DE19647424C2

DE19647424C2 - Fluidregeleinrichtung mit verringerter Geräuscherzeugung

Info

Publication number: DE19647424C2
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: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2016-11-16
Also published as: HK1015866A1; SE9604188L; CA2237852A1; DE19647424A1; EP0861404A1; SE9604188D0; EP0861404B1; ES2163660T3; US20020162589A1; DK0861404T3; WO1997018419A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für Fluide 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 Ausgangswert 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.

Steuerungseinrichtungen wie das oben beschriebene Ventil, die einen konstanten Volumenstrom über einen Bereich von Drücken vorsehen, sind über viele Jahre hinweg durch verschiedene Hersteller in Heizungs- und Klimasystemen bereitgestellt worden. 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 (Rauschen) charakterisiert. Dieses Geräusch (Rauschen) 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 aufgrund seiner hohen Materialkosten weniger häufig verwendet. Einer der Nachteile der Auskleidung der Leitung ist es, daß, sehr große Längen der Leitungen ausgekleidet werden müssen um ein sinnvolles Maß an Verringerung von Niederfrequenzklang zu erreichen. Dies erhöht die Kosten eines Lufzufuhrsystems und ist oft nicht einfach 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 Konstruktionsanforderungen bei Lüftungen zur Bedingung, daß Auskleidungen für Leitungen wegen der oben genannten Probleme nicht verwendet werden sollten. Eine auf diesem Prinzip beruhende Vorrichtung ist z. B. auch der GB 996,030 bekannt.

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 Richtlinien für den Betrieb wurden leisere Luftregelsysteme mit verringerten Betriebsparametern gestaltet, so daß die maximale Geschwindigkeit durch eine gegebene Regeleinrichtung in der Größenordnung von ca. 5 m/s (1000 Fuß pro Minute-FPM) anstelle der ca. 10 bis 12,5 m/s (2000 bis 2500 FPM) wie bei herkömmlichen Systemen ist. Zusätzlich wurde der maximale Druckverlust über die Regeleinrichtung auf weniger als ca. 187 Pa (0,75 Zoll H₂O) anstelle der herkömmlichen ca. 375 bis 500 Pa (1,50 bis 2,00 Zoll H₂O) verringert. Während das mit einem System mit diesen Parametern zusammenhängende Geräusch verringert wird, führt dies notwendigerweise zu größeren Rohrleitungsgrößen, zusätzlichen Steuerungseinrichtungen, größeren Abgleicherfordernissen 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

Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, über einfach zu verwirklichende bauliche Maßnahmen durch das Verringern des durch die Luftregeleinrichtungen erzeugten Geräusches ein ruhigeres Belüftungssystem zur Verwendung in einem Gebäude vorzusehen.

Diese Aufgabe wird vorteilhaft durch eine Durchflußregeleinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Raumlüftungsregelsystem mit den Merkmalen vom Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung umfaßt ein Durchflußregelelement, das an einer Position stromaufwärts der Verengung angeordnet ist und mit seinem äußeren Umfang eine Strömungsdüse innerhalb des Durchtrittes bildet.

Aus der EP 0 064 048 A1 ist ein Regelventil für Flüssigkeiten bekannt; in dieser Druckschrift ist das Problem der Geräuscherzeugung jedoch nicht angesprochen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorgehenden und andere Aufgaben der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung mit den folgenden Zeichnungen vollständig hervorgehen, 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, stellten 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 Theorie der Strömungsmechanik 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 Fluidströmung 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 dem Fluid, glatter aus dem Ventil herauszuströmen und verringert die Geräuscherzeugung, insbesondere im Niederfrequenzbereich, das heißt bei einem 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, z. B. einer Zufuhr- oder einer 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 vorsieht, die durch das Ventil strömt, 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 Venturiventil 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 beizubehalten, das durch das Ventil strömt. 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 Ändern 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 Nenndurchmesser 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° liegt. Unter 5° erscheint es, daß derselbe nützliche geräuschvermindernde Effekt auftritt, jedoch die Länge des Diffusors, die notwendig ist, um sich zum Nenndurchmesser des Ventilkörpers aufzuweiten, 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° bezüglich der axialen Länge wesentlich im Vergleich zu einem Diffusor, wo α gleich 7° ist verringert. 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 beträgt 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 des 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 des Ventilkörpers zu bilden. Das Aluminiumblech kann ca. 1,5 mm (0,06 Zoll) 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 ca. 60 cm (2 Fuß) lang ist und kann einen Durchmesser zwischen ca. 15 und 40 cm (6 und 16 Zoll) 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. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer repräsentativen Anwendung des Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Luftregelsystem für ein Labor, das allgemein durch 70 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 98, 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 Standardventril 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 (dE) über der Frequenz (Hz) des Geräusches für ein Ausgleichs(zufuhr)ventil der Größe 12 mit 0,33 m³/s (700 ft³/min) von hindurchströmender Luft mit einem 747,3 Pa (3,0 Zoll H₂O) 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 dE.

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 0,19 m³/s (400 ft³/min) bei 249,1 Pa (1,0 Zoll H₂O) 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 eine Düse umfaßt, 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 durch die beigefügten Ansprüche bestimmt 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. Ähnliche 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 (20) zum Regeln der Strömung eines Fluids durch eine Leitung (28) mit verringerter Geräuscherzeugung, umfassend:
einen Ventilkörper (22) mit einer Längsachse und ein innerhalb des Ventilkörpers (22) gehaltenes Durchflußregelelement (44) zum Regeln des Fluiddurchflusses durch die Leitung (28);
der Ventilkörper (22) begrenzt in Zusammenwirken mit dem Durchflußregelelement (44) einen Durchtritt (63) für das von einer stromaufwärts gelegenen Position (24) zu einer stromabwärts gelegenen Position (26) strömende Fluid;
der Ventilkörper (22) umfaßt einen konvergierenden Bereich (A), einen divergierenden Bereich (B) und zwischen dem konvergierenden und dem divergierenden Bereich eine Verengung (38);
der divergierende Bereich (B) weist über eine Länge, die zum Verringern der bei Strömen des Fluids durch das Regelsystem auftretenden Geräuscherzeugung ausreichend ist, einen vorbestimmten Diffusorwinkel (α, β) auf, der weniger als etwa 20° beträgt; und
das Durchflußregelelement (44) weist an seiner stromabwärtigen Seite eine Verjüngung mit einem Verjüngungswinkel auf, dessen Betrag größer ist als der Betrag des vorbestimmten Diffusorwinkels (α, β) des divergierenden Bereichs (B) der Durchflußregeleinrichtung (20).

2. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Diffusorwinkel (α, β) weniger als etwa 12° beträgt.

3. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Diffusorwinkel (α, β) zwischen etwa 7° und etwa 12° beträgt.

4. Durchflußregeleinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (22) entlang des divergierenden Bereiches (B) eine konische Form besitzt.

5. Durchflußregeleinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen dem konvergierenden Bereich (A) und dem divergierenden Bereich (B) stetig ist.

6. Durchflußregeleinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitung (28) einen Nenndurchmesser (D) besitzt, und der Übergang zwischen dem divergierenden Bereich (B) und dem Nenndurchmesser (D) stetig ist.

7. Durchflußregeleinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Schaft (52) aufweist, auf dem das Durchflußregelelement (44) befestigt ist, wobei der Schaft (52) axial bewegbar ist.

8. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 7, weiterhin mit einer Feder (54), die auf dem Schaft (52) befestigt ist und das Durchflußregelelement (44) in eine vorbestimmte Position vorspannt, wobei die Feder (54) es dem Durchflußregelelement (44) gestattet, sich auf Fluid- Durchflußänderungen im Durchtritt (63) ansprechend relativ zum Schaft (52) derart axial zu bewegen, daß durch den Durchtritt (63) des Ventilkörpers (22) ein konstantes Fluidvolumen tritt.

9. Durchflußregeleinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Luft ist.

10. Raumlüftungsregelsystem mit verringerter Geräuscherzeugung, umfassend:
eine mit dem zu lüftenden Raum (Fig. 5: 70) verbundene Strömungsleitung (28; Fig. 5: 76, 90) zum Leiten von Luft; ein mit der Strömungsleitung in Fluidverbindung stehendes Gebläse, das die Luft durch die Strömungsleitung zwangsfördert; eine in der Strömungsleitung angeordnete Durchflußregeleinrichtung (20; Fig. 5: 86, 94, 114) zum Regeln des Fluiddurchflusses in der Strömungsleitung, die ein bewegbares Durchflußregelelement (44) aufweist;
die Durchflußregeleinrichtung (20) weist eine Achse auf und begrenzt in Zusammenwirken mit dem Durchflußregelelement (44) einen Durchtritt (63) für die Luft;
die Durchflußregeleinrichtung (20) umfaßt einen konvergierenden Bereich (A), einen divergierenden Bereich (B) und zwischen dem konvergierenden und dem divergierenden Bereich eine Verengung (38);
der divergierende Bereich (B) weist über eine Länge, die zum Verringern der bei Strömen der Luft durch das Regelsystem auftretenden Geräuscherzeugung ausreichend ist, einen vorbestimmten Diffusorwinkel (α, β) auf, der weniger als etwa 20° beträgt;
das Durchflußregelelement (44) ist mit seinem größten Durchmesser in dem konvergierenden Bereich (A) der Durchflußregeleinrichtung (20) positionierbar.

11. Raumlüftungsregelsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Diffusorwinkel (α, β) weniger als etwa 12° beträgt.

12. Raumlüftungsregelsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Diffusorwinkel (α, β) zwischen etwa 5° und etwa 12° beträgt.

13. Raumlüftungsregelsystem nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußregeleinrichtung (20) entlang des divergierenden Bereiches (B) eine konische Form besitzt.

14. Raumlüftungsregelsystem nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen dem konvergierenden Bereich (A) und dem divergierenden Bereich (B) stetig ist.

15. Raumlüftungsregelsystem nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitung (28) einen Nenndurchmesser (D) besitzt, und der Übergang zwischen dem divergierenden Bereich (B) und dem Nenndurchmesser (D) stetig ist.

16. Raumlüftungsregelsystem nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußregeleinrichtung (20) einen Schaft (52) aufweist, auf dem das Durchflußregelelement (44) befestigt ist, wobei der Schaft (52) axial bewegbar ist.

17. Raumlüftungsregelsystem nach Anspruch 16, weiterhin mit einer Feder (54), die auf dem Schaft (52) befestigt ist und das Durchflußregelelement (44) in eine vorbestimmte Position vorspannt, wobei die Feder (54) es dem Durchflußregelelement (44) gestattet, sich auf Fluid- Durchflußänderungen im Durchtritt (63) ansprechend relativ zum Schaft (52) derart axial zu bewegen, daß durch den Durchtritt (63) der Durchflußregeleinrichtung (20) ein konstantes Fluidvolumen tritt.

18. Raumlüftungsregelsystem nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitung (28) eine Auslaßleitung (76) und das Gebläse ein Abzugsgebläse ist, das die Luft durch die Auslaßleitung (76) zieht.

19. Raumlüftungsregelsystem nach Anspruch 18, weiterhin eine Zufuhrleitung (90) zum Versorgen des Raumes mit Luft und eine Durchflußregeleinrichtung (94) umfassend, die in der Zufuhrleitung (90) angeordnet ist, um den Durchfluß durch die Zufuhrleitung (90) zu regeln; die Durchflußregeleinrichtung (94) weist eine Düse (22) mit einem konvergierenden (A) und einem divergierenden Bereich (B) und dazwischen einer Verengung (38) auf, und der divergierende Bereich (B) besitzt einen Diffusorwinkel von weniger als etwa 20°.