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Thermostatisch gesteuertes R6gelventil Die Erfindung betrifft ein
thermostatisch gesteuertes Reg elventil mit druckentlastetem Ventilkegel.
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Es sind thermostatisch gesteuerte R«gelventile bekannt, deren Ventilkegel
durch eine zweckentsprechende Betätigungsvorrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur
eines R"ießfühlers bewegt wird und damit die das Ventil durchsetzende Strömungsmenge
temperaturabhängig regelt. Im einzelnen wird dabei so verfahren, daß das im Meßfühler
befindliche Volumen einer Ausdehnung sf1 üssigkei t über eine Kapillarleitung und
einen Stellkolben eine Kraft gegen die Wirkung einer Rückstellfeder auf die Spindel
des Ventilkegels überträgt. Diese Rückstellfeder dient dabei lediglich zur Rückstellung
des Stellkolbens; sie beeinflußt den Ventilkegel bzw. dessen Spindel nicht.
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Um innerhalb des kombinierten Systems Meßfiibler- Stellglied mit verhältnismäßig
niedrigen Drücken arbeiten zu können, ist es gebräuchlich, am Ventil eine sogenannte
Druckentlastung vorzusehen. Zu diesem Zweck wird dafür gesorgt, daß der Ventilkegel,
der in öffnungsrichtung vom Druck des zu regelnden Mediums beaufschlagt wird, in
Schließrichtung ebenfalls diesem Druck ausgesetzt ist.
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Die in Schließrichtung wirksame Fläche wird dabei etwas kleiner als
die Kegeifläche in Offnungsrichtung gewählt, um zu gewährleisten, daß der Ventilkegel
stets eine (kleine) Kraft in Offnurgßrichtung erfährt. Das ist erforderlich, weil
der Ventilkegel vom Stellkolben nur in Schließrichtung bewegt werden kann, so daß
eine Rückstellkraft durch die Kräftebilanz am Ventilkegel hergestellt werden muß.
Es ist das allgemeine Bestreben, die Rückstellkraft so gering wie möglich zu bemessen,
um den Schwierigkeiten höherer Drücke im Meßsystem zu begegnen.
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Bei allen derartigen Ventilen sind die KräfteverhÄltnisse am Ventilkegel
relativ verwickelt, weil zu den statischen Drücken während der Öffmings bzw. Sohließbewegung
noch Strömungsdrücke treten deren Größe und
Richtung weitgehend
von den geometrischen Gegebenheiten abhängen. Ein allgemeiner Mangel ist jedoch
darin zu suchen, daß aus dynamischen Gründen zu Beginn der Öff nungs- bzw. am Sunde
der Schließbewegung zwischen Ventilsitz und -kegel eine Druckverminderung wegen
der erhöhten strömungsgeschwindigkeit eintritt. Damit wird aber die Rückstellkraft
aufgehoben, weil es nicht ohne weiteres möglich ist-, den Druckausgleich für die
Rückseite des Ventilkegels genau an der Stelle einzuführen, an der Än derungen in
der Strömungsgeschwindigkeit wahrgenommen werden. Es ist auch beobachtet worden,
daß die Rückstellkraft nicht nur aufgehoben wird, daß vielmehr sogar eine Kraft
in Sohließrichtung auftreten kann. Die unsicheren Kräfteverhältnisse führen bei
den bekannten Regelventilen dazu, daß der Ventilkegel, wenn er sich in der Nahe
des Ventilsitzes befindet, Schwingungen ausführt, die zur alsbaldigen Zerstörung
des gesamten Systems führen. Diese Erscheinung ist allgemein als hydrodynsmisches
Paradoxon bekannt; sie tritt bei Ventilen ohne Druckentlastung nicht auf oder wird
von anderen Kräften überlagert.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein thermostatisch gesteuertes
Regelventil mit druckentlastetem Ventilkegel so auszuführen, daß einerseits der
Ventilkegel im gesamten Stellbereich druckentlastet ist, daß aber andererseits die
Offnungskraft in jedem Balle größer als die Schließkraft ist.
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Erfindwsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein bei geschlossenem
Ventil in geringem Abstand vom Ventilsitz befindlichen Staurand am Ventilkegel vorgesehen
ist, der mit Ausnehmungen derart versehen ist, daß in unmittelbarer Nähe des Ventilsitzes
kein wirksamer Strömungsdruck auf ihn ausgeÜbt wird.
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Es ist zwar bei anderen als den hier beschriebenen Ventilen bekannt,
am Ventilkegel einen Staurand vorzusehen, so daß bei geö+0netem Ventil die Offnungskraft
erheblich vergrößert wird0 Rdn derartiger Staurand ist aber bei druckentlasteten
Ventilen nicht anwendbar, weil sonst eine unzulässige khöhung des Druckes im Meßfühlersystem
aufträte.
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Im Gegensatz dazu wird durch den erfindungsgemäßen Vorschlag erreicht,
daß beim Öffnungsvorgang zunächst in unmittelbarer Nahe des Ventilsitzes die Üffnungskraft
nicht zunimmt, weil die Stromstärke des auszuregelnden Mediums noch gering ist und
dieses zudem infolge der Ausnehmungen des Staurandes ungehindert abfließen kann.
Bei zunehmender öffnung wird schließlich der Staurand wirksam und verhindert eine
Verminderung oder Umkehrung der Rückstellkraft. Schließlich wird bei weiterer Zunahme
der Ventilöffnung die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Ventilsitzes wieder
geringer, so daß bei ständig zunehmender Stromstärke die Wirkung des Staurandes
vernachlässigbar wird. Beim Schließvorgang läuft der Prozeß in ur ekehrter Reihenfolge
analog ab. Eine derartige differenzierte Steuerung der Kräfte am Ventilkegel kann
mit den bekannten Staurändern nicht erzielt werden. Ihre Verwirklichung hängt über
die Erfindung hinaus in starkem Maße von der geometrischen Gestaltung der Ansnehmungen
und des Staurandes selbst ab; es hat sich aber gezeigt, daß bei richtiger Anordnung
und Bemessung durch diese überraschend einfache Lösung sowohl Schwingungen des Ventilkegeis
als auch unsulässige Drucksteigerungen im Meßsystem mit Sicherheit vermieden werden
können, so daß darüberhinaus die gewunschte lineare Proportinalität zwischen Temperaturänderung
am Keßfuhler und dem Hub des Stellgliedes gewahrt wird.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung wird an Hand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Regelventil,
Fig. 2 und 3 je ein Beispiel für die konstruktive Gestaltung des Staurandes in Draufsicht,
Fig. 4 bis 6 die einzelnen Phasen der erfindung gemäßen Wirkung beim Öffnen des
Ventils.
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Das thermostatisch gesteuerte Ventil besteht zunächst aus einem Eingangsstutzen
1 und einem Ausgangsatutzen 2, zwischen denen sich ein Ventilsitz 3 befindet. In
der Achse des Ventilsitzes 3 dient ein Gehäuseteil 4 zur lagerung einer Spindel
5 eines Ventilkegels 6 und zur
Aufnahme einer Druckentlastungsvorrichtung
(7; 8; 9).
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Im einzelnen wird der Druck des zu regelnden Mediums aus dem Eingangsstutzen
1 uer eine Bohrung 7 der Spindel 5 in einen Raum 8 übertragen, der z.B. durch eine
Manschette 9 gegen das zu regelnde Medium abgedichtet ist.
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Die Spindel 5 wird in Schließrichtung durch einen thermostatisch gesteuerten
Stellkolben 10 betätigt. Der Ventilkegel 6 ist mit einer Fang 11 versehen, die im
Ventilsitz 3 gleitet. Am Ventilkegel 6 befindet sich weiterhin ein Staurand 12,
dessen Wirkung durch eine Ringnut 13 gesteigert werden kann. Der Staurand 12 soll
sich bei geschlossenem Ventil nahe dem Ventilsitz 3 befinden.
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Schließlich ist der Staurand 12 noch mit Ausnehmungen 14 ausgestattet.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Ventilkegel 6 entsprechend Fig. 1; bei diesem
Beispiel sind die Ausnehmungen 14 als zylindrische Bohrungen ausgeführt.
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Eine geringfugig veränderte Anordnung ist in Fig. 3 getroffen; hier
ist der Staurand 12 eine ebene Fläche, deren Ausnehmungen 14 durch Kreisring-Segmente
gebildet werden.
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In Fig. 4 bis 6 ist die Wirkungsweise des erfindungsge maßen Ventilkegels
gezeigt. Das in Fig. 4 noch geschlossene Ventil ist in Fig. 5 geringfügig geöffnet.
Es ist zu erkennen, daß infolge der geringen Stromstärke und der relativ großen
Ausnehmungen 14 eine nur geringe Turbulenz entsteht und wirksame Staudrücke auf
den Staurand 12 nicht ausgeübt werden. Bei größerer Öffnung gemäß Fig. 6 dagegen
überwiegt die Wirkung des Staurandes 12 diejenige der Ausnehmungen 14, der Ventilkegel
6 erfährt eine zusätzliche Kraft in Offnungsrichtung. Damit ist es offenbar möglich,
die durch die Innenfläche des Ventilsitzes 3 und die freie Stirnfläche der Manschette
9 bestimmte Rückstellkraft stets positiv zu halten, auch wenn infolge der Dusenwirkung
an der Stelle 15 eine Druckminderung des zu regelnden Mediums eintritt
Die
Erfindung ist auf das dargestellte Ausführungsbeispiel nicht beschränkt; insbesondere
kann die geometrische Gestaltung des Staurandes und der Ausnehmungen in großem Umfang
variiert werden, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassens Weiterhin kann die
Erfindung mit Erfolg auch bei anderen, z.B. pressostatisch geregelten Ventilen eingesetzt
werden, soweit sie mit einer Druckentlastung ausgerüstet sind.