DE19647424A1

DE19647424A1 - Fluidregeleinrichtung mit verringerter Geräuscherzeugung

Info

Publication number: DE19647424A1
Application number: DE19647424A
Authority: DE
Inventors: Frederick A Lorch; Gordon Sharp; Jerome Schaufeld; Richard Clayton
Original assignee: Phoenix Controls Corp
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1995-11-16
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2016-11-16
Also published as: EP0861404A1; WO1997018419A1; DE19647424C2; HK1015866A1; SE9604188L; CA2237852A1; SE9604188D0; US20020162589A1; ES2163660T3; EP0861404B1; DK0861404T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsregeleinrichtung mit einer verringerten Geräuscherzeugung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In zwangsgeführten Lufterhitzungs- oder Klimasystemen ist es oft wünschenswert, den Luftstrom in besondere Bereiche wie z. B. die Heizzonen in einem Gebäude lokal zu regeln. Die verschiedenen Erfordernisse, die dem Luftzufuhrsystem durch die lokalen Regelungen auferlegt werden, können wesentliche Fluktuationen im Luftdruck in einer Zufuhrleitung mit sich bringen. Wenn keine Schritte unternommen werden, um diesen Fluktuationen entgegenzuwirken, kann jede lokale Anpassung das Gleichgewicht des gesamten Systems beeinflussen, was Änderungen in der Luftzufuhr zu zumindest einigen der anderen Bereiche verursacht. US-Patent Nr. 3,403,852, das am 1. Oktober 1968 an Gorchev erteilt wurde, beschreibt einen Versuch, um das obige Problem zu lösen, indem ein Ventil vorgesehen wird, das einen konstanten Volumenstrom einer Flüssigkeit in einer Leitung innerhalb eines Bereiches von statischen Drücken in dem System aufrecht erhält.

Ein Ventil, das auf dem in Gorchev offenbarten Ventil basiert, ist kommerziell von Phoenix Controls erhältlich und in Fig. 1 dargestellt. Insbesondere besitzt ein Ventil 100 vom Venturityp ein Gehäuse 102 mit einer Verengung 104 mit einem verringerten Durchmesser. Ein Konus 106 mit einer Federpackung 107 ist auf einem Schaft 108 befestigt, der in einem Gehäuse 102 nahe dem Verengungsbereich 104 angeordnet ist. Der Schaft 108 wird im Gehäuse 102 durch ein Paar von Trägern 110 und 112 gehalten. Die Position des Schafts relativ zum Gehäuse 102 und somit des Konus 106 in der Verengung 104 wird durch einen Betätiger 114 mittels Verbindungen 116 und 118, einem Schwenkarm 120 und einer Verbindung 122 geregelt. Ein Potentiometer 124, das am Schwenkpunkt des Armes 120 angeordnet ist, stellt einen Ausgang bereit, der die Position des Schaftes 108 und somit des Konus 106 in der Verengung 104 anzeigt. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, besitzt der Ventilkörper einen sich plötzlich verbreiternden Bereich.

Kontrolleinrichtungen wie das oben beschriebene Ventil, die einen konstanten Volumenstrom über einen Bereich von Drücken vorsehen, haben eine angemessene Fluidregelung in Erhitzungs- und Klimasystemen über viele Jahre hinweg durch verschiedene Hersteller bereitgestellt. Ein fortdauerndes Problem mit Fluidbehandlungsventilen dieses Typs ist jedoch, daß ein Geräusch erzeugt wird, wenn diese verwendet werden. Solch ein Geräusch von einer Fluidregeleinrichtung kann sich über weite Entfernungen durch Rohrleitungen fortsetzen und für Einzelne innerhalb des Raumes oder des Bereiches, der geregelt wird, sehr störend werden. Dieser unangenehme oder ungewollte Klang wird allgemein als Geräusch charakterisiert. Dieses Geräusch kann sogar noch unangenehmer sein, wenn die Regeleinrichtung nahe zu dem Raum oder Bereich angeordnet ist, der belegt ist. Der von dem Luftsystem erzeugte ungewollte Klang kann oft mit einer gesprochenen Unterhaltung wechselwirken, es schwierig gestalten, am Telefon zu hören und einen Raum, der bequem sein sollte, wegen des Klanges im allgemeinen unfreundlich gestalten.

Die meisten herkömmlichen Verfahren zum Verringern des von den Regeleinrichtungen emittierten Klanges konzentrierten sich auf die Unterbrechung der Übertragung des Klanges. Das heißt, der Pfad zwischen der Schallquelle und dem Empfänger wurde dahingehend angepaßt, daß er den Klang absorbiert oder abschwächt. Verschiedene klangabsorbierende Stoffe wurden verwendet, um die Innenoberflächen der Rohrleitung auszukleiden, um das Geräusch abzuschwächen. Einige Materialien, die verwendet wurden, umfassen Fiberglas, Mineralwolleisolation und Schäume, sowohl mit offenen als auch geschlossenen Zellen. Das Schaummaterial wurde weniger häufig verwendet aufgrund seiner hohen Materialkosten. Einer der Nachteile der Auskleidung der Leitung ist es, daß, um ein sinnvolles Maß an Verringerung von Niederfrequenzklang zu erreichen, sehr große Längen der Leitungen ausgekleidet werden müssen. Dies erhöht die Kosten eines Luftzufuhrsystems und ist oft einfach nicht ausführbar, wenn der zur Verfügung stehende Raum für die Leitung begrenzt ist. Zusätzlich kann sich die Leitungsauskleidung mit der Zeit verschlechtern, Fasern ausstoßen und/oder ein Medium zum Wachstum von Moder und Sporen darstellen. Oft machen es Lüftungsgestaltungs-Spezifizierungen zur Bedingung, daß Auskleidungen für Leitungen wegen der oben genannten Probleme nicht verwendet werden sollten.

Ein anderes Verfahren zur Geräuschverringerung ist eine Geräuschauslöschung, in welcher das Frequenzspektrum und die Amplitude des Klanges gemessen und analysiert wird. Eine Schallquelle wird dann eingeführt, die 180° zu dem Geräusch phasenversetzt ist und somit das Geräusch auslöscht. Diese Systeme sind sehr teuer und benötigen eine große Präzision, um ordnungsgemäß zu arbeiten. Wenn irgendeine Komponente des Systems leicht dekalibriert ist, wird die gewünschte Geräuschabschwächung nicht auftreten.

Es gibt andere Mittel, um den von einem Luftregelsystem erzeugten Klang zu verringern. Zum Beispiel können, wenn das Luftsystem gestaltet wird, verschiedene Betriebsparameter angepaßt werden, um ein ruhigeres System vorzusehen. Typischerweise neigt der von einer Luftregeleinrichtung erzeugte Klang dazu, zuzunehmen, wenn die Luftgeschwindigkeit durch die Vorrichtung zunimmt; zusätzlich neigt der Klang dazu, zuzunehmen, wenn der Druckabfall über die Einrichtung zunimmt. Mit diesen betriebsmäßigen Richtschnüren wurden leisere Luftregelsysteme gestaltet mit verringerten Betriebsparametern, so daß die maximale Geschwindigkeit durch eine gegebene Regeleinrichtung in der Größenordnung von 1000 Fuß pro Minute (FPM) anstelle der 2000 bis 2500 FPM wie bei herkömmlichen Systemen ist. Zusätzlich wurde der maximale Druckverlust über die Regeleinrichtung auf weniger als 0,75 Inch Wassersäule anstelle der herkömmlichen 1,50 bis 2,00 Inch Wassersäule verringert. Während das mit einem System mit diesen Parametern verbundene Geräusch verringert wird, führt dies notwendigerweise zu größeren Rohrleitungsgrößen, zusätzlichen Kontrolleinrichtungen, größeren Ausgleichserfordernissen und höheren Anfangskosten. Die Erhöhung der Rohrleitungsgröße und Anzahl von Regeleinrichtungen erhöht ebenfalls die Menge des Gebäuderaumes, der für das Luftregelsystem benötigt wird und verringert entsprechend den für den Bewohner verfügbaren Raum.

Demgemäß fehlt im Stand der Technik eine Fluidregeleinrichtung, die selbst dahingehend angepaßt wurde, daß der erzeugte Klang verringert wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist eine Fluid-Regeleinrichtung, die umfaßt einen konvergierenden Bereich, einen divergierenden Bereich und eine Verengung zwischen dem konvergierenden und dem divergierenden Bereich. Der divergierende Bereich ist mit einem vorbestimmten Diffusorwinkel und einer Länge versehen, die ausreichend ist, um das durch die Strömung eines Fluids durch das Ventil erzeugte Geräusch zu verringern. Vorzugsweise umfassen verschiedene Aspekte des Ventils einen Diffusorwinkel weniger oder gleich 20°. Zusätzlich kann der Diffusorabschnitt konisch sein und sich zwischen der Verengung und dem Nenndurchmesser des Ventilkörpers erstrecken. Zusätzlich kann der Übergang zwischen dem konvergierenden Bereich und dem divergierenden Bereich glatt und kontinuierlich sein. Des weiteren umfaßt ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung einen kontinuierlichen Übergang zwischen dem divergierenden Bereich und dem Nenndurchmesser.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung stellt ein Ventil zum Regeln des Durchflusses eines Fluids in einer Leitung bereit. Das Ventil umfaßt einen Ventilkörper, der einen Durchtritt begrenzt, um es einem Fluid zu gestatten, von einer stromaufwärts gelegenen Position zu einer stromabwärts gelegenen Position zu strömen. Der Ventilkörper besitzt einen konvergierenden Bereich, einen divergierenden Bereich und eine Verengung zwischen dem konvergierenden und dem divergierenden Bereich. Der divergierende Bereich ist mit einem vorbestimmten Diffusorwinkel und einer Länge versehen, die ausreichend ist, um das von dem Fluid, das durch das Ventil strömt, erzeugte Geräusch zu verringern. Vorzugsweise stellt das Ventil gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung einen Fluid-Durchflußregelmechanismus bereit, der an dem Ventilkörper befestigt ist, welcher dahingehend wirkt, das Volumen des durch das Ventil strömenden Fluids zu regeln. Der Mechanismus umfaßt ein Durchflußregelelement, das innerhalb des Ventilkörpers an einer Position stromaufwärts der Verengung angeordnet ist, wobei das Durchflußregelelement einen äußeren Umfang besitzt, der eine Strömungsdüse innerhalb des Durchtrittes bildet. Ein Schaft ist vorgesehen, auf dem das Durchflußregelelement befestigt ist, wobei der Schaft axial durch den Regelmechanismus bewegbar ist. Eine Feder kann auf dem Schaft befestigt sein, um das Fluid-Regelelement in Richtung einer vorbestimmten Position vorzuspannen. Die Feder gestattet es dem Fluid-Regelelement, sich in bezug auf den Schaft in Antwort auf Fluid-Durchflußvariationen so axial zu bewegen, daß ein konstantes Volumen an Fluid durch den Durchtritt des Körpers hindurchtreten kann.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein Regelsystem vorgesehen, das einen Raum mit einer verringerten Geräuschentwicklung belüftet. Das Regelsystem umfaßt eine Abzugsleitung, die dazu angepaßt ist, Luft von dem Belüftungsraum zu entfernen. Ein Abzugsgebläse ist in Flüssigkeitsverbindung mit der Strömungsleitung und zieht Luft durch die Strömungsleitung. Ein Durchflußregelventil ist in der Strömungsleitung angeordnet, um den Durchfluß an Fluid in der Strömungsleitung zu regeln. Das Durchflußregelventil besitzt eine Düse umfassend einen konvergierenden Bereich und einen divergierenden Bereich und eine Verengung dazwischen, worin der divergierende Bereich eine konische Gestalt umfaßt, welche einen Diffusorwinkel von weniger als 20° besitzt und sich über eine ausreichende Länge erstreckt, um die Erzeugung von Geräusch zu verringern, wenn Fluid durch das Ventil strömt. Gemäß einem anderen Gesichtspunkt dieser Ausführungsform kann das Regelsystem eine Zufuhrleitung zum Versorgen des Belüftungsraumes mit Luft umfassen. Ein Ventil kann innerhalb der Zufuhrleitung angeordnet sein, um den Strom an Fluid durch die Zufuhrleitung zu regeln, wobei das Zufuhrregelventil eine Düse mit einem konvergierenden und einem divergierenden Bereich und einer Verengung dazwischen besitzt. Der divergierende Bereich des Zufuhrregelventils besitzt einen Diffusorwinkel von weniger als 20° und erstreckt sich über eine ausreichende Länge, um das durch den Durchfluß von Fluid durch das Ventil erzeugte Geräusch zu verringern.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein ruhigeres Belüftungssystem zur Verwendung in einem Gebäude durch das Verringern der Menge des durch die Luftregeleinrichtungen erzeugten Geräusches vorzusehen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Menge an Geräusch zu verringern, die auf der Zufuhrseite des Belüftungssystems erzeugt wird, indem eine Luftregeleinrichtung vorgesehen wird, die dahingehend modifiziert ist, daß sie weniger Geräusch erzeugt.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Menge an Geräusch zu verringern, die an der Abluftseite eines Belüftungssystemes erzeugt wird, indem eine Luftregeleinrichtung bereitgestellt wird, die dahingehend modifiziert ist, daß sie weniger Geräusch erzeugt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorgehenden und andere Aufgaben der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung mit den folgenden Zeichnungen vollständig verstanden, in denen:

Fig. 1 eine teilweise Schnittansicht eines herkömmlichen Fluidregelventils ist;

Fig. 2 eine axiale Querschnittsansicht einer verdeutlichenden Ausführungsform der Fluidregeleinrichtung der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 3A und 3B perspektivische Ansichten eines Ventilkörpers verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei einem Diffusorwinkel von 7° und einem Diffusorwinkel von 12° sind;

Fig. 4A eine axiale Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellt und einen gekrümmten Diffusor zeigt;

Fig. 4B eine axiale Querschnittsansicht des Ventilkörpers mit einer Unstetigkeit in dem Diffusorbereich darstellt;

Fig. 5 ein Laborventilationssystem darstellt, in das die Erfindung eingebunden sein kann; und

Fig. 6 und 7 Graphiken sind, die einen Vergleich zwischen dem von einem Standardventil und dem Ventil mit einem Diffusor gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten Geräusch zeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Übermäßiges, von Luftregelsystemen erzeugtes Geräusch war lange eine Störung für Menschen, die einen Raum in einem Gebäude mit solch einem System bewohnen. Vorhergehende Versuche, das Problem zu lösen, richteten sich auf das Unterbrechen der Klangübertragung und die Verringerung des erzeugten Klanges durch das Verändern der Betriebsparameter eines Regelventiles. Jeder dieser vergangenen Versuche besaß einen unterschiedlichen Erfolg. Verschiedene Tests, die mit den Ventilen in einem Luftregelsystem durchgeführt wurden, fanden heraus, daß eine Quelle des Klanges die Turbulenz in dem Ventilkörper ist, wenn die Luft in dem divergierenden Bereich der Düse expandiert. Tests zeigten, daß das Geräusch durch Wirbel und Rückströmung erzeugt wurde, die in dem plötzlich divergierenden Bereich der Ventilkörper des Standes der Technik auftreten. Wenn die Wirbel und Stauungen groß sind, wurde ein Niederfrequenzgeräusch erzeugt, das schwierig zu absorbieren oder verringern ist, wenn es einmal erzeugt wurde. Die vorliegende Erfindung löst das Problem, indem das Ventil dahingehend modifiziert wird, daß es einen sich verbreiternden Bereich mit einem ausreichenden Winkel und einer ausreichenden Länge vorsieht, um das durch das Ventil erzeugte Geräusch zu verringern. Der sich verbreiternde Bereich der vorliegenden Erfindung minimiert die Wirbel und die Rückströmung in dem divergierenden Bereich und verringert somit den von dem Luftstrom durch das Ventil erzeugten Klang.

Ohne an eine besondere Fluiddynamiktheorie gebunden sein zu wollen, wird im allgemeinen geglaubt, daß die Turbulenz und die Wirbel an dem divergierenden Bereich der Düse erzeugt werden, weil ein abrupt zunehmender Durchmesser der Düse im Stand der Technik eine Ablösung der Flüssigkeitsströmung von der Innenwand des Ventilkörpers erzeugt. Diese Ablösung erzeugt einen Wirbel oder eine Rückströmung von Fluid, was die glatte Fluidströmung durch die Düse unterbricht und einen Niederfrequenzton erzeugt. In der vorliegenden Erfindung gestattet die glatte sich verbreiternde Profilierung des divergierenden Bereiches, daß das Fluid zur Nennabmessung der Leitung zurückexpandiert. Somit gestattet der nach außen abgeschrägte Durchmesser es der Flüssigkeit, glatter aus dem Ventil herauszuströmen und verringert die Geräuscherzeugung, insbesondere im Niederfrequenzbereich, das ist Geräusch mit 500 Hz oder weniger.

Eine Fluidregeleinrichtung 20 mit einer verringerten Klangerzeugung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt und umfaßt einen Körper 22 mit einem Einlaß 24 und einem Auslaß 26 und einer Leitung 28, wie eine Zufuhr- oder eine Abfuhrleitung in einem Fluidventilationssystem, durch die ein Fluid strömen kann. Das Ventil reguliert die Fluidströmung durch die Leitung in der durch den Pfeil 32 angezeigten Richtung. Das röhrenförmige Element 22 besitzt einen veränderlichen Querschnitt entlang seiner axialen Länge, der eine Düse 34 bildet, die einen konvergierenden Bereich A und einen divergierenden Bereich B besitzt. Eine Verengung 38, die zwischen dem konvergierenden Bereich und dem divergierenden Bereich vorgesehen ist, definiert den schmalsten Bereich des Körpers. Das Ventil kann ebenfalls einen Konus 44 umfassen, der mittig angeordnet und für eine axiale Bewegung innerhalb des Ventilkörpers an einem Ort stromaufwärts der Verengung 38 befestigt ist, und der einen konstanten Volumenstrom von Luft, die durch das Ventil strömt, vorsieht, wenn sich der statische Druck des Fluids in dem Ventil ändert.

Wiederum mit Bezugnahme auf Fig. 2 kann der divergierende Bereich dahingehend angepaßt sein, daß er mit einem Ventil vom Venturityp verwendet wird, das dahingehend gestaltet ist, daß es eine Strömungsregelung vorsieht. Wie dem Fachmann deutlich sein wird, kann jegliches Düsenventil mit einer Länge und einem Aufweitwinkel zum Verringern der Geräuscherzeugung dahingehend modifiziert werden, daß es einen divergierenden Bereich einschließt. Insbesondere kann in der Ausführungsform der Fig. 2 eine konstante Volumenregelung durch die axiale Bewegung des Konus 44 vorgesehen sein. Der Konus ist auf einer Einrichtung befestigt, die einen Schaft 52, eine Feder 54 und einen Betätiger 56 umfaßt, der den Schaft in einer axialen Richtung bewegt, wie durch den Pfeil 57 dargestellt ist. Der Konus 44 ist auf dem Schaft 52 befestigt und besitzt eine sanft zunehmende Profilierung 58 entlang seiner stromaufwärts gelegenen Seite. Der größte Durchmesser des Konus ist nahe dem konvergierenden Bereich B der Düse angeordnet, um eine ringförmige Düse 63 zu erzeugen. Der Konus 44 bewegt sich auf dem Schaft in axialer Richtung, um die Düsenfläche, wie durch Pfeil 62 angezeigt ist, zu vergrößern oder zu verringern. Die Feder 54 spannt den Konus in einer axialen Position gegen einen Federanschlag 55 so vor, daß, wenn Fluid durch das Ventil strömt, eine Druckkraft über das Ventil den Konus zurück und vor bewegt, um einen konstanten Volumenstrom durch das Ventil aufrecht zu erhalten. Somit wird, wenn der Druckverlust über das Ventil zunimmt, der Konus weiter in Richtung der Verengung des Ventils gedrückt, um die Fläche der Düse zu verringern und somit ein konstantes Volumen von Fluid, das durch das Ventil strömt, beizubehalten. In ähnlicher Weise bewegt sich, wenn der Druckverlust abnimmt, der Konus von der Verengung weg und die Düse öffnet sich, um ein konstantes Volumen der Fluidströmung aufrecht zu erhalten. Der Schaft ist durch den Betätiger 56 so axial bewegbar, daß das Strömungsvolumen eingestellt werden kann. Typischerweise machen die Betriebserfordernisse des Luftregelsystems das Wechseln des Volumenstromes wünschenswert. Zum Beispiel wird bei einem Laborluftregelsystem, das im Detail unten diskutiert ist, das Anheben einer schiebbaren Abzugshaube typischerweise eine Schaftanpassung erfordern, so daß mehr Luft durch das Ventil strömen wird, um eine konstante vorderseitige Geschwindigkeit durch die Fensteröffnung vorzusehen.

Mit Bezugnahme auf die Fig. 2, 3A und 3B besitzt der divergierende Bereich B des Ventilkörpers vorzugsweise eine sich nach außen erweiternde Diffusoranordnung. In der dargestellten Ausführungsform beginnt ein konischer Diffusor an der Verengung 38 und erweitert sich bis der Durchmesser der Oberfläche sich zu dem Nennen Durchmesser D des Ventilgehäuses erstreckt. Obwohl eine kegelförmige oder kegelstumpfförmige Anordnung dargestellt ist, wären andere Formen ebenfalls geeignet, wie eine quadratische, rechteckige oder ovale Form, wie dem Fachmann deutlich sein wird.

Ein Winkel α ist durch die Oberfläche des Konus und eine Linie parallel zur Längsachse des Ventilkörpers definiert. Es wurde überraschenderweise herausgefunden, daß der Winkel α dahingehend ausgewählt werden kann, um die Erzeugung von Wirbeln entlang des divergierenden Bereiches des Ventils zu verringern, was vermutlich das Geräusch in dem Ventil erzeugt. Der Fluß an Fluid ist durch Pfeile 64 angezeigt. Der Winkel α kann jeglicher Winkel weniger als etwa 20° sein, für größere Winkel verringert sich der Geräuschreduktionseffekt, weil Wirbel und Verwirbelungen in dem Fluidstrom zunehmen. Tests haben gezeigt, daß der bevorzugte Winkel α zwischen 5 und 12° ist. Unter 5° erscheint es, daß derselbe nützliche geräuschvermindernde Effekt auftritt, jedoch die Länge des Diffusors, die notwendig ist, um sich zum Nenndurchmesser des Ventilkörpers auf zuweiten, kann übermäßig groß sein und in vernünftiger Weise die Kosten des Ventilkörpers erhöhen. Zusätzlich erscheint etwas Druckverlust vorhanden zu sein, der entlang des Diffusors auftritt, wenn der Winkel weniger als 5° ist. Wegen des Druckverlustes und der größeren Länge, die mit dem geringeren Winkel verbunden ist, ist vorzugsweise der Winkel nicht weniger als 5°. Der bevorzugte Winkel α für die Geräuschverringerung ist etwa 7°. Bei diesem Winkel wird das durch das Ventil erzeugte Geräusch auf ein annehmbares Maß verringert und der Druckverlust und die Länge sind innerhalb annehmbarer Parameter. In Abhängigkeit von einer speziellen Anwendung kann sich der Diffusorwinkel um die Längsachse und/oder in axialer Richtung ändern.

Wie durch einen Vergleich zwischen Fig. 3A und 3B vorgeschlagen wird, ist der Diffusor mit einem Winkel α von 12° im wesentlichen bezüglich der axialen Länge verringert im Vergleich zu einem Diffusor, wo α gleich 7° ist. Weil die Gesamtlänge eines Ventils eine Überlegung sein kann, wenn die Charakteristika des Diffusors bestimmt werden, kann der bevorzugte Winkel α für irgendeinen speziellen konischen Diffusor gemäß der vorliegenden Erfindung auf sowohl den axialen Längenerfordernissen des Ventilkörpers und den sich verbreiternden Wirkungen des Ventiles gegründet werden. Natürlich sollten andere Überlegungen wie Druckverlust, etc. berücksichtigt werden, um einen bevorzugten Diffusorwinkel zu bestimmen.

Fig. 4A zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform umfaßt ein Ventilkörper 66 eine geringe Krümmung, die den Diffusorbereich 68 verjüngt. Die geringe Krümmung ist so gewählt, daß die Grenzschichtströmung über dem gesamten Diffusorbereich beibehalten wird. Wie oben angezeigt wurde, verschwindet bei Diffusorwinkeln größer als 20° die geräuschverringernde Wirkung des Diffusors. In dieser Ausführungsform ist ein Winkel β durch die Tangente l von irgendeinem Punkt P entlang des sich divergierenden Bereiches B definiert, der eine Mittelachse 69 des Ventils schneidet. In der bevorzugten Ausführungsform kann der Winkel β bis zu etwa 20° groß sein, um die Geräuschverringerungscharakteristika des divergierenden Bereiches B beizubehalten. Vorzugsweise ist der Winkel β zwischen 7° und 12°. Irgendeiner der Winkel α (in Fig. 2 gezeigt) und β (in Fig. 4A gezeigt) kann verwendet werden, um den Diffusorwinkel des divergierenden Bereiches für irgendein Düsenventil zu beschreiben.

Zusätzlich ist es möglich, daß der Diffusorbereich eine Unstetigkeit in der Oberfläche besitzen kann. Geringe Unstetigkeiten können ein hochfrequentes Geräusch erzeugen, das durch andere Geräuschverringerungseinrichtungen stromabwärts absorbiert werden kann. Wie in Fig. 4B dargestellt ist, kann die kleine Unstetigkeit 67 die Form einer "Stufe", entlang ges divergierenden Bereichs annehmen, an der eine abrupte Änderung in einer durch einen axialen Querschnitt gebildeten Linie vorhanden ist. Diese abrupte Änderung kann den gesamten Umfang des Ventilkörpers an der Diffusorproportion aufweiten. Alternativ kann die plötzliche Änderung an verschiedenen ringförmigen Orten entlang eines seitlichen Querschnittes angeordnet sein. Zusätzlich besitzt der divergierende Bereich B, der durch den Abstand von der Verengung zum Nenndurchmesser entlang der sich aufweitenden Oberfläche definiert werden kann, vorzugsweise eine Neigung zwischen 5 und 20°, um eine Turbulenz entlang des divergierenden Bereiches zu minimieren.

Es sollte ebenfalls deutlich sein, daß der divergierende Bereich sich nicht auf den Nenndurchmesser des Ventiles aufweiten muß, um die positiven Wirkungen der Erfindung zu erreichen. Der sich nach außen erweiternde Bereich kann einen Diffusorwinkel von weniger als 20° über eine Länge B′ besitzen, die ausreichend ist, um das durch das Ventil erzeugte Geräusch zu verringern, insbesondere in dem Niederfrequenzbereich. B′ kann geringer als die gesamte axiale Entfernung des divergierenden Bereiches sein. Es sollte erkannt werden, daß die Unstetigkeiten die Form einer Welle, einer Reihe von Wellen oder Schritten aufweisen können, die sich im divergierenden Bereich erstrecken. Wiederum sollte die Länge des sich nach außen erweiternden Abschnittes so gewählt werden, daß sie ausreichend ist, um die Geräuscherzeugung durch Fluid zu verringern, das durch das Ventil strömt.

Ein typischer Ventilkörper der vorliegenden Erfindung, der bei dem oben beschriebenen Luftregelsystem nützlich ist, kann aus Aluminiumblech hergestellt sein, das gedreht wird, um die gewünschte Form dem Ventilkörpers zu bilden. Das Aluminiumblech kann 0,06 Inch dick sein und wird in einen Ventilkörper durch Rollen des Bleches in einen Zylinder und Verbinden des Saumes unter Verwendung eines geeigneten Verbindungsverfahrens gebildet. Ein typischer Zylinder kann eine Länge besitzen, die etwa 2 Fuß lang ist und kann einen Durchmesser zwischen 6 und 16 Inch aufweisen. Der Zylinder wird dann um einen vorgeformten Dorn (nicht dargestellt) plaziert, der auf die gewünschte Gestalt des Ventilkörpers geformt ist. Der Dorn ist an seinem schmalen Stangenbereich teilbar, so daß er von der Mitte des Ventilkörpers entfernt werden kann, wenn einmal der Ventilkörper gebildet worden ist. Der Dorn und Aluminiumzylinder werden auf einer Drehbank befestigt und gedreht und radialer Druck wird so aufgebracht, daß der Zylinder nach innen in Richtung der Achse entsprechend der Form des Dornes gedrückt wird. Der Ventilkörper wird dann von der Drehmaschine entfernt, der Dorn wird von dem Ventilkörper entfernt und der Ventilkörper ist fertig erstellt.

Fig. 4A zeigt eine schematische Darstellung einer repräsentativen Anwendung des Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Luftregelsystem für ein Labor, das allgemein durch 17 bezeichnet wird. Laboratorien besitzen typischerweise spezielle Ventilationserfordernisse, die komplexer als viele Standardluftregelanwendungen sind. Ein Grund für die erhöhte Komplexität ist eine Abzugshaube 72, die im allgemeinen für einen sicheren Laborbetrieb als notwendig betrachtet wird. Die Abzugshaube muß zu allen Zeitpunkten vorsichtig geregelt werden, um eine konstante mittlere vorderseitige Geschwindigkeit (die Geschwindigkeit von Luft, wenn sie durch die Fensteröffnung hindurchtritt) beibehält, die der OSHA und anderen Industriestandards entspricht. Die Abzugshaube besitzt eine Luftleitung 74, die zu einer Abluftleitung 76 führt, die die Luft von dem System abführt, wie durch einen Pfeil 78 angezeigt ist. Ein Gebläse (nicht gezeigt) wirkt dahingehend, daß es Luft durch die Abluftleitung anzieht. Die konstante mittlere vorderseitige Geschwindigkeit, die an der Fensteröffnung 82 der Abzugshaube gewünscht ist, wird durch einen Fensteröffnungssensor 84 aufrecht erhalten, der die Höhe der Fensteröffnung überwacht. Wenn das Fenster geöffnet wird, erfordert die größere offene Fläche ein größeres Volumen an Luft, um eine angemessene vorderseitige Geschwindigkeit beizubehalten. Demgemäß wird ein Signal an ein Abzugshaubenabluftventil 86 gesandt, das durch einen Regler 88 so eingestellt wird, daß ein größeres Luftvolumen durch das Ventil hindurchströmen kann und somit die Menge an Luft erhöht wird, die durch die Fensteröffnung eingezogen wird.

Mit dem erhöhten Luftvolumen, das durch die Leitung 74 strömt, muß eine Luftzufuhr vorgesehen sein, um das durch die Abluftleitung abgezogene Fluid auszugleichen. Eine Zufuhrleitung 90 liefert Luft in eine Raumzufuhrleitung 92. Ein Gebläse (nicht dargestellt) arbeitet dahingehend, daß es Luft durch die Zufuhrleitung schiebt. Ein Strömungsregelventil 94, das in der Leitung angeordnet ist, regelt das Volumen des Fluids, das in den Raum strömen darf. Wenn das Schiebefenster angehoben wird, sendet die Abzugsventil-Regeleinrichtung 88 ein Signal an den Regler 96, damit das Zufuhrströmungsregelventil für die ausgestoßene Luft "nachliefert". Die Zufuhrluft tritt durch den Rost 96, wie durch Pfeile 100 angezeigt ist, in den Raum ein. Das Zufuhrventil kann auch auf Temperatur und Feuchtigkeitserfordernisse ansprechen, z. B. kann ein Sensor T anzeigen, daß mehr klimatisierte Zufuhrluft benötigt wird.

Typischerweise können die Anzahl von Menschen, die Betriebsausrüstung und Beleuchtung wie auch andere Faktoren dazu führen, daß der Sensor T anzeigt, daß mehr Zufuhrluft gewünscht wird.

Eine allgemeine Abluftleitung 110 ist vorgesehen, um Luft von dem Labor zu entfernen, wenn dies benötigt wird, wie durch Pfeile 112 angezeigt ist. Ein Auslaßventil 114 wird durch einen Regler 116 geregelt, der auf ein Signal antwortet, das von dem Zufuhrregler 96 gesandt wird. Typischerweise wird jedes Zufuhr- und Auslaßventil in einem dynamischen Regelsystem betätigt, so daß sichere und bequeme Bedingungen in dem Raum beibehalten werden. Das Labor kann bei einem negativen Druck gehalten werden, so daß Luft immer in das Labor strömt, selbst wenn eine Tür 120 in einer geöffneten Position (wie gezeigt) ist.

Der Diffusor der vorliegenden Erfindung kann auf jedes der Ventile 86, 94 und 114 mit positiven Ergebnissen angewandt werden. Die Verwendung des Ventils in Regelsystemen eines anderen Typs werden dem Fachmann offensichtlich sein.

Die in den Fig. 6 und 7 dargestellten Graphiken verdeutlichen, daß ein Luftventil unter Einbeziehung der vorliegenden Erfindung wirkungsvoll beim Verringern des Geräusches ist, das durch Luftströmung durch das Ventil erzeugt wird. Tests wurden durchgeführt, welche das Geräusch verglichen, das über dem Frequenzspektrum durch ein Fluid erzeugt wurde, das durch Ventile unterschiedlicher Aufweitwinkel strömte. Alle Tests wurden gemäß dem Air Conditioning and Refrigeration Instituted Standard 880 (1989) durchgeführt. In jeder der Graphiken ist der von dem Standardventil vom Venturityp des Standes der Technik erzeugte Klang durch eine durchgezogene Linie dargestellt und mit J bezeichnet. Ein Diffusor mit einem Diffusorwinkel von 7° wird durch die Linien mit mittelgroßen Strichen dargestellt und ist mit K bezeichnet. Ein Ventil mit einem Diffusorwinkel von 10° ist durch eine Linie von Punkten dargestellt und mit L bezeichnet. Ein Ventil mit einem Diffusorwinkel von 12° ist durch eine Linie von längeren Strichen dargestellt und mit M bezeichnet. Mit besonderer Bezugnahme auf Fig. 6, zeigt diese eine Graphik des Schalldruckmaßes (dB) über der Frequenz (Hz) des Geräusches für ein Ausgleichs(zufuhr)ventil der Größe 12 mit 700 Kubikfuß pro Minute (CFM) von hindurchströmender Luft mit einem 3,0 Inch Wassersäule Druckverlust. Wie klar in der Graphik gezeigt ist, wurde das Geräuschmaß wesentlich verringert, insbesondere im Niederfrequenzbereich. Wie aus der Graphik leicht erkennbar ist, erzeugt bei 125 Hz beispielsweise das Standardventil ein Geräusch von etwa 74 dB. Jeder der getesteten Diffusoren war geringer als 62 dB.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, wurde eine ähnliche Geräuschverringerung unter Verwendung des Diffusors in einem Abluftventil der Größe 10 erzielt. Das Ventil wurde bei 400 CFM bei 1,0 Inch Wassersäule getestet. Wiederum ist der von den Ventilen mit Diffusoren erzeugte Niederfrequenzton geringer als der vom Standardventil erzeugte Ton. Die Differenz zwischen den Ventilen ist bei den Frequenzen im Bereich von etwa 70 bis 500 Hz am ausgeprägtesten.

Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein Ventil vor, das in eine Leitung eines Fluidregelsystems paßt und umfaßt eine Düse, die in der Richtung der Fluidströmung entlang der Leitung konvergiert. Ein Konus ist innerhalb der Leitung so angeordnet, daß ein Ende neben dem konvergierenden Bereich der Düse ist, um eine Düsenöffnung zu erzeugen. Der Konus ist auf einem Schaft befestigt, der entlang der axialen Linie der Leitung angeordnet ist und eine Feder besitzt, die es dem Konus gestattet, sich in axialer Richtung so zu bewegen, daß die Größe der Düsenöffnung erhöht oder verringert werden kann, wenn sich der Konus in Richtung auf und weg von der Düse bewegt. Die Feder kann eingestellt werden, so daß ein konstantes Luftvolumen durch das Ventil bei einer Vielzahl verschiedener Drücke hindurchtreten kann. Typischerweise ist der Schaft selbst einstellbar, so daß das Ventil selbst ausgerichtet werden kann, um verschiedene konstante Volumenströme bereitzustellen. Die Strömungsregeleinrichtung kann manuell geregelt werden. Der divergierende Bereich der Düse besitzt einen Diffusorwinkel von weniger als 20°, so daß das von dem Ventil erzeugte Geräusch verringert wird.

Während gezeigt und beschrieben wurde, was als die repräsentativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angesehen wird, ist es dem Fachmann deutlich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen darin ausgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Zum Beispiel ist, obwohl eine zylinderförmige Leitung offenbart ist, daran gedacht, die Erfindung mit anderen Leitungsformen wie einer rechteckigen Leitung zu verwenden. Der Diffusor der vorliegenden Erfindung kann in jeglichem Düsentyp verwendet werden, ungeachtet der Querschnittsform. Ahnliche fluiddynamische Bedingungen wurden in Rohrleitungssystemen für Flüssigkeiten aufgefunden und es wird für die Fachleute deutlich sein, daß der Diffusorventilkörper der vorliegenden Erfindung sowohl mit Flüssigkeiten als auch mit Gasen verwendet werden kann.

Claims

1. Durchflußregeleinrichtung für eine verringerte Geräuscherzeugung, die den Fluß eines Fluids durch eine Leitung regelt, umfassend:

- einen Körper mit einer Achse, der einen Durchtritt begrenzt, der es gestattet, daß ein Fluid von einer stromaufwärts gelegenen Position zu einer stromabwärts gelegenen Position strömt, wobei der Ventilkörper einen konvergierenden Bereiche, einen divergierenden Bereich und eine Verengung zwischen dem konvergierenden und dem divergierenden Bereich aufweist, wobei der divergierende Bereich des Durchtrittes einen vorbestimmten Diffusorwinkel und eine Länge aufweist, die ausreichend ist, um das durch die Strömung von Fluiden durch die Fluid-Regeleinrichtung erzeugte Geräusch zu verringern; und
- einen Durchflußregulator, der innerhalb des Körpers gehalten ist, um den Durchfluß an Fluid durch die Leitung zu regeln.

2. Durchflußregelungseinrichtung gemäß Anspruch 1, worin der Diffusorwinkel weniger als etwa 12° ist.

3. Durchflußregelungseinrichtung gemäß Anspruch 1, worin der Diffusorwinkel weniger als etwa 20° ist.

4. Durchflußregelungseinrichtung gemäß Anspruch 3, worin der Diffusorwinkel zwischen 7° und 12° ist.

5. Durchflußregelungseinrichtung gemäß Anspruch 1, worin der Körper eine konische Form entlang des divergierenden Bereiches besitzt.

6. Durchflußregelungseinrichtung gemäß Anspruch 1, worin der Übergang zwischen dem konvergierenden Bereich und dem divergierenden Bereich kontinuierlich ist.

7. Durchflußregelungseinrichtung gemäß Anspruch 1, worin die Strömungsleitung einen Nenndurchmesser besitzt und ein Übergang zwischen dem divergierenden Bereich und dem Nenndurchmesser kontinuierlich ist.

8. Durchflußregeleinrichtung mit einer verringerten Geräuscherzeugung, welche den Durchfluß eines Fluids durch eine Strömungsleitung regelt, umfassend:

- einen Ventilkörper mit einer Achse, der einen Durchtritt definiert, der es einem Fluid gestattet, von einer stromaufwärts gelegenen Position zu einer stromabwärts gelegenen Position zu strömen, wobei der Ventilkörper einen konvergierenden Bereich, einen divergierenden Bereich und eine Verengung zwischen dem konvergierenden und dem divergierenden Bereich besitzt, wobei der divergierende Bereich einen vorbestimmten Diffusorwinkel über eine ausreichende Länge aufweist, um das durch den Durchfluß von Fluid durch das Ventil erzeugte Geräusch zu verringern, und
- einen Fluid-Durchflußregelungsmechanismus, der an dem Ventilkörper befestigt ist, der dahingehend wirkt , daß er das Volumen an Fluid regelt, das durch das Ventil strömt, wobei der Mechanismus umfaßt:
- ein Durchflußregelelement, das innerhalb des Ventilkörpers an einer Position stromaufwärts der Verengung angeordnet ist, wobei das Durchflußregelelement einen äußeren Rand besitzt, der eine Strömungsdüse innerhalb des Durchtrittes bildet, und
- einen Schaft, auf den das Durchflußregelelement befestigt ist, wobei der Schaft durch den Regelmechanismus axial bewegbar ist.

9. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 8, weiter umfassend eine Feder, die auf dem Schaft befestigt ist, welche das Durchflußregelelement in eine vorbestimmte Position vorspannt, wobei es die Feder dem Durchflußregelelement gestattet, sich axial in bezug auf den Schaft in Antwort auf die Fluid-Durchflußänderungen durch den Durchtritt so axial zu bewegen, daß ein konstantes Volumen an Fluid durch den Durchtritt des Ventilkörpers hindurchtreten kann.

10. Durchflußregeleinrichtung gemäß Anspruch 8, worin der Diffusorwinkel weniger als etwa 12° ist.

11. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 8, worin der Diffusorwinkel weniger als etwa 20° ist.

12. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 11, worin der Diffusorwinkel zwischen 7° und 12° ist.

13. Durchflußregeleinrichtung gemäß Anspruch 8, worin der divergierende Bereich eine konische Oberflächengestalt besitzt.

14. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 8, worin ein Übergang zwischen dem konvergierenden Bereich und dem divergierenden Bereich kontinuierlich ist.

15. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 8, worin die Strömungsleitung einen Nenndurchmesser besitzt und ein Übergang zwischen dem divergierenden Bereich und dem Nenndurchmesser kontinuierlich ist.

16. Regelsystem zum Belüften eines Raumes mit einer verringerten Geräuscherzeugung, wobei das Regelsystem umfaßt:

- eine Strömungsleitung, die mit dem Raum verbunden ist und dazu angepaßt ist, Luft zu transportieren;
- ein Gebläse, das in Fluidverbindung mit der Strömungsleitung steht, welche Luft durch die Strömungsleitung zwangsbewegt;
- eine Durchflußregeleinrichtung, die in der Strömungsleitung angeordnet ist, um den Durchfluß von Fluid in der Strömungsleitung zu regeln; wobei die Durchflußregeleinrichtung eine Achse besitzt und einen Durchtritt begrenzt, der es Fluid gestattet, durch die Strömungsleitung zu strömen und umfassend einen konvergierenden Bereich, einen divergierenden Bereich und eine Verengung dazwischen; wobei der divergierende Bereich einen vorbestimmten Diffusorwinkel über eine ausreichende Länge besitzt, um die Erzeugung von Geräusch zu verringern, wenn Fluid durch das Ventil strömt.

17. Regelsystem gemäß Anspruch 16, worin der divergierende Bereich der Durchflußregeleinrichtung einen Diffusorwinkel zwischen 5° und 12° besitzt.

18. Regelsystem gemäß Anspruch 16, worin die Strömungsleitung eine Auslaßleitung ist, das Gebläse ein Abzugsgebläse ist, das Luft durch die Strömungsleitung zieht.

19. Regelsystem nach Anspruch 18, weiter umfassend:

- eine Zufuhrleitung zum Versorgen des Raumes mit Luft;
- eine Durchflußregeleinrichtung, die in der Zufuhrleitung angeordnet ist, um den Durchfluß durch die Zufuhrleitung zu regeln, wobei das Zufuhrregelventil eine Düse mit einem konvergierenden und einem divergierenden Bereich und einer Verengung dazwischen besitzt;
- wobei der divergierende Bereich einen Diffusorwinkel von weniger als 20° besitzt.

20. Regelsystem gemäß Anspruch 19, worin der divergierende Bereich einen Diffusorwinkel zwischen 5° und 20° besitzt.