DE2544299B2

DE2544299B2 - Elektrisch betätigbares Schaltventil für strömende Fluide

Info

Publication number: DE2544299B2
Application number: DE2544299A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Limmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-10-03
Filing date: 1975-10-03
Publication date: 1979-06-13
Also published as: DE2544299C3; DE2544299A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch betätigbares Schaltventil für strömende Fluide gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte elektrisch betätigbare Schaltventil für strömende Ruide beruhen auf dem Prinzip, im Sperrfall den Strömungskanal durch einen Strömungswiderstand weitgehend abzuschließen. Als Kenngrößen eines solchen Ventils treten dabei einerseits die Durchflußmenge bei geöffnetem Ventil bzw. die Leckrate bei geschlossenem Ventil und andererseits die Betätigungsenergie und Schaltzeit des elektrischen Antriebes sowie die erreichbare Schaltfrequenz des Ventils auf. Solche Ventile sind beispielsweise aus der DE-AS 1083 611, DE-AS 19 11405, DE-OS 19 11625 sowie DE-OS 23 42 102 bekannt. Bei diesen vorbekannten Ventilen wird insbesondere durch strömungsgünstige Ausbildung der Ventilklappen und Anordnung im Strömungskanal das Ein-/Ausschalt-Verhalten optimiert.

Insbesondere in der Biotechnik, bei der biologische Vorgänge simuliert werden, treten nun auch häufig solche Probleme auf, bei denen relativ große Durchflußmengen mit kleinsten Schaltzeiten und möglichst kleiner Betätigungsenergie gesteuert werden sollen. Beispielsweise sind für den Antrieb von Blutpumpen gepulste Ströme mit Frequenzen von mehr als 100/min notwendig, wobei die Leistungsaufnahme des Ventilantriebs so gering wie möglich gehalten werden muß. Weniger wichtig ist bei einem derartigen Anwendungszweck eine völlige Dichtigkeit der dabei zu verwendenden Ventile. Aus der DE-OS 23 52 121 ist weiterhin ein Ventil zur Schaltung großer Durchflußmengen bei äußerst geringen Strömungsverlusten bekannt, bei dem im Gehäuseinnenraum der Ventilläufer um eine Zylinderachse drehbar eingelagert r<id der elektromagnetische Antrieb ein Drehantrieb ist, wobei der Drehantrieb in dichtungsfreier Vei bindung mit dem Ventilläufer in den Innenraum des Ventilgehäuses eingebaut ist Dabei werden die Lager von Ventilläufer und Drehantrieb durch das zu schaltende Medium geschmiert, bzw. gegebenenfalls der elektrische Teil des Drehantriebs durch das Medium gekühlt Allerdings hat sich gezeigt, daß erhöhte druckabhängige Reibungskräfte in axialer und radialer Richtung auf den Ventilläufer wirken, was eine relativ hohe Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebes bewirkt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch betätigbares Schaltventil zur Steuerung von Fluiden anzugeben, mit dem insbesondere große Durchflußmengen mit geringen Strömungsverlusten zu gepulsten Strömen geschaltet werden können. Dabei soll die Betiitigungsenergie so weit verringert werden, daß ein solches Ventil für Zwecke der Biotechnik verwendet, z. B. in einen Patientenkörper implantiert, werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebenen Merkmale gelöst. Im Rahmen der Erfindung ist es günstig, die Ventilteller in ihrem Querschnitt nach strömungsmechanischen Gesetzen, vorzugsweise diskusförmig, auszubilden, so daß bei jeweils geöffneter Vcntilklappe der Strömungswiderstand minimiert ist. Dabei kann die Drehachse durch die Symmetrieebene

des Ventiltellers oder auch durch eine dazu parallele Ebene verlaufen. Speziell bei ellipsenförmiger Grundfläche des Ventiltellers kann die Drehachse des Ventiltellers durch die kleine Halbachse der Ellipsenfläche verlaufen.

Mit der Erfindung kann insbesondere eine programmierbare Steuerung von strömenden Fluiden realisiert werden, bei der wegen der Kopplung der Ventilteller mit geringstem Energieaufwand eine pulsierende Strömung erzeugt wird. ι ο

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Figur dargestellten Ausfflhningsbeispiels näher erläutert.

In der Figur ist mit 6 das Ventilgehäuse bezeichnet, das aus zwei zusammensetzbaren Teilen 6a und 6b is besteht. Das Gehäuse 6 weist den Strömungskanal 7 auf, der sich in die Kanäle 8 und 9 verzweigt Diese haben einen kreisförmigen Querschnitt In diesen befinden sich auf der Welle 10 gelagert zwei Ventilteller 11 und 12 mit ellipsenförmigen Grundflächen, die um die durch die kleinen Halbachsen ihrer ellipsenförmigen Grundflächen verlaufende Achse 1Ϊ drehbar sind. Die Ventilteller 11 und 12 sind um einen Winke! α gegeneinander verdreht (erkennbar an den unterschiedlichen Projektionen der ellipsenförmigen Ventilteller), wobei bei einer Verschlußstellung des Kanals 8 der Kanal 9 geöffnet ist und umgekehrt Die Welle 10 ist in Kugellagern 13 gelagert, so daß eine möglichst reibungsfreie Drehung der Ventilteller U und 12 um die Drehachse II ermöglicht wird. Am Ende der Welle 10 ist das Antriebsaggregat 14 angeordnet

Die Querschnitte der Ventilteller 11 und 12 sind aus strömungstechnischen Gründen zweckmäßigerweise diskusförmig ausgebildet Das Ventilgehäuse 6 kann am Umfang der Strömungskanäle 8 und 9 jeweils Einbuchtungen aufweisen, die als Anschlag der Ventilteller U und 12 im geschlossenen Zustand des Ventils dienen und weitere Dichtmittel umfassen.

Durch eine ellipsenförmige Ausbildung der Ventilteller wird der Verschlußwinkel der Ventilteller allein durch das Verhältnis der Halbachsen der Ellipsengrundflächen bestimmt. Je größer die große Halbachse gewählt wird, desto geringer werden der maximale Schaltwinkel und desto günstiger die Schaltzeit und die erreichbare Schaltfrequenz des Ventils. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist es möglich, die an sich entgegenwirkenden Einflußfaktoren, wie Schaltfrequenz und Durchflußmenge, für den jeweiligen Anwendungszweck zu optimieren. Experimente mit erfindungsgemäßen Ventilen haben ergeben, daß durch die asymmetrische Ausbildung d« Strömungsprofils über den Querschnitt der Ventilteller schon kleine Auslenkungen genügen können, die Ventilteller m eine Verschlußstellung zu bringen. Dadurch können schon Drehmagnete mit äußerst geringer Leistungsaufnahme als Antrieb verwendet werden, wobei die Rückstellung der Ventilteller über eine Feder erfolgt Bei Versuchen konnten Strömungsmengen von 15 l/min (bei 400 mm Hg) mit einer Frequenz von 125/min bei einer Leistungsaufnahme von 1,5 W geschaltet werden-

Durch Anordnung der Dichtungsmittel auf dem Umfang der Ventilteller kann die Leckrate verringert werden, so daß gegebenenfalls auch eine gute Dichtigkeit erreicht wird. Durch Kombination mehrerer Ventilteller auf einer Drehachse mit verschiedenen Öffnungswinkeln wird eine programmierbare Steuerung von strömenden Fluiden realisiert Dabei kommen als Antriebsaggregate neben den schon genannten Drehmagneten auch Schrittmotoren oder Spaltrohrmotoren in Frage. Diese sind mit Rückstellfedern in der Weise gekoppelt, daß der Antrieb wenig belastet, aber die Ventilklappen in ihre Ausgangsstellung zurückgebracht werden können.

Im Gegensatz zu den Ventilen des genannten Standes der Technik treten beim erfindungsgemäßen Ventil in Durchflußstellung praktisch keinerlei radiale Kräfte auf. Die auf ein Flächenelement des Ventiltellers durch de;: Strömungsdnick wirkenden Kräfte sind winkelabhängig. Dabei wird die Ruhestellung der Ventilteller durch ein Momentengleichgewicht in bezug auf die Drehachse bestimmt Es ist möglich, durch Wahl geeigneter Drehachsen, z. B. durch außermittige Anordnung der Ventilteller bzw. durch Ausbildung der Ventilteller nach speziellen strömungsmechanischen Gesetzen, z. B. in Form einer Tragfläche, zu erreichen, daß bei Strömungsdruck die Ruhestellung der Ventilteller die Verschlußstellung ist In diesem Fall wird der Antrieb zum Umschalten des Ventils benötigt

In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung können statt der ellipsenförmigen Grundfläche der Ventilteller die Strömungskanäle in ihrem Querschnitt ellipsenförmig ausgebildet, sein. Die Ventilteller haben dann kreisförmige Grundflächen mit der großen Halbach ~e des zugehörigen Sttrömungskanalquerschnittes als Radius. Dabei verläuft die Drehachse der Ventilteller senkrecht zur kleinen Halbachse des zugehörigen Strömungskanalquerschnittes. Natürlich sind auch andere geometrische Ausgestaltungen von Strömungskanälen und Ventilteller möglich. Allerdings muß deren Form jeweils aufeinander abgestimmt sein, so daß bei der Verkippung der Ventilteller deren Projektion in die Querschnittsform des jeweiligen Strömungskanals überführt und dessen Verschließen bewirkt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnvngc

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisch betätigbares Schaltventil für strömende Fluide, bestehend aus wenigstens einem Strömungskanal mit einem Ventilteller, der im geschlossenen Zustand des Ventils den Strömungskanal weitgehend abschließt, wobei Querschnitt des Strömungskanals und Grundfläche des Ventiltellers eine unterschiedliche, aufeinander derart abgestimmte Form aufweisen, daß durch Verkippen des ι ο Ventiltellers dessen Projektion in die Querschnittsform des Strömungskanals überführt werden kann und demzufolge durch Verkippen des Ventiltellers aus einer Lage parallel zur Strömungsrichtung um weniger als 90° ein Verschließen des Strömungska- !5 nals erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß in zwei parallel verlaufenden Strömungskanälen (8, 9) zwei Ventilteller (11, 12) auf einer gemeinsamen Drehachse (10, II), welche senkrecht in Strömungsrichtung durch die beiden Strömungäkanäle (8, 9) verläuft, angeordnet sind, wobei beide Ventilteller (il, 12) um einen vorgebbaren Drehwinkel (α = «ι — α₂) gegeneinander verkippt sind, so daß mittels eines Antriebes (14) an der Drehachse (10, H) eine vorprogrammierbare Steuerung von strömenden Fluiden, beispielsweise eine wechselnde Pulsation, realisiert wird.

2. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei ellipsenförmiger Grundfläche der Ventilteller (11, 1:2) die Drehachse (10, II) der Ventilteller (11, 12) durch die kleine Halbachse der Ellipsenfläche verläuft

3. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (.<), II) der Ventilteller (11, 12) parallel zur kleinen Halbachse der Ellipsenfläche verläuft

4. Schaltventil nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Ventilteller (11,12!) nach strömungsgünstigen Gesichtspunkten, vorzugsweise diskusartig, ausgebildet ist, wobei im geöffneten Zustand des Ventils der durch den Ventilteller (11, 12) gebildete Strömungswiderstand minimiert wird.

5. Schaltventil nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Ventilteller(l 1,12) nach strömungsmechanischen Gesetzen, beispielsweise tragflächenartig, ausgebildet ist, wobei der Strömungsdruck eine Verschlußstellung des Ventil:? als Ruhestellung des Ventiltellers (11,12) bewirkt.

6. Schaltventil nach Anspruch I₁ dadurch gekenn· zeichnet, daß auf dem Umfang des Strömungskanalü (8,9) Anschlagnuten (5) vorgesehen sind.

7. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Umfang der Ventilteller (11, 12) Dichtungsmittel, vorzugsweise in Form der Form der Ventilteller (11, 12) angepaßte Gummiringe, angeordnet sind.

8. Schaltventil nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilteller (11, 12) über eine in Kugellagern (13) oder Gleitlagertl gelagerte Welle (10) mit einem Antriebsaggregat (14) verbun den ist.

9. Schaltventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsaggregat (14) für die: Verkippung der Ventilteller (11,12) ein Drehmagnet, Schrittmotor oder Spaltrohrmotor verwendet wird.

10. Schaltventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückstellung der Ventilteller (11„

12) mechanische Mittel, vorzugsweise Federn, vorgesehen sind.