichen Übergang zwischen den beiden zuströmenden Fluiden und somit ein sinusförmiges Ausgangssignal.

Vorteilhaft werden ferner Mittel zur Vermeidung von Toträumen im Ventil eingebaut, z. B. in Form von Leithülsen. Hierdurch wird vermieden, daß Mischvorgänge in Toträumen ablaufen, die die Flankenqualität des steilflankigen Trapezes deutlich verschlechtern würden.

Es zeigen:

Fig. 1 Querschnitt durch ein Ventil

Fig. 2a, b Funktionsprinzip

Fig. 3 Querschnitt durch eine Ausführungsform mit Führungshülsen

Fig. 4 dreidimensionale Darstellung eines Fig. 3 entsprechenden Ventils.

Fig. 1 zeigt ein Ventil zum Umschalten zwischen zwei Fluiden, mit Einlaß- 1, 2 und Auslaßöffnungen 3, 4, 5 entlang zu einer im Ventil befindlichen Welle 6. An der Welle 6 sind Leitbleche 7, 8, 9 derart an der Welle angebracht, daß in das Ventil hineinströmende Fluide durch eine 180°-Drehung (Drehung wird durch Pfeil 10 angedeutet) der Welle 6 eine Umlenkung erfahren. Eine solche Umlenkung bewirkt, daß das zur Einlaßöffnung 1 hineinströmende Fluid nicht mehr durch die Auslaßöffnung 4 sondern durch die Auslaßöffnung 3 (hier lediglich als Bypass ausgestaltet) das Ventil verläßt. Gleichzeitig verläßt das durch die Einlaßöffnung 2 hineinströmende Fluid das Ventil statt durch Auslaßöffnung 5 (Bypass) durch Auslaßöffnung 4. An der Auslaßöffnung 4 hat somit der gewünschte Wechsel stattgefunden.

Fig. 2 verdeutlicht das Funktionsprinzip. Fig. 2a zeigt den Zustand vor der Drehung und Fig. 2b den Zustand nach der Drehung. Als Leitbleche sind hier Taumelscheiben eingesetzt.

Jedes Leitblech (bzw. Taumelscheibe) bildet zusammen mit einer Öffnung im Ventilgehäuse jeweils eine Steuerkante. Diese Steuerkanten können entweder am Auslaß (Fig. 1) oder am Einlaß (Fig. 3) angeordnet sein.

Bei Verwendung der Auslässe als Steuerkanten ergibt sich vorteilhaft ein totraumfreies Ventil, wobei jedoch drei Leitbleche 7, 8, 9 notwendig sind.

Werden die Einlässe als Steuerkanten ausgebildet, so kann das Ventil mit nur zwei Leitblechen realisiert werden (siehe Fig. 3). Der im Falle eines steilflankig schaltenden Ventils und der damit benötigten stufenartigen Leitbleche jeweils hinter einem Leitblech entstehende Totraum kann durch die Verwendung von feststehenden Leithülsen 11 eliminiert werden (Fig. 3). Hierdurch werden nachteilhafte Mischvorgänge in Toträumen 12, verursacht durch Verwirbelungen, vermieden.

Durch eine weitere strömungstechnische Optimierung der Geometrie der Leitbleche und der Leithülse 11 ist eine Steigerung der Flankenqualität und Schaltfrequenz möglich.

Fig. 4 zeigt ein dreidimensional dargestelltes Ventil gemäß Fig. 3, jedoch ohne Leithülsen.

Ein Versuch zeigte, daß das hier vorgestellte Ventil für das Fluid Wasser bei einem Frequenzbereich bis zu 10 Hz und mehr als 5 Meter Zuleitung ohne druckschwankungsmindernde Puffer eingesetzt werden kann. Erweiterungen der Zahl der Ein- und Auslässe mit entsprechenden Leitblechen sind möglich.

Claims (1)

1. Ventil zum Umschalten zwischen zwei Fluiden mit einer Welle in einem hohlzylinderförmigen Gehäuse, mit zwei Gehäuseeinlaßöffnungen entlang der einen Seite der Welle, mit drei Gehäuseauslaßöffnungen entlang der anderen, gegenüberliegenden Seite der Welle, wobei die Einlaßöffnungen versetzt im Verhältnis zu den Auslaßöffnungen angeordnet sind, mit mehreren planparallel an der Welle derart angebrachten Taumelscheiben oder stufenförmig miteinander verbundenen, halbkreisförmigen Scheiben, daß in das Ventil hineinströmende Fluide durch Drehen der Welle von der mittleren Auslaßöffnung zu einer der beiden anderen Auslaßöffnungen oder umgekehrt umgelenkt werden können.