DE1955973B2 - Als steuerbares ventil ausgebildete wirbelstrom-steuereinrichtung - Google Patents

Description

ίο Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrom-Steuereinrichtung zum Durchleiten von Strömungsmittel mit in der Durchgangsrichtung veränderlichem Strömungswiderstand (steuerbares Ventil), bestehend aus einer Kammer mit einem an deren Umfangswänden vorge-

»5 sehenen Strömungsmitteleinlaß und einem entfernt von den Umfangswänden befindlichen Strömungsmittelauslaß sowie zwischen Strömungsmitteleinlaß und -auslaß angeordneten Strömungswegen, die einer logarithmischen Spiralkurve folgen (Spiralströmungs-

ao wege).

Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise durch die USA.-Patentschrift 3 198 214 bekanntgeworden. Hier verändert sich der Strömungswiderstand durch einen am Strömungsmittelauslaß entstehenden Wirbei, der um so stärker wird, je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist. Die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Strömungswiderstand wird um so größer, je mehr der Strömungsmitteldurchsatz anwächst. Es gibt aber Fälle, in denen es erwünscht ist, den Strömungswiderstand derart steuern zu können, daß er mit abnehmendem Strömungsmitteldurchsatz zunimmt, daß also die Einrichtung zum Durchleiten des Strömungsmittels hier gerade eine umgekehne Charakteristik aufweist.

Beispielsweise wurde festgestellt, daß in Ventilen mit Meßelementen Blasen im Düsenstrom gebildet werden, der vom Meßelement ausgeht, wenn ein kritischer Wert überschritten wird. Die Blasenbildung erzeugt Lärm und Kavitation, die zur Beschädigung des Ventils und zu einer Verkürzung seiner Lebensdauer führen kann.

Das Problem der Blasenbildung wird besonders ernst, wenn die Drucksysteme größer werden und Wasser-Öl-Lösungen als Betriebsmittel Verwendung finden.

Eine Möglichkeit, diese kritischen Zustände des Ventils zu vermeiden, besteht in der Verwendung einer einfachen Drossel. Jedoch bilden solche einfachen Drosseln einen Strömungswiderstand, der eines mit dem Durchsatz an Strömungsmittel zunehmenden Druckabfall hervorruft. Dieser Druckabfall, der als Gegendruck wirkt und nachstehend auch so bezeichnet wird, wird somit im erforderlichen Ausmaß ersl bei großen Strömungsmitteldurchsätzen verfügbar, wo er allgemein nicht gebraucht wird, und eine unnötige Verminderung des Wirkungsgrades des System! ist das Ergebnis.

Es ist daher eine Einrichtung erwünscht, bei welcher sich der Gegendruck im entgegengesetzten Sinne ändert, d. h. eine Einrichtung zum Durchleiten von Strömungsmittel, die einen hohen Gegendruck bei niedrigen Strömungsmengen und einen niedrigen Gegendruck bei hohen Strömungsmengen bewirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wirbelstrom-Steuereinrichtung zum Durchleiten von Strömungsmittel zu schaffen, deren Strömungswiderstand derarl steuerbar ist, daß er bei niedrigen Strömungsdurchsätzen hohe und bei hohen Strömungsdurchsätzeri

niedrige Werte annimmt, wobei das erreichbare Verhältnis des maximalen Abflußstromes geteilt durch den minimalen Abflußstrom der Einrithtung, das sogenannte »Ablenkverhältnis« oder »turndown-Verhältnis« möglichst groß ist, und zwar vorzugsweise 20: 1 oder mehr beträgt.

Diese Aufgabe wird mit einer Wirbelstrom-Steuereinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Spiralströmungswege von einer Vielzahl von Flügelelementen gebildet und von sich radial vom Ströraungsmitteleinlaß zum Strömungsmittelauslaß erstreckenden Radialströmungswegen durchbrochen und mit einer an sich bekannten Steuerströmungs-Einrichtung zum mindestens teilweisen Umlenken des Strömungsmittels aus seiner radial nach innen gerichteten Strömung in die Spiralströmungswege versehen sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß die an sich bekannte Steuerströmungs-Einrichiung einen zweiten Strömungsmitteleinlaß (Steuerdruckdüse) zur Zuführung eines Steuerströmungsmittels umfaßt und so ausgebildet ist, daß der in die Kammer eintretende, vom Steuerströmungsmittel gebildete Steuerstrom etwa senkrecht zur Richtung des den Radialströmungswegen folgenden Strömungsmittels verläuft.

Zwar sind in der deutschen Patentschrift 971 622 Vorrichtungen beschrieben, in denen eine Wirbelströmung auftritt und Ablenkungsmittel, insbesondere eine ablenkende Zusatzströmung vorgesehen sind, es handelt sich hier aber um Vorrichtungen, die der Strömung einen unterschiedlichen Strömungswiderstand in Abhängigkeit von der Strömungsdurchgangsrichtung entgegensetzen, sogenannte Rückströmdrosseln, während mit der Erfindung der Strömungswiderstand in Abhängigkeit vom Strömungsdurchsatz verändert wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in den F i g. 1 bis 5 der Zeichnung veranschaulichten besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Wirbelstrom-Steuereinrichtung,

F i g. 2 eine Schmttansicht längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

F i g. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 1,

F i g. 4 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform längs der Linie 4-4 in F ig. 1,

F i g. 5 eine schematische Ansicht eines Systems, das mit einer Wirbelstrom-Steuereinrichtung gemäß der Erfindung ausgerüstet ist.

In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wirbelstrom-Steuereinrichtung 10 dargestellt. Das Gehäuse 12 der Wirbelstrom-Steuereinrichtung umfaßt eine Düsenplatte 14, die zwischen einem Körper 16 und einer Endplatte 20 angeordnet ist; diese Teile sind alle in geeigneter Weise miteinander durch Bolzen 22 verbunden. Ein Montierungsflansch ist bei 24 vorgesehen und an der Endplatte 20 durch Schrauben 26 befestigt, von denen eine in F i g. 1 dargestellt ist. Der Körper 16 ist mit einer Einlaßöffnung 28 versehen, die einen Einlaßdurchgang 30 aufweist, der zu einem zylindrisch gestalteten Hohlraum 32 führt. Die Einlaßöffnung 28 ist dazu bestimmt, mit einer Druckmittelquelle, beispielsweise einer nicht dargestellten Pumpe, verbunden zu wer-Innerhalb des Hohlraums 32 ist ein Steuerelement 34 angeordnet, das an seinem Außenumfang eine Vielzahl axial sich erstreckender Flansche 36 aufweist, deren gegenüberliegende Enden 38 bzw. 40 an der Hohlraumwand 42 anliegen. Zwischen dem Steuerelement 34 und der Düsenplatte 14 ist eine zweite Kammer 43 gebildet. Das Steuerelement 34 ist weiterhin mit einem Führungskonus 44 versehen, der in der zweiten Kammer 43 in der Mitte auf einer

ίο Strömungsfläche 46 auf der in F i g. 1 rechten Seite des Elements 34 ausgebildet ist. Der Konus 44 erstreckt sich von der Strömungsfläche 46 ausgehend in axialer Richtung weg in einen halsförmigen Strömungsmittelauslaß 48, der in eine konisch gestaltete

Auslaßdüse 50 übergeht. Die Auslaßdüse 50 ist innerhalb einer mittig angeordneten axialen Verlängerung 51 der Düsenplatte 14 ausgebildet und erstreckt sich durch eine Bohrung 52 innerhalb der Endplatte 20.

ao Innerhalb der Endplatte 20 ist eine ringförmige Ausnehmung 54 vorgesehen, die mittels eines Durchganges 56 mit einer Steuerdruckeingangsöffnung 58 verbunden ist und dazu dient, die Steuerflüssigkeit in der nachfolgend zu beschreibenden Weise zu leiten.

Eine Dichtung 60 ist vorgesehen, um eine Leckströmung an der Verbindungsstelle des Gehäusekörpers und der Düsenplatte zu verhindern, während die Dichtungen 62 und 64 dafür sorgen, daß keine Leckströmung an der Verbindungsstelle der Düsenplatte und der Endplatte auftritt. Die Dichtungen 60, 62 und 64 haben vorzugsweise die Form eines endlosen O-Ringes von kreisförmigem Querschnitt, der aus Elastomer bestehen kann, jedoch können auch andere geeignete Dichtungsmittel ausgewählt werden.

In F i g. 3 ist eine Strömungsfläche 46 des Steuerelements 34 dargestellt. An der Außenumfangswand der Strömungsfläche 46 und über den Umfang im Abstand voneinander zwischen den Flanschen 36 sind eine Vielzahl von Strömungsmitteleinlässen in Form von Schlitzen angeordnet, die mit den Bezugszeichen 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78 und 80 bezeichnet sind. Jeder Strömungsmitteleinlaß verbindet den Hohlraum 32 mit der Strömungsfläche 46. Jedem der Strömungsmitteleinlässe 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78 und 80 sind Radialströmungswege 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94 und 96 zugeordnet, durch welche das Strömungsmittel von den Strömungsmitteleinlässen zur Auslaßdüse fließt, sofern darauf nicht in einer Weise eingewirkt wird, wie noch zu beschreiben ist. Somit ist zu ersehen, daß eine kontinuierliche Strömungsbahn zwischen der Einlaßverbindung und der Auslaßdüse erzeugt ist, und zwar mit Hilfe des Hohlraums 32, der am Umfang befindlichen Strömungsmitteleinlasse 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78 und 80, der Radialströmungswege 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94 und 96 sowie des Führungskonus 44 und des Strömungsmittelausiasses 48.
Auf der Strömungsfläche 46 ist eine Vielzahl von in radialem Abstand voneinander angeordneten Flügelelementen 100 vorgesehen, die einer !ogarithmischen Spiralkurve folgen. Die Flügelelemente 100 bilden eine Vielzahl von logarithmischen Spiralströmungswegen 101, durch welche die Radialströmungswege 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94 und 96 geschnitten und ringförmig unterteilt werden. Der Spiralwinke] ß ist der Winkel des Flügelelements, der am Schnitt

[eines Radius der Strömungsfläche 46 und einer Linie

ausgebildet wird, die tangential zum Flügelelement rungsform strömt die durch die Strömungsmittelein-

100 verläuft, und der Winkel ß ist konstant längs der lasse 66 A, 68/4, 70/4, 72 A, 74/4, 76 A, 78 A und

gleichen logarithmischen Spirale. 80 A ungestört eintretende Flüssigkeit radial nach in-

Die logarithmische Spirale kann irgendeinen ge- nen, bis die Ausnehmung 54 an einen Niederdruck,

wünschten Winkel haben; je größer der logarithmi- 5 beispielsweise an eine Vakuumpumpe, angeschlossen

sehe Spiralwinkel ist, um so größer ist das Ablenk- wird. Dann erfolgt eine entsprechende Ablenkung der

Verhältnis und umgekehrt. Obgleich die Flügelele- Hauptströmung, so daß diese, einmal etwas abgelenkt,

mente als stationär dargestellt sind, würde es möglich in Berührung mit den Flügelelementen 100 A kommt,

sein, Flügelelemente einzubauen, deren logarithmi- die den Strom weiter in die gewünschte Spiralströ-

scher Winkel verändert werden könnte. io mungsbahn in der gleichen Weise, wie im Zusammen-

Jedem der Radialströmungswege 82, 84, 86, 88, hang mit der Ausführungsform nach F i g. 3 beschrie-

90, 92, 94 und 96 ist eine der Steuerdruckdüsen 102, ben wurde, ablenken.

104, 106, 108, 110, 112, 114 und 116 zugeordnet. In F i g. 5 ist eine schematische Ansicht eines Strö-Die Steuerdruckdüsen sind im wesentlichen recht- mungsmittelsystems dargestellt, in dem eine Wirbelwinklig zu den Radialströmungswegen angeordnet, 15 strom-Steuereinrichtung gemäß der Erfindung ange- und jede ist einzeln mit der ringförmigen Ausneh- wandt wird. Eine Pumpe 120 ist vorgesehen, um mung 54 innerhalb der Endplatte durch eine Vielzahl Druckmittel über dis Leitung 121 aus einem Reservon Bohrungen 118 verbunden, die sich von dem voir 122 anzusaugen und dann einem Druckmittel-Steuerelement 34 und durch die Düsenplatte 14 er- motor 124 über die Leitung 125 zuzuführen. Das strecken, eine der Bohrungen 118 ist in F i g. 1 darge- 20 Druckmittel wird wahlweise entweder über die Leistellt. Aus F i g. 3 läßt sich ersehen, daß die Steuerdü- rung 126 oder die Leitung 128 geleitet, was mittels sen auf dem Steuerelement 34 in solcher Weise an- eines Vierwegeventils 130 erfolgt, um den Kolben geordnet sind, daß der von ihnen zugeführte Steuer- 132 in die gewünschte Stellung hin- und herzubewestrom in Richtung der Flügelelemente und der Spiral- gen. Wenn beispielsweise Druckmittel zur Leitung Strömungswege 101 fließt. 35 126 geführt wird, bewegt sich der Kolben 132 nach

Wie bereits erwähnt, tritt im Betrieb Flüssigkeit in rechts, und Druckmittel wird üoer die Leitung 128 die Wirbelstrom-Steuereinrichtung durch die Einlaß- und über das Vierwegeventil in eine Auslaßleitung Öffnung 28 ein, fließt zu dem Hohlraum 32 um den 134 abgeführt. Das abgelassene Druckmittel wird Außenumfang des Steuerelements 34 über die als über die Leitung 134 zu einer erfindungsgemäßen Schlitze ausgebildeten Strömungsmitteleinlässe und 30 Wirbelstrom-Steuereinrichtung 136 und zurück zu ungestört radial nach innen zu dem Konus 44 und dem Reservoir 122 geleitet. Die Steuerdruckdüsen wird in die konische Auslaßdüse 50 abgelassen. 138 der Wirbelstrom-Steuereinrichtung 136 sind fort-Wenn das unter Druck stehende Steuerströmungsmit- laufend mit dem Druckmittel verbunden, das von der tel über die Steuerdruckeingangsöffnung 58 in die Pumpe 120 über die Leitung 140 zugeführt wird. In j ringförmige Ausnehmung 54 fließt, wird es durch die 35 der Leitung 140 ist ein Rückschlagventil 142 zu dem Bohrungen 118 zu jeder der Steuerdruckdüsen und in Zweck vorgesehen, Druckmittel direkt zu dem Reserjeden Radialströmungsweg geleitet. Die Hochdruck- voir abzuleiten, wenn der Druck einen vorbestimmten strömung von den Steuerdruckdüsen erteilt dem Strö- Wert überschreitet. Die schematisch in F i g. 5 dargemungsmittel, welches den Hauptstrom bildet, eine stellte Wirbelstrom-Steuereinrichtung 136 ist in Kon-Ablenkung, die, wenn auch gering, genügend ist, um 40 struktion und Betrieb identisch mit der Wirbelstromzu bewirken, daß der Hauptstrom teilweise mit den Steuereinrichtung 10, die oben beschrieben wurde. Flügclelementen in Berührung kommt, die wiederum Daher ist der in der Leitung 134 induzierte und einden Hauptstrom weiter ablenken, bis eine logarithmi- gangs definierte Gegendruck sowohl eine Funktion sehe Spiralströmung erzeugt wird. Der von einer ra- des über die Leitung 140 zugeführten Steuerstroms dialen Strömungsbahn in den Spiralströmungsweg ab- 45 als auch des Hauptstroms, der über die Leitung 134 geleitete Strom lenkt den Hauptstrom weiter in an- in die Wirbelstrom-Steuereinrichtung 136 eintritt, dere radiale Strömungswege, wenn er der gewünsch- Wenn ein konstanter Hauptstrom in die Wirbelstromten Spiralbahn folgt, und somit wird die Wirkung des Steuereinrichtung eintritt und der Steuerstrom verän-Wirbels weiter unterstützt. dert wird, steigt der in der Leitung 134 erzeugte Ge-

Die in F i g. 4 dargestellte Ausführungsform ist mit 50 gendruck an, wodurch sich ein entsprechender AnAusnahme der Lage der Steuerdüsen identisch mit stieg des Steuerstroms ergibt; wenn jedoch ein konder in Fig. 3 dargestellten, und somit sind die ent- stanter Steuerstrom benutzt wird, nimmt der in der sprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen, Leitung 134 erzeugte Gegendruck ab, so daß sich ein gefolgt von dem Buchstaben »/4«, bezeichnet. Zum Anstieg des Hauptstroms ergibt. Wie Fig. 5 zeigt, ist Beispiel sind in F i g. 3 die Flügelelemente mit 100 55 der Steuerstrom im wesentlichen eine feste Größe, bezeichnet, während sie in F i g. 4 mit 100 A bezeich- während sich der Hauptstrom in der Leitung 134 vernet worden sind. ändert, wenn das Ventil 130 von einer Stellung zur

Die Steuerdüsen sind hier als Steuersaugdüsen anderen verschoben wird.

102/4, 104/4, 106/4, 108/4, 110/4, 112/4, 114/4 Wean das Ventil 130 anfänglich verschoben wird,

und 116 A ausgebildet und auf dem Steuerelement 60 um eine Flüssigkeitsverbindung zwischen der Leitung

34 A in solcher Weise angeordnet, daß sie allgemein 128 und 134 herzustellen, ist der Hauptstrom, der in

in einer Richtung weisen, die entgegengesetzt der Spi- die Wirbelstrom-Steuereinrichtung 136 eintritt, ver-

ralströmungsbahn ist, aber noch allgemein senkrecht hältnismäßig gering im Vergleich zu dem konstanten

zu den Radialströmungswegen. Die Vielzahl der Steuerstrom bei 138, was zur Folge hat, daß ein Ge-

Steuersaugdüsen ist mit einer Niederdruckquelle, bei- 65 gendruck in der Leitung 134 in der beschriebenen

spielsweise einer nicht dargestellten Vakuumpumpe, Weise erzeugt wird. Wenn das Ventil 130 weiter Öff-

verbunden. net, steigt der Hauptstrom an, und der in der Leitung

Beim Betrieb der in F i g. 4 dargestellten AusfÜh- 134 erzeugie Gegendruck nimmt ab. Durch geeignete

Gestaltung, die von dem Druckbereich und dem gewünschten Druckmittel abhängt, wird das in das Reservoir über die Wirbelstrom-Steuereinrichtung 136 abgelassene Druckmittel auf einem vorbestimmten Gegendruck gehalten, um die Bildung von Blasen an dem Auslaß des Ventils 130 zu verhindern. Hs ist leicht einzusehen, daß der Gegendruck, der durch die

erfindungsgemäße Wirbelstrom-Steuereinrichtung induziert wird, größer wird bei geringeren Hauptstrommengen und im Wert abnimmt, wenn die Hauptstrommenge ansteigt. Dieser Umstand ist wesentlich günstiger als ein erhöhter Gegendruck, der über einer festen Drossel auftritt, wenn die Hauptstrommenge sich erhöht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209524/154

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Wirbelstrom-Steuereinrichtung zum Durchleiten von Strömungsmittel mit in der Durchgangsrichtung veränderlichem Strömungswiderstand, bestehend aus einer Kammer mit einem an deren Umfangswänden vorgesehenen Strömungsmitteleinlaß und einem entfernt von den Umfangswänden befindlichen Strömungsmittelauslaß sowie zwischen Strömungsmitteleinlaß und -auslaß angeordneten Strömungswegen, die einer logarithmischen Spiralkurve folgen (Spiralströmungswege), dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralströmungswege (101, 101/4) von einer Vielzahl von Flügelelementen (100, 100/1) gebildet und von sich radial vom Strömungsmitteleinlaß (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80; 66/4. 68/4. 70/1, 72/4, 74/4, 76/4, 78/4, 80/4) zum Strömungsmittelauslaß (48) erstreckenden Radialströmungswegen (82, 84, 86, 88, 90, 92, 94, 96; 82/4, 84/4, 86/4, 88/4, 90/1, 92/4, 94/4, 96/4) durchbrochen und mit einer an sich bekannten Steuerströmungs-Einrichtung zum mindestens teilweisen Umlenken des Strömungsmittels aus seiner radial nach innen gerichteten Strömung in die Spiralströmungswege (101, 101/4) versehen sind.

2. Wirbelstrom-Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an sich bekannte Steuerströmungs-Einrichtung einen zweiten Strömungsmitteleinlaß (102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116) (Steuerdruckdüse) zur Zuführung eines Steuerströmungsmittels umfaßt und so ausgebildet ist, daß der in die Kammer (43) eintretende, vom Steuerströmungsmittel gebildete Steuerstrom etwa senkrecht zur Richtung des den Radialströmungswegen (82, 84, 86, 88, 90, 92, 94, 96) folgenden Strömungsmittels verläuft.

3. Wirbelstrom-Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an sich bekannte Steuerströmungs-Einrichtung zum mindestens teilweisen Umlenken des Strömungsmittels einen zweiten Strömungsmittelauslaß (102/4, 104/4, 106/4, 108/4, 110/4, 112.4, 114/4, 116/4) (Steuersaugdüse) zur Abführung eines Teils des den Radialströmungswegen (82/4, 84/4, 86/4, 88/4, 90/4, 92/4, 94/4, 96/4) folgenden Strömungsmittels umfaßt, derart, daß das übrige Strömungsmittel mindestens teilweise in die Spiralströmungswege gelenkt wird.

4. Wirbelstrom-Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmitteleinlaß eine Vielzahl von Einlassen (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80; 66 A, 68/4, 70/4, 72/4, 74/4, 76/4, 78A, 80/4) umfaßt.

5. Wirbelstrom-Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Steuerdruckdüsen (102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116), die einzeln je einem der Spiralströmungswege (101) zugeordnet sind.

6. Wirbelstrom-Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Steuersaugdüsen (102/4,104/4,

106/4, 108/4, UQA, IUA, 114/4, 116/4), die

einzeln je einem der Spiralströmungswege (101 A) zugeordnet sind,