DE2609960A1

DE2609960A1 - Vorrichtung zur regelung des durchflusses eines fluids

Info

Publication number: DE2609960A1
Application number: DE19762609960
Authority: DE
Inventors: S William F Ha; John W Tanney; Helen G Tucker
Original assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Current assignee: National Research Council Of Canada Ottawa Ontar
Priority date: 1975-03-26
Filing date: 1976-03-10
Publication date: 1976-10-07
Also published as: FR2305773A1; FR2305773B1; DE2609960B2; GB1542681A; IT1057800B; US4003405A; DE2609960C3; CA1015732A; JPS6122194B2; JPS51117332A

Description

MÜLLER-BORE · GROENING · DEUFEL · SCHÖN HERTEL

ΡΛΤΕΜ TAKWÄLTE

DR. WOLFGANG MULLER-BORi (PATENTANWALT VON 1927 - 1975) HANS W. GROENING, DIPL.-ING. DR. PAUL DEUFEL, DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN, DIPU-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS.

Hl/We/th - C 294-9

CANADIAN PATENTS AND DEVELOPMENT LIMITED Ottawa, Ontario, Kanada

Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses eines Fluids

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Eegelung des Durchflusses eines Fluids.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses eines Fluids als eindeutige Funktion einer Kraft, eines Druckes oder einer mechanischen Position, die in Reaktion auf ein geeignetes Steuersignal erzeugt wird.

Die Regelung eines Fluiddurchflusses mit Hilfe eines Ventils, welches die Strömung eines Fluids durch entsprechende Durchgänge im Ventil verhindert oder drosselt, ist eine der am weitesten verbreiteten Möglichkeiten bei Vorrichtungen zur Verarbeitung von Durchflüssen, wie sie bei chemischen Verfahrenseinrichtungen, bei Gasleitungs-Verteilersystemen, bei Wasserversorgungssystemen, bei Energieübertragungs-Hydrauliksystemen und in vielen anderen Fällen im Zusammenhang mit einem Fluid vorhanden sind.

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Bekannte Fluid-Durchfluß-Regelventile können in zwei Haupttypen unterteilt werden, nämlich einerseits in mechanische Ventile, deren Arbeitsweise insgesamt oder teilweise von der Relativbewegung oder von der Durchbiegung eines Bauteiles oder von mehreren Bauteilen des Ventils abhängt, und in nicht-mechanische Ventile andererseits, deren Betrieb keine Relativbewegung oder Durchbiegung eines Bauteiles oder mehrerer Bauteile erfordert. Typische Beispiele für nicht-mechanische Ventile sind das visko-elektrische Ventil, welches das Potential eines elektrischen Feldes ausnutzt, und zwar quer zu einer Strömung oder einem stationären Fluid, beispielsweise bei einem Hydrauliköl mit Zusätzen, welche die Viskosität des durch ein solches elektrisches Feld beeinflußten Fluids stark verändern, wie es in der US-Patentschrift 2 417 850 (W. M. Winslow) vom März 194-7 beschrieben ist, und weiterhin das Fluidwirbelventil, welches dynamische Fluideffekte ausnutzt, und zwar in einer verwirbelten Strömung bzw. einem WirbelStrömungsfeld, um erhebliche Druckabfälle an dem und/oder Durchflußverminderungen durch das Ventil zu erreichen, wie es in der US-Patentschrift 5 276 259 (R· E. Bowles) vom Oktober 1966 beschrieben ist.

In der US-Patentschrift 3 405 907 (L. T. Kayser) vom Oktober 1968 ist eine Venturi-Anordnung beschrieben, welche zur Steuerung des Fluiddurchganges dient, und zwar im wesentlichen unabhängig von Druckveränderungen stromabwärts von der Venturi-Anordnung. Die Venturi-Anordnung weist ein Gehäuse auf, welches einen zentralen Einlaß zu einem ringförmigen Durchgang hat, der zu einer äußeren, ringförmig ausgebildeten Kammer führt, die einen rohrförmigen Auslaß hat. Bei dieser Venturi-Anordnung wird das Fluid, welches in axialer Richtung dem zentralen Einlaß zugeführt wird, radial nach außen geführt, und es gelangt durch den ringförmigen Durchgang in die äußere ringförmige Kammer. Der ringförmige Durchgang hat eine Länge und eine Breite, welche derart dimensioniert sind, daß sein Umfangsquerschnitt sich radial nach außen allmählich vergrößert, und

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zwar auf einen Querschnitt, der mehrmals größer ist als der kleinste Querschnitt. Hach Kayser wird Fluid, welches in dem Bereich, des kleinsten Querschnittes des ringförmigen Durchganges zu Ablösungs- und zu Evaporationserscheinungen führt, in dem Bereich des größeren Querschnittes wieder rekondensiert, um eine konstante Strömung durch die Venturi-Anordnung zu bilden, welche unabhängig von Fluiddurckveränderungen stromabwärts von dem ringförmigen Durchgang ist. Eine Seite des ringförmigen Durchganges wird durch eine scheibenförmige Membran gebildet, und die Breite des ringförmigen Durchganges ist mit Hilfe eines zentralen Kolbens einstellbar, welcher in dem Gehäuse in Richtung auf den zentralen Einlaß mit Hilfe einer Schraubeinrichtung verschiebbar ist. Aus den obigen Erläuterungen geht hervor, daß die Venturi-Anordnung nach Kayser eine Zweiphasen-Strömung ausnutzt, um eine von stromabwärt igen Druckveränderungen oder Druckschwankungen im wesentlichen unabhängige Durchflußgröße zu erhalten, und dadurch ist für den Fachmann ersichtlich, daß dies eine laminare Strömung in dem Bereich der gemischten Strömungsphase ausschließt. Im Gegensatz dazu hat die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Fluiddurchgangsgeometrie, in welcher eine laminare Strömung entlang dem ringförmigen Durchgang auftritt, was zu wesentlichen Vorteilen führt, wie es aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich wird, während bei der Venturi-Anordnung nach Kayser, die zur Erfüllung von anderen Bedingungen gedacht ist, derartige Verhältnisse nicht vorliegen und derartige Vorteile nicht erreichbar sind.

In dieser Beschreibung kann ein Fluid aus einem Gas, aus einer Flüssigkeit, weiterhin.aus einer Flüssigkeit, welche gelöstes Gas oder gelöste Gase enthält, aus einem Gemisch von einem Gas und einer Flüssigkeit, aus einem Gas und darin suspendierten Flüssigkeitsteilchen, aus einer Flüssigkeit und darin suspendierten Feststoffteilchen oder aus einem Gasgemisch, aus

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einer Flüssigkeit und darin suspendierten Feststoffteilchen bestehen, wobei angenommen werden kann, daß derartige Gemische die Eigenschaften eines kompressiblen oder eine inkompressiblen Fluids haben.

Weiterhin werden in dieser Beschreibung Newton¹sehe Fluide in der Weise definiert, daß damit solche Fluide angesprochen sind, bei denen eine direkte Proportionalität zwischen der Schubspannung und der Schubrate in einer laminaren Strömung bei einem festen Fluiddruck und einer festen Fluidtemperatur vorhanden ist.

Weiterhin werden in dieser Beschreibung im wesentlichen Newton¹sehe Fluide als solche Fluide definiert, die eine SchubSpannungsabhängigkeit von der Schubrate in einer laminaren Strömung bei einer festen Fluidtemperatur und einem festen Fluiddruck haben, welche realistischerweise von derjenigen eines Newton' sehen Fluids über einen Fluidschubratenbereich angenähert wird, und zwar begrenzt durch die laminaren Durchflußbedingungen, die in einem bestimmten Fluiddurchgang entsprechender Geometrie vorhanden sind.

Weiterhin wird in dieser Beschreibung eine laminare Strömung als eine solche Strömung definiert, welche keine nennenswerten statistischen und unregelmäßigen Strömungsgeschwindigkeitskomponenten hat, im Gegensatz zu einer turbulenten Strömung, in welcher solche Unregelmäßigkeiten in wesentlichem Maß vorhanden sind.

Weiterhin wird in dieser Beschreibung eine Verschlußeinrichtung als eine Einrichtung definiert, welche einen mechanisch veränderbaren Fluidströmungsdurchgang entsprechend einer

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Drosselstelle beliebiger Art aufweist, wie es im Stand der Technik bekannt ist,wobei eine solche Einrichtung kontinuierlich oder stufenweise einstellbar ist, und zwar von einem minimalen Pluiddurchfluß oder einer geschlossenen Stellung bis zu einem maximalen Fluiddurchfluß, wie er durch die Geometrie der Drosselstelle und durch den Druckabfall bestimmt ist, welcher an der Drosselstelle auftritt, wobei eine kontinuierliche oder eine stufenweise Einstellung über einen endlichen Bereich des Fluiddurchflusses möglich ist, begrenzt durch die Geometrie der Drosselstelle und durch den Druckabfall an der Drosselstelle.

Weiterhin wird in dieser Beschreibung ein elastisches Material als ein solches Material definiert, welches dazu in der Lage ist, Spannungen aufzunehmen, ohne daß eine permanente Verformung bleibt, wobei ein solches Material im wesentlichen dem Gesetz der Spannungs-Dehnungs-Proportionalität folgt.

Weiterhin wird in dieser Beschreibung das Gehäuse als ein strukturelles Element oder als eine Kombination von einzelnen Elementen definiert, welche teilweise aus einem Element oder aus Elementen bestehen können, die eine Flexibilität in einer Sichtung haben, wobei das Gehäuse insgesamt oder teilweise einen ringförmig ausgebildeten Durchgang umgibt und einen Einlaßraum sowie einen Auslaßraum darin festlegt, und zwar für die durch das Gehäuse hindurchgehende JFluidströmung.

Es gibt eine erhebliche Anzahl von verschiedenen Typen von mechanischen Durchfluß-Regelventilen oder -Steuerventilen, beispielsweise Klappenventile, Kugelventile, Stopfenventile, Gatterventile usw.· Weiterhin gibt es eine große Vielfalt von besonderen Konfigurationen solcher Ventiltypen, die eine Mehrzahl von unterschiedlichen Strömungsdurchgangsgeometrien haben, die sich weiterhin durch ihre Betätigungseinrichtung, durch ihre Dichtungseinrichtung, durch ihre zur Strömungsdrosselung verwendeten Bauteilgeometrien usw. in der Weise

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unterscheiden, wie- es für bestimmte Fluide und/oder bestimmte Anwendungsfälle zweckmäßig ist. Auf das I. S. A. Handbuch für Steuerventile, Kapitel 3, J· W. Hutchison, Instrument Society of America, Pittsburgh, Penn, wird in diesem Zusammenhang hingewiesen. Sie Arbeitsweise solcher mechanischer Ventile hängt von der Umwandlung des statischen Ventildruckes in Fluidgeschwindigkeit mit Hilfe einer Verminderung im Fluiddurchgang zusammen, wobei bei einer Querschnittsverminderung eine entsprechende Turbulenz in dem Fluid auftritt, wodurch ein
!Teil der Geschwindigkeitsenergie des Fluids verbraucht wird.
Die erforderliche Strömungsquerschnittsverminderung wird durch eine variable mechanische Verengung herbeigeführt, die in dem Fluidströmungsdurchgang des Ventils vorgenommen wird, wodurch das Fluid in seiner Strömung in der Weise beeinflußt wird,
daß an der Verengung oder der !Drosselstelle ein erheblicher
statischer Druckabfall auftritt, entsprechend der Zunahme der Fluidgeschwindigkeit durch die Drosselstelle, und zwar in Abhängigkeit von der hinreichend bekannten Bernoulli-Beziehung, die in entsprechenden Einheiten folgende Form hat:

wobei Ap * statischer Druckabfall an der Drosselstelle

p = Fluiddichte

AU » Zunahme der Fluidgeschwindigkeit über die Drosselstelle,
g = Erdbeschleunigung,

wenn das Fluid inkompressibel ist und der Verbrauch an dynamischer Energie des Fluids innerhalb der Drosselstelle vernachlässigbar ist.

Es läßt sich zeigen, daß der. Fluiddurchf luß durch ein mechanisches Ventil in der vorgegebenen Durchsatzrichtung eine eindeutige Funktion der veränderbaren Drosselgeometrie für eine

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vorgegebene Fluiddurchgangskonfiguration und einen vorgegebenen Druckabfall an der Drosselstelle ist, wobei diese Funktion von dem speziellen Anteil des dynamischen Energiebetrages abhängt, welcher dem Verbrauch an Fluidgeschwindigkeit entspricht. Analytische Beziehungen sind formuliert worden, und zwar für weit verbreiterte Ventilkonfigurationen, welche sich auf die veränderbare Geometrie, den Druckabfall und den Fluiddurchfluß beziehen· Solche Beziehungen sind dem Fachmann bekannt und lassen sich in vielen Standardwerken finden, die sich auf Steuerventile, Fluidströmung, Fluidenergie, Fluiddynamik usw. beziehen.

Es besteht ein Bedarf nach einer Vorrichtung, welche dazu in der Lage ist, den Durchfluß eines Fluids zu regeln, welches durch eine solche Vorrichtung hindurchströmt, wobei eine solche Vorrichtung wirtschaftlich herstellbar, leicht auseinander zu nehmen und zu reinigen ist, mit einem raschen dynamischen Ansprechverhalten ausgestattet und im wesentlichen frei von Hysteresis sein soll, und es sollte zugleich ein Minimum an interner Fluidströmungsturbulenz gegenüber bekannten Typen von mechanischen Ventilen vergleichbarer Leistung in bezug auf Strömungsbereich, Druckabfall, Linearität und Empfindlichkeit der Steuerung oder Regelung erreicht werden.

Zur Überwindung dieser Probleme ist Gegenstand der Erfindung die Regelung des Durchflusses eines Fluids durch eine Vorrichtung, welche zumindest teilweise einen schmalen Fluiddurchgang aufweist, in welchem die Fluidströmung im wesentlichen zweidimensional und laminar ist, so daß keine ein Rauschen erzeugende Turbulenz in der Strömung in dem schmalen Durchgang induziert wird, wobei zugleich eine solche !Turbulenz, wie sie stromaufwärts von der laminaren Strömung in dem Durchgang vorhanden ist, die Tendenz zeigt, daß sie durch viskose Dämpfung innerhalb der laminaren Strömung unterdrückt wird.

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Zur Überwindung der oben genannten Probleme sieht die Erfindung insbesondere vor, daß

a) ein Gehäuse vorgesehen ist, wenn die Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses eines Fluids dient, welches folgende Teile aufweist: einen Fluiddurchgang, welcher symmetrisch in bezug auf eine Achse angeordnet ist und welcher ringförmig ausgebildet ist, wenn er in Richtung der Achse gesehen ist, wobei der Durchgang weiterhin eine Geometrie hat, welche derart beschaffen ist, daß ein beliebiger Querschnittsbereich des Fluiddurchganges, welcher symmetrisch in bezug auf die Achse und senkrecht zu der Kittelrichtung der Strömung des Fluids darin angeordnet ist, innerhalb des Bereiches der gekrümmten Oberfläche eines Kegelstumpfes und des gekrümmten Oberflächenbereiches eines Kreiszylinders eine gekrümmte Oberfläche aufweist, weiterhin ein Fluideinlaßraum, der zum Anschluß an eine Quelle eines unter Druck stehenden Fluids bestimmt ist, wobei der Fluideinlaßraum koaxial in bezug auf den ringförmigen Fluiddurchgang ausgebildet ist und einen im wesentlichen ungehinderten Strömungsweg für Fluid für die Gesamtheit eines Umfangseinlaßbereiches zu dem ringförmigen Fluiddurchgang bildet, weiterhin eine Fluidauslaßeinrichtung, welche koaxial in bezug auf den ringförmigen Fluiddurchgang angeordnet ist, und zwar radial auf Abstand von dem Fluideinlaßraum, wobei die Fluidauslaßeinrichtung zum Entweichen des Fluids aus dem Fluiddurchgang und zur Bildung eines im wesentlichen ungehinderten Strömungsweges dient, und zwar von der Gesamtheit eines Umfangsauslaßbereiches des ringförmigen Fluiddurchgangs für Fluid, welches durch den ringförmigen Fluiddurchgang von dem Fluideinlaßraum hindurchgegangen ist,

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b) daß weiterhin dann, wenn die Vorrichtung den Durchfluß eines Fluids regelt, die Strömung des Fluids über die gesamte Länge des Fluiddurchganges und in der Mttelrichtung der darin vorhandenen Fluidströmung laminar ist, wie es durch den Fluiddurchgang festgelegt ist, dessen Geometrie die in den folgenden Gleichungen (1) bis (8) niedergelegten Beziehungen erfüllt: i) für ein Fluid, welches die Eigenschaften eines im wesentlichen inkompressiblen und im wesentlichen Newton¹sehen) Fluids aufweist, welches durch den Fluiddurchgang hindurch strömt, xirenn der Fluiddurchgang in Inkrementalabschnitte unterteilt ist, für welche die Mittellinie des Fluiddurchganges im allgemeinen in der Hittelrichtung der Fluidströmung als im wesentlichen gerade angenommen werden kann, so daß der statische-Fluiddruckabf all (p^-P,,) in jedem Inkrementalabschnitt in entsprechenden Einheiten

die folgende Beziehung erfüllt:
.2

(Pi - Po)

A =

wobei A und B geometrische Parameter des inkrementalen Abschnittes sind, der in Rede steht, wobei A und B durch die folgenden Beziehungen festgelegt sind:

k (sin0)

^r2

(sinö) ²

(r₂)

X'

[^h2

(h₂)

h₂ H₁ J

(hl)².

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und "

- 10 -

- 2609950

sin. θ Ch.v - J12) -

.wobei

τ_Λ = der Radius des inkremental en Abschnittes, an welchem p^ auftritt und wo der Radius von der Achse der Symmetrie des Fluid· durchganges zu einer ersten Grenze der Mittellinie dieses inkrementalen Abschnittes des Fluiddurchganges in der Mittelrichtung der dort entlanggehenden Strömung gemessen ist,

T₂ = der Radius des inkrementalen Abschnittes, an welchem pg auftritt und wo der Radius von der Symmetrieachse des Fluiddurchganges zu einer zweiten Grenze der Kittellinie dieses inkrementalen Abschnittes des Fluiddurchganges in der Kittelrichtung der dort entlanggehenden Fluidströmung stromabwärts von der ersten Grenze gemessen ist,

h,. = die kleinere Abmessung des inkrementalen Abschnittes, quer zu der Hittelrichtung der Strömung des dort hindurchströtaenden Fluids, am Radius r«-,

hp = die kleinere Abmessung dieses inkrementalen Abschnittes, quer zu der Hittelrichtung der dort hindurchgehenden Fluidströmung, am Radius Γρ,

θ β die Neigung der Mittellinie des inkrementalen Abschnittes in der Mittelrichtung der Fluidströmung in bezug auf die Symmetrieachse des i'luiddurchganges und liegt im Bereich oberhalb von O⁰ und unterhalb von 180°,

k = mittlere Neigung einer Begrenzungswand des inkrementalen Abschnittes gegenüber der gegenüberliegenden Begrenzungswand dazu, wobei k positiv oder gleich UuIl oder negativ sein kann,

χ = die äquivalente Höhe" des inkrementalen Abschnittes bei der Symmetrieachse des i'luiddurchganges, durch Projektion der mittleren Neigung jeder der Fluiddurchgangs-Begrenzungswände des inkrementalen Abschnittes auf die Symmetrieachse,

G a Massendurchfluß des entlang dem Fluiddurchgang strömenden Fluids

ρ β Dichte des den Fluiddurchgang entlangströmenden Fluids»

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/U * absolute Viskosität des dem Flui'ddurchgang entlangströmenden Fluids und
g β die Erdbeschleunigung;

ii) für ein !fluid, welches die Eigenschaften eines im wesentlichen koiapressiblen und im wesentlichen Newton¹ sehen Fluids aufweist, welches durch den Fluiddurchgang 2 hindurch strömt, wenn der Fluiddurchgang 2 in zwei inkrenientale Abschnitte wie den Abschnitt 6 unterteilt ist, für welche die Kittellinie WW des Pluiddurchganges 2 allgemein in der Kittelrichtung Y der Fluidströtsung als ita wesentlichen gerade angenommen werden kann und wobei der statische Fluiddruck in federn inkremental en Abschnitt wie dem Abschnitt 6 an einem beliebigen Punkt auf der Kittellinie des i'luiddurchganges 2 allgemein in der Kittelrichtung Ί der dort hindurchstrÖBienden Fluidströniung im wesentliehen eine lineare Funktion des radialen Abstandes von der Symmetrieachse ZZ des Fluiddurchganges ist, gilt die folgende Beziehung in entsprechenden Einheiten für ^eden inkrementalen Abschnitt wie den Abschnitt 6:

ψ Γ (P2> ² - (Pl) ² 1 [Cr₂) 2 4 (T₁) 2]. Γ ₊ 1 I_nMJ"

L Jt- Jg (2if)² L χ² Λ^Ρ1/.

6mG(RT)² (sine) (D) ' ^ -._J₆J

wobei C und D geometrische Parameter des inkrementalen Abschnittes sind, welcher in Rede steht, und durch die folgenden Beziehungen in entsprechenden Einheiten festgelegt sind:

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°-b

η - ^x

u-

ι ι 1 · ι /■ ι ι

VcI₂)² (ill)².] k² I 2 1

In diesen Beziehungen haben ähnliche Symbole in den Beziehungen (6), (7) und (8) die für die Beziehungen (1), (2), (3), (4) und (5) definierten Bedeutungen und

In = hyperbolischer oder natürlicher Logarithmus, T * die absolute Temperatur des entlang dem Fluiddurchgang 2 strömenden Fluids, wobei es sich gezeigt hat, daß diese Temperatur entlang einem Abschnitt der Fluiddurchgangs-

länge im wesentlichen konstant ist, und R β eine Konstante für das im wesentlichen kompressible Fluid, welches gemäß der folgenden Beziehung dem iTuiddurchgang 2 entlangströmt:

f- = H.T.

¹ C

wobei

ρ β der absolute statische Druck des Fluids an einer

beliebigen Stelle entlang dem Fluiddurchgang 2, p_o β die Dichte des kompressiblen Fluids an der Stelle entlang dem Fluiddurchgang, an welcher der absolute statische Druck ρ festgelegt ist.

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Weiterhin kann gemäß der Erfindung eine Fluiddurchgangs-Verschlußeinrichtung wie ein bewegbarer Stopfen, eine Klappe, eine Kugel, eine Membran oder eine andere beliebige Verschlußeinrichtung, wie sie dem Fachmann bekannt ist, entweder stromaufwärts und/oder stromabwärts von dem ringförmigen Fluiddurchgang angeordnet werden. Die Verschlußeinrichtung kann in Reaktion auf ein Befehls- oder ein Steuersignal durch eine beliebige bekannte geeignete Einrichtung betätigt werden, wie sie dem Fachmann an sich bekannt ist.

Weiterhin kann gemäß der Erfindung ein bewegbares Element vorzugsweise eine Begrenzungswand des Fluiddurchganges bilden und es kann eine Einrichtung vorgesehen sein, welche dazu dient, das bewegbare Element innerhalb des Gehäuses und entlang der Symmetrieachse des Fluiddurchganges zu bewegen, um die Geometrie des Fluiddurchganges in der Weise einzustellen, daß sie mit den Beziehungen für die laminare Strömung des hindurchströmenden Fluids übereinstimmt. Eine solche Einrichtung kann dazu in der Lage sein, das Element in ausreichendem Maß zu bewegen, daß der Fluiddurchgang fluiddicht geschlossen ist.

Weiterhin kann gemäß der Erfindung eine flexible Scheibe eine Begrenzungswand des Fluiddurchganges bilden, und es kann weiterhin eine Einrichtung vorgesehen sein, um die flexible Scheibe in der Weise durchzubiegen, daß eine spezielle Geometrie erreicht wird, und zwar in Übereinstimmung mit den obigen Beziehungen, entlang der Längsausdehnung des Fluiddurchganges. Eine solche Einrichtung kann dazu in der Lage sein, die flexible Scheibe ausreichend durchzubiegen, daß der Fluiddurchgang fluiddicht geschlossen wird. Die flexible Scheibe ist vorzugsweise um ihren Umfang herum fluiddicht mit dem Gehäuse verbunden, und die Einrichtung zur Durchbiegung der flexiblen Scheibe biegt vorzugsweise die Scheibe dadurch, daß sie gegen ihren Mittelteil gedruckt wird.

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Weiterhin können gemäß der Erfindung vorzugsweise zwei flexible Scheiben verwendet werden, von denen jede eine der Begrenzungswände des Fluiddurchganges bildet, und es kann eine Einrichtung vorgesehen sein, um die flexiblen Scheiben durchzubiegen, um eine spezielle Geometrie zu erreichen, welche mit den abgeleiteten Beziehungen übereinstimmt, und zwar entlang der Längsausdehnung des Fluiddurchganges. Die Einrichtung zum Durchbiegen der flexiblen Scheiben kann dazu in der Lage sein, wenigstens eine der flexiblen Scheiben ausreichend zu verformen, damit der Fluiddurchgang fluiddicht geschlossen wird. Vorzugsweise sind die flexiblen Scheiben entlang ihrem Umfang fluiddicht mit den gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses verbunden, und vorzugsweise ist die Einrichtung zum Durchbiegen der flexiblen Scheiben derart ausgebildet, daß die Scheiben dadurch verformt werden, daß gegen ihre Mittelteile gedruckt wird.

Weiterhin ist gemäß der Erfindung vorzugsweise eine flexible Scheibe fluiddicht entlang ihrem Umfang in der Weise mit dem Gehäuse verbunden, daß die flexible Scheibe das Gehäuse in zwei ähnliche Fluiddurchgänge unterteilt, von denen jeder einen ringförmigen Fluiddurchgang bildet, wie er oben beschrieben wurde. Vorzugsweise sind dabei Einrichtungen vorgesehen, welche dazu dienen, die flexible Scheibe in jeder Richtung durchzubiegen, um eine spezielle und eine solche Fluiddurchgangsgeometrie in jedem der Fluiddurchgänge zu schaffen, daß gegenseitige Abhängigkeiten und Wechselwirkungen bestehen. Die Durchbiegungseinrichtung kann dazu in der Lage sein, die Scheibe derart zu verformen, daß entweder der eine oder der andere der Fluiddurchgänge abgedichtet wird. Der Fluideinlaßraum., wie er oben definiert ist, ist einer von zwei Bäumen, nämlich der Fluideinlaßraum, der jeweils einen Einlaß für einen der Fluiddurchgänge bildet, während der Fluidauslaß gemäß der obigen Festlegung einer von zwei Auslässen ist, wobei ähnliche Fluidauslässe jeweils einen Fluidauslaß von einem der Fluiddurchgänge bilden. Die Fluidauslaßeinrichtung von einem Fluiddurchgang

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kann mit dem Fluideinlaßraum des anderen Fluiddurchganges derart, verbunden sein, daß eine spezielle Fluidventilfunktion erreicht wird, die analog beschaffen ist wie die Punktion bei einem mit drei öffnungen ausgestatteten Drei-Wege-Proportional fluidventil. Weiterhin können solche Ausführungsformen gemäß der Erfindung miteinander durch geeignete Fluidströmungskanäle oder -rohre in der Weise verbunden werden, daß sie in einer Kombination analog zu an sich bekannten Ventil einrichtungen arbeiten, so daß beispielsweise ein mit vier öffnungen ausgestattetes Vier-Wege-Proportionalventil entsteht.

Es ist zu bemerken, daß viele der hinreichend bekannten Ventilkonfigurationen in dem oben bereits genannten Werk unter dem Titel "I.S.A. Handbook of Control Valve" beschrieben sind, welche in einer Art und Weise betrieben werden könnten, daß die Fluidströmung durch den Strömungsdrosselbereich im wesentlichen laminar ist, und zwar dadurch, daß der gesamte Druckabfall an der Drosselstelle etwa proportional zu dem hindurchgehenden Fluidmassendurchfluß ist· Es ist jedoch weiterhin zu bemerken, daß eine solche laminare Strömung im Betrieb einer Vorrichtung nur möglich ist, wenn solche bekannten Ventile sich ihrer geschlossenen Stellung nähern, und weiterhin dann, wenn der Druckabfall über ihre Drosselstelle nicht groß ist, und weiterhin dann, wenn die Viskosität des hindurchströmenden Fluids sehr groß ist. Somit ist die Brauchbarkeit bekannter Konfigurationen von Ventilen untragbar stark im Hinblick auf ihre Verwendbarkeit eingeschränkt, wenn ein wesentlicher Anteil der Fluidströmung durch den Drosselbereich des Ventils laminar ist.

Im Gegensatz dazu wird gemäß der Erfindung erreicht, daß eine Vorrichtung geschaffen ist, welche zur Regelung des Durchflusses eines Fluids in einer Strömung des Fluids durch einen Drosselbereich über einen festgelegten Betriebsbereich in einer vorherrschend laminaren Strömung arbeitet, wobei der

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Arbeitsbereich sowohl recht ausgedehnt als auch praktischen Erfordernissen angepaßt sein soll, wobei zugleich ein sehr großer Druckabfall an der Drosselstelle erreicht werden kann, und zwar mit Hilfe von Fluidviskositäts-Schubeffekten innerhalb der laminaten Strömung.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung.beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen ringförmigen Fluiddurchgang mit einer festen Geometrie einer Vorrichtung zur Eegelung des Durchflusses eines Fluides,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen ringförmigen Fluiddurchgang mit einer veränderbaren Geometrie einer Vorrichtung zur Eegelung des Durchflusses eines Fluids,

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie H-II der Fig. 4 einer Vorrichtung mit einem Fluiddurchgang mit einer festen Geometrie zur Regelung des Durchflusses eines Fluids,

Fig. 4- eine Ansicht der in der Fig. 3 dargestellten Vorrichtung von unten, wobei die Fluidquelle entfernt ist,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung, welche ein flexibles Scheibenelement zur Einstellung der Fluiddurchgangsgeometrie aufweist, um den Durchfluß eines Fluids zu regeln,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie IH-III der Fig· 5,

Fig. 7 eine grafische Darstellung, welche eine Kennlinie veranschaulicht, in welcher der Durchfluß über der

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Durchgangshöhe aufgetragen ist, und zwar bei einer Vorrichtung, welche ähnlich ausgebildet ist wie die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Vorrichtung, wenn der Durchfluß von Wasser geregelt wird, wobei Wasser als ein Fluid dient, welches im wesentlichen inkom- ' pressibel ist und sich im wesentlichen wie ein Newton¹ sches Fluid verhält,

Fig. 8 eine grafische Darstellung, welche eine Kennlinie veranschaulicht, bei welcher der Durchfluß über der Durchgangshöhe aufgetragen ist, und zwar für eine Vorrichtung, welche ähnlich aufgebaut ist wie die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Vorrichtung, wenn der Durchfluß von Luft geregelt wird, wobei Luft als ein Fluid dient, welches im wesentlichen kompressibel ist und sich im wesentlichen wie ein Newton¹sches Fluid verhält,

Fig. 9 einen Schnitt durch eine Vorrichtung, welche einen Balg aufweist, an dem eine starre Scheibe angebracht ist, um die Geometrie des Fluiddurchganges einzustellen, damit der Durchfluß des Fluids geregelt werden kann,

Fig. 10 einen Schnitt durch eine Vorrichtung, welche zwei flexible Scheibenelemente zur Einstellung der Geometrie des Fluiddurchganges aufweist, um den Durchfluß eines Fluids zu regeln,

Fig. 11 einen Schnitt durch eine ähnliche Vorrichtung wie sie in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, wobei jedoch zwei ringförmige Fluiddurchgänge vorhanden sind,

Fig. 12 einen Schnitt durch eine Vorrichtung wie sie in der Fig. 11 dargestellt ist, wobei jedoch eine Fluidzwischenverbindung und eine Austrittsöffnung zwischen dem

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Ausgang eines Fluiddurchganges und dem Eingang des anderen Eluiddurchganges vorhanden ist,

Fig. 13 einen Schnitt durch eine Vorrichtung wie sie in den Fig· 3 und 4 dargestellt ist, wobei jedoch eine Tellerventil-Verschlußeinrichtung in dem Auslaßrohr angeordnet ist,

Fig. 14 einen Schnitt durch einen Teil einer Vorrichtung, die ähnlich aufgebaut ist wie die in den Fig. 3 und 4 veranschaulichte Vorrichtung, wobei jedoch ein zylindrisches Stößelventil als Verschlußeinrichtung in dem Auslaßrohr angeordnet ist,

Fig. 15 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in der Fig. 14,

Fig. 16 einen Schnitt durch eine ähnliche Vorrichtung wie in den Fig. 3 und 4, wobei jedoch an dem ringförmigen Fluiddurchgangsauslaß ein !Tellerventil als Verschlußeinrichtung angeordnet ist,

Fig. 17 einen Schnitt durch eine Vorrichtung ähnlich wie in den Fig. 5 und 6, wobei jedoch an dem ringförmigen Fluiddurchgangsauslaß eine Verschlußeinrichtung angeordnet ist, welche mit einem flexiblen Scheibenelement ein Stück bildet,

Fig. 18 einen Schnitt durch eine Vorrichtung ähnlich wie in der Fig. 9, wobei jedoch der Abstand zwischen den scheibenförmigen Flatten in radialer Richtung zunimmt und wobei eine Schraubenbetätigungseinrichtung ähnlich wie in der Fig. 6 vorhanden ist,

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Fig. 19 einen schematischen Schnitt eines ringförmigen Fluiddurchganges mit einer festen Geometrie, und zwar für eine Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses eines Fluids, wobei der Fluiddurchgang und der Fluidauslaß kanalförmig ausgebildet sind,

Fig. 20 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses eines Fluids, welches durch die Vorrichtung hindurchströmt, wobei ein einstellbarer, jedoch tunnelförmiger Fluiddurchgang mit dem geneigten Teil des Tunnels verbunden ist, der sich entlang einem geraden Weg erstreckt,

Fig. 21 einen Schnitt durch eine Vorrichtung ähnlich wie in der Fig. 20, wobei jedoch ein tunnelförmiger Fluiddurchgang bei dem geneigten Abschnitt des Tunnels vorhanden ist, der sich entlang einem gekrümmten Weg erstreckt, und

Fig. 22 einen Schnitt durch eine Vorrichtung mit einem Fluiddurchgang mit einer festen Geometrie, ähnlich wie in den Fig. 3 und 4-, zur Regelung des Durchflusses eines Fluids, wobei das Fluid im Betrieb der Vorrichtung radial nach außen strömt.

In der Fig. 1 ist in schematischer Darstellung der Radialschnitt einer Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses eines Fluids veranschaulicht, welche folgende Teile aufweist:

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_ on _

a) ein Gehäuse 1, welches dann, wenn die Vorrichtung den Durchfluß eines Fluids regelt, einen Fluiddurchgang 2 hat, der symmetrisch in bezug auf die Achse ZZ angeordnet ist, wobei in Richtung der Achse ZZ eine ringförmige Form ersichtlich ist und eine solche Geometrie erkennbar ist, daß ein beliebiger Querschnittsbereich des Fluiddurchganges 2 wie beispielsweise der Bereich 2a (welcher gestrichelt dargestellt ist), welcher symmetrisch in bezug auf die Achse ZZ angeordnet ist und senkrecht zu der Mittelrichtung Y für die darin vorhandene Fluidströmung angeordnet ist, eine gekrümmte Oberfläche innerhalb des Bereiches der gekrümmten Oberfläche eines Kegelstumpfes bildet und innerhalb der gekrümmten Oberfläche eines Kreiszylinders (in dieser Ausführungsform die Form eines Kreiszylinders, wobei die Ausführungsform als Konus unten anhand der Fig. 19 erläutert wird), einen Fluideinlaßraum 3 im Gehäuse 1, um eine (nicht dargestellte) Quelle von unter Druck stehendem Fluid anzuschließen, wobei der Fluideinlaßraum 3 koaxial zu dem ringförmigen Fluiddurchgang 2 angeordnet ist und einen im wesentlxchen ungehinderten Strömungsweg für das Fluid zu der gesamten Umfangseinlaßfläche zu dem ringförmigen Fluiddurchgang 2 bildet, und eine Fluidauslaßeinrichtung 5» die koaxial in bezug auf den ringförmigen Fluiddurchgang 2 angeordnet ist und auf radialem Abstand von dem Fluideinlaßraum 3 liegt, wobei die Fluidauslaßeinrichtung 5 für den Austritt des Fluids von dem Fluiddurchgang 2 dient und einen im wesentlxchen ungehinderten Strömungsweg von dem gesamten Umfangsauslaßbereich des ringförmigen Fluiddurchganges 2 bildet, und zwar für Fluid, welches radial durch den ringförmigen Fluiddurchgang 2 von dem Fluideinlaßraum 3 hindurchgeströmt ist, wobei weiterhin folgende Verhältnisse vorliegen:

b) wenn die Vorrichtung den Durchfluß eines Fluids regelt, ist die Strömung des Fluide entlang dem gesamten Weg des Fluiddurchganges 2 und in der Mittelrichtung Y der darin herrschenden Fluidströmung laminar, wie es durch die Fluiddurchgangsgeometrie offensichtlich bewirkt wird, welche mit den

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Beziehungen in den folgenden Gleichungen (1) bis (8) im Einklang steht:

i) für ein Fluid, welches die Eigenschaften eines im wesentlichen inkompressiblen und im wesentlichen Newton*sehen Fluids aufweist, welches durch den Fluiddurchgang 2 hindurchströmt, wenn der Fluiddurchgang 2 in einzelne Abschnitte wie beispielsweise den Abschnitt 6 unterteilt ist, für welchen die Mittellinie WW des Fluiddurchganges 2 im allgemeinen in der Mittelrichtung Y der Fluidströmung als im wesentlichen gerade angenommen werden kann, entspricht der statische Fluiddruckabfall (pp - P^) in jedem einzelnen Abschnitt wie dem Abschnitt 6 der folgenden Beziehung in entsprechenden Einheiten:

wobei A und B geometrische Parameter des inkremental en Abschnittes sind, der in Rede steht, wobei A und B durch die folgenden Beziehungen festgelegt sind:

k(sinfr) / 1 __ 1\ (sine)²

infr) / 1 __ 1 U₂ r

Γ_ϊ --JL

I 2 ₂

β _s i- in (I².)- I₃. in (j£)+ 3L·- C JL -■ 1-)+^ r~i~ - -JL

wobei ,-*

— ——......«.^jj

ν - (sin β) (hl - h₂) _ . ' ._Λ%

χ = h₂ + kf ^r2, ) ₍₅₎

\ sinö /

609841/0856^:

wie auch aus der Fig. 1 ersichtlich, ist, gelten hierbei folgende Beziehungen:

r^ = der Radius des inkrementalen Abschnittes 6, an welchem p- auftritt und wo der Radius von der Achse ZZ der Symmetrie des Fluiddurchganges zu einer ersten Grenze der Mittellinie dieses inkrementalen Abschnittes 6 des Fluiddurchganges 2 in der Mittelrichtung Y der dort entlanggehenden Strömung gemessen ist,

Γρ = der Radius des inkrementalen Abschnittes 6, an welchem p« auftritt und wo der Radius von der Symmetrieachse ZZ des Fluiddurchganges zu einer zweiten Grenze der Mittellinie dieses inkrementalen Abschnittes 6 des Fluiddurchganges 2 in der Mittelrichtung Y der dort entlanggehenden Fluidströmung stromabwärts von der ersten Grenze gemessen ist,

tu » die kleinere Abmessung des inkrementalen Abschnittes 6, quer zu der Mittelrichtung Y der Strömung des dort hindurchströmenden Fluids, am Radius r^,

ho = die kleinere Abmessung dieses inkrementalen Abschnüfces 6, quer zu der Mittelrichtung Y der dort hindurchgehenden Fluidströmung, am Radius Tg»

O = die Neigung der Mittellinie des inkrementalen Abschnittes 6 in der Mittelrichtung Y der Fluidströmung in bezug auf die Symmetrieachse ZZ des Fluiddurchganges 2 und liegt im Bereich oberhalb von 0° und unterhalb von 180°,

k » mittlere Neigung einer Begrenzungswand des inkrementalen Abschnittes 6 gegenüber der gegenüberliegenden Begrenzungswand dazu, wobei k positiv oder gleich Null oder negativ sein kann,

χ = die äquivalente Höhe des inkrementalen Abschnittes 6 bei der Symmetrieachse ZZ des Fluiddurchganges 2, wie es in der Fig. 1 angegeben ist, durch Projektion der mittleren Neigung jeder der Fluiddurchgangs-Begrenzungswände des inkrementalen Abschnittes 6 auf die Symmetrieachse ZZ,

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G » Hassendurchfluß des entlang dem Fluiddurchgang 2 strömenden Fluids und
g * die Erdbeschleunigung;

ii) für ein Fluid, welches die Eigenschaften eines im wesentlichen kompresaiblen und im wesentlichen Newton* sehen Fluids aufweist, welches durch den Fluiddurchgang 2 hindurch strömt, wenn der Fluiddurchgang 2 in zwei inkrementale Abschnitte wie den Abschnitt 6 unterteilt ist, für welche die Hittellinie VW des Fluiddurchganges 2 allgemein in der Hittelrichtung X der Fluidströmung als im wesentlichen gerade angenommen werden kann und wobei der statische Fluiddruck in jedem inkrementalen Abschnitt wie dem Abschnitt 6 an einem beliebigen Punkt auf der Hittellinie des Fluiddurchganges 2 allgemein in der Hittelrichtung T der dort hindurchströmenden Fluidströmung im wesentlichen eine lineare Funktion des radia len Abstandes von der Symmetrieachse ZZ des Fluiddurchganges ist, gilt die folgende Beziehung in entsprechenden Einheiten für {jeden inkrementalen Abschnitt wie den Abschnitt 6:

RT Γ -> . , Λ Γ , ,2, ί χ 2~Ι 1.21 (GRT)² I~_c . 1 li/P2

5J [(P₂)² - (Pi)²JL <^r2>^{2+ (r}i>²] - _g(2T)2 L^c+;r W

+ 6uG(RT)² (sine) (D)

(₆)

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₁)²J

(7)

Ch₁)

(^₁)²

In diesen Beziehungen haben ähnliche Symbole in den Beziehungen (6), (7) und (8) die für die Beziehungen O), (2), (3), (4) und (5) definierten Bedeutungen und

In * hyperbolischer oder natürlicher Logarithmus, T » die absolute Temperatur des entlang dem Fluiddurchgang 2 strömenden Fluids, wobei es sich gezeigt hat, daß diese Temperatur entlang einem Abschnitt der Fluiddurchgangs-

länge im wesentlichen konstant ist, und R β eine Konstante für das im wesentlichen !compressible Fluid, welches gemäß der folgenden Beziehung dem Fluiddurchgang 2 entlangströmt:

¹C

wobei

ρ » der absolute statische Druck des Fluids an einer

beliebigen Stelle entlang dem Fluiddurchgang 2, P₀* die Sichte des kompressiblen Fluids an der Stelle entlang dem Fluiddurchgang, an welcher der absolute statische Druck ρ festgelegt ist.

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Es ist ersichtlich, daß der statische Druckabfall (pg -P^) aus der Gleichung (6) ermittelt werden kann, indem bekannte Eechenverfahren wie das Newton¹sehe Iterationsverfahren angewandt werden, wie es in Standardwerken der Mathematik beschrieben ist, beispielsweise in dem Buch "Applied Numerical Methods" von B, Carnahan, H. A. Luther und J. O. Wilkes, John Wiley & Sons, Inc., 1969» oder es kann dieser Wert aus der Gleichung (6) ermittelt werden, indem andere numerische Eechenverfahren angewandt werden, wie sie dem Fachmann der Strömungstechnik bekannt sind, so daß der Fluidmassendurchfluß und die Fluiddurchgangsgeometrie festgelegt werden.

Die mittlere Neigung innerhalb des inkrementalen Abschnittes 6 des Fluiddurchganges 2 einer Begrenzungswand in bezug auf die gegenüberliegende Begrenzungswand, wie es in der Fig. 1 durch die Neigung *k^e der strichpunktierten Linie in bezug auf die Begrenzungswand 19 veranschaulicht ist, wobei die Linie 8 parallel zu der Begrenzungswand 9 verläuft, definiert die Neigung "k" gemäß Gleichung(4). Der Schnittpunkt der gestrichelten Linien 10 und 12, welche Verlängerungen der Begrenzungswände des Fluiddurchganges 2 über den inkrementalen Abschnitt 6 hinaus darstellen, und zwar mit der Mittel Symmetrieachse ZZ des Fluiddurchganges 2, legt die äquivalente Höhe "X" des inkrementalen Abschnittes 6 gemäß Gleichung (5) fest. Demgemäß kann der Fluiddurchfluß für einen beliebigen festgelegten Druckabfall durch den Fluiddurchgang 2 aus den Gleichungen (1) bis (6) für ein beliebiges Fluid berechnet werden, indem die geometrischen Parameter des Fluiddurchganges 2 verwendet werden, wie es in der Fig. 1 veranschaulicht ist, wobei die Mittellinie des inkrementalen Abschnittes 6 des Fluiddurchganges 2 in der Mittelrichtung der Fluidströmung X als gerade angenommen wird.

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Die mittlere relative Neigung "k^M einer der Begrenzungswände innerhalb des inkremental en Abschnittes 6 des Durchganges 2 in bezug auf die gegenüberliegende Begrenzungswand ist in der Pig. 1 positiv dargestellt. Diese Neigung kann jedoch entweder positiv oder gleich Null oder auch negativ sein, was jeweils einer Zunahme, einem konstanten Wert oder einer Abnahme der Durchgangshöhe ^Hh" in der Mittelrichtung Y der Fluidströmung entspricht.

Gemäß Fig. 1 ist in dieser Ausführungsform der inkrementale Abschnitt 6 ein Teil einer Länge 4 des Fluiddurchganges 2, wobei für alle diese Teile eine konstante Neigung vorhanden ist. Die übrige Länge des Fluiddurchganges 2 hat eine unterschiedliche Neigung, welche auch konstant ist, und somit sind dieselben Gleichungen auf diese Länge des Fluiddurchganges 2 mit einigen Veränderungen in den Werten anwendbar. Der Fluiddurchgang 2 ist in dieser Weise in der Fig. 1 dargestellt, um den Punkt anzugeben, daß verschiedene Abschnitte des Fluiddurchganges 2 verschiedene Neigungen haben können und daß in diesem Falle dieselben Gleichungen anwendbar sind, jedoch mit einigen Veränderungen in den Werten zu berechnen sind.

In der Fig. 2 sind ähnliche Teile wie in der Fig. 1 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und es gilt hierzu die obige Beschreibung.

In der Fig. 2 sind die geometrischen Abmessungen veranschaulicht, die in der Fig. 1 festgelegt sind, jedoch für einen inkrementalen Abschnitt 6 eines radialen Querschnittes eines ringförmigen Fluiddurchganges 2, der durch eine starre Wand 13 mit einer entsprechenden Kontur, die gemäß der Darstellung sich wiederum über eine Länge 4 linear verjüngt, und weiterhin eine flexible Begrenzungswand 14 der Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses eines Fluids begrenzt ist. Der

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ringförmige Fluiddurchgang 2 wird durch eine gekrümmte Oberfläche 16 eingestellt, welche die Oberflächenkrümmung der flexiblen Begrenzungswand 14 darstellt, die in der Form einer flexiblen scheibenförmigen Platte ausgebildet ist, wenn diese flexible scheibenförmige Platte 14 derart durchgebogen ist, daß die Höhe des Fluiddurchganges 2 in der Mittelrichtung Y der Fluidströmung verändert wird. Die mittlere relative Neigung innerhalb des inkrementalen Abschnittes 6 des Fluiddurchganges 2 wird durch die Neigung der geraden Linie 18 dargestellt, welche einen inkrementalen Abschnitt der gekrümmten Oberfläche 16 der flexiblen scheibenförmigen Platte 14 annähert, und zwar über den inkrementalen Abschnitt 6 des Fluiddurchganges 2 in bezug auf die starre, sich linear verjüngende Begrenzungswand

In der schematischen Darstellung der in der Fig. 2 veranschaulichten Vorrichtung ist die Neigung ^Mk", wie es durch die Gleichung (4) festgelegt ist und in den Gleichungen (2), (5) und (8) verwendet ist, durch die Neigung der strichpunktierten Linie 17 in. bezug auf die starre Begrenzungswand 13 dargestellt, wo die Linie 17 parallel zu der Begrenzungswand 18 verläuft. In der Fig. 2 ist die äquivalente Höhe ⁿX^M, wie sie durch die Gleichung (5) festgelegt ist und in den Gleichungen (2), (3), (7) und (8) verwendet wird, durch den Schnittpunkt der strichpunktierten Linien 10 und 12 dargestellt, welche Verlängerungen der linearen Annäherung 18 an die flexible Begrenzungswand mit der gekrümmten Oberfläche 16 bzw. der starren Begrenzungswand 13 des Fluiddurchganges 2 über die inkrementale Länge 6 sind, und zwar bei der Mittelsymmetrieachse ZZ.

Demgemäß kann der Fluiddurchfluß für einen beliebigen bestimmten Druckabfall über einen inkrementalen Abschnitt wie den Abschnitt 6 des Fluiddurchganges 2 aus den Gleichungen (1) oder (6) berechnet werden, und zwar für ein beliebiges vorgegebenes Fluid, wenn die Mittellinie des inkrementalen Abschnittes wie des Abschnittes 6 allgemein die Hittelrichtung der

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Fluidströmung Y ist, welche im wesentlichen als gerade angenommen werden kann. Indem die gesamte Länge des Fluiddurchganges 2 in inkrementale Abschnitte aufgeteilt wird, beispielsweise in die Abschnitte 6, ist die gesamte Länge des Fluiddurchganges 2 somit definiert·

Es ist ersichtlich, daß die Begrenzungswand 13 des Fluiddurchganges 2, welche gemäß der Darstellung starr ausgebildet ist und nach der Darstellung in der Fig. 2 sich linear verjüngt, flexibel ausgebildet sein kann und dieselbe Form haben kann wie die Begrenzungswand 14- in der Fig. 2, ohne daß die Definitionen der Fluiddurchgangsgeometrie gemäß Fig. 2 und gemäß Gleichung (1) bis (8) dadurch beeinträchtigt wurden, jedoch unter der Voraussetzung, daß angenommen werden kann, daß die beiden flexiblen Begrenzungswände sich zumindest annähernd linear verjüngen. Die mittlere relative Neigung "k" der Fluiddurchgangsbegrenzungswände innerhalb des inkrementalen Abschnittes 6 des Fluiddurchganges 2, welche gemäß Fig. 1 positiv ist, wie es auch in der Gleichung (4) festgelegt ist, kann entweder positiv oder gleich Kuli oder negativ sein, was jeweils einer zunehmenden oder einer konstanten oder einer abnehmenden Durchgangshöhe entspricht, und zwar jeweils in der Mittelrichtung Y der Fluidströmung.

In den Fig. 3 und 4 ist eine Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses eines Fluids als Funktion des Druckabfalls an der Vorrichtung dargestellt.

Diese dargestellte Vorrichtung ist eine elementare Ausführungsform, welche eine Familie von Ventilkonfigurationen verkörpert, von denen alle starre Elemente haben, welche die Begrenzungswände des ringförmigen Fluiddurchganges festlegen, wie er anhand der Fig. 1 definiert ist, und solche Einrichtungen werden

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nachfolgend als nicht-einstellbare Fluidventile bezeichnet, da eine Einrichtung zur Veränderung oder Einstellung der internen Strömungsdurchgangsgeometrie in einer solchen Einrichtung nicht vorgesehen ist.

Die Vorrichtung weist ein in seiner Gesamtheit mit 20 bezeichnetes zylindrisches Gehäuse auf, welches eine feste Geometrie hat, wobei weiterhin ein ringförmig ausgebildeter Fluiddurchgang 21 vorgesehen ist, wobei weiterhin ein äußerer, im Bereich des Umfangs angeordneter, ringförmig ausgebildeter Fluideinlaßraum 22 vorhanden ist, der einen oder mehrere Einlaßanschlüsse aufweist, von denen bei 23 einer dargestellt ist, welcher an eine Druckfluidquelle 24 angeschlossen ist und weiterhin an den Einlaßhohlraum 22, so daß ein im wesentlichen ungehinderter Strömungsweg für das Fluid zu der Gesamtheit eines äußeren, im Bereich des Umfangs angeordneten Einlaßbereiches 25 zu dem ringförmigen Fluiddurchgang 21 gebildet wird, der eine Geometrie aufweist, welche ähnlich ist wie diejenige des ringförmig ausgebildeten Fluiddurchganges 2 gemäß Fig. 1, und wobei weiterhin ein mittlerer Fluidauslaßraum 26 vorhanden ist, welcher mit einer Fluidauslaßeinrichtung verbunden ist, die ein Auslaßrohr 27 hat. Der mittlere Fluidauslaßraum 26 ist koaxial zu dem ringförmigen Fluiddurchgang 21 angeordnet und bildet einen im wesentlichen ungehinderten Strömungsweg für Fluid, welches von dem gesamten inneren Umfangsbereich des Auslaßbereiches 28 des ringförmigen Fluiddurchganges 21 radial nach innen strömt. Das zylindrische Gehäuse 20 weist eine starre scheibenförmige Bodenplatte 29 und eine starre scheibenförmige Deckplatte 30 auf, welche mit Hilfe von Schrauben 31 dicht miteinander verbunden sind und gegebenenfalls durch (nicht dargestellte) geeignete Stifte miteinander verbunden sein können, so daß der Fluideinlaßraum 22, der ringförmige Fluiddurchgang 21 und der Auslaßraum 26 gebildet werden und daß

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eine luiddichte Dichtung zwischen der Deckplatte 30 und der Bodenplatte 29 gebildet ist.

Es ist ersichtlich, daß die relative Neigung "k¹¹, wie sie oben anhand der Fig. 1 und der Gleichung (4-) festgelegt wurde, gemäß der Darstellung in der Fig. 3 positiv ist, daß sie jedoch entweder positiv, oder gleich Hull oder auch negativ sein könnte.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß durch die Vorrichtung eine praktische Fluiddurchflußabhängigkeit vom Druckabfall an der Vorrichtung von dem äußeren Umfangseinlaßbereich 25 zu dem Auslaßbereich 28 hervorgerufen wird, wie es analytisch für den Fluiddurchgang 21 (Fig. 3) vorauszuberechnen ist, ohne daß empirische oder experimentelle Parameter zu Hilfe genommen werden müßten, indem die Gleichungen (1) bis (5) oder (4-) bis (8) ausgewertet werden, wie es oben festgelegt wurde, unter folgenden Voraussetzungen: ^v

i) die gesamte Länge des ringförmigen Fluiddurchganges 21 zwischen dem äußeren Umfangseinlaßbere ch 25 und dem Auslaßbereich 28 ist auf diese Art festgelegt, ii) das Fluid hat im wesentlichen die Eigenschaften eines inkompressiblen Newton¹ sehen Fluids oder eines kompressiblen Newton¹ sehen Fluids,

iii) die Mittellinie jeder inkrementalen Länge 6 (siehe Fig. 1), welche in ihrer Summe die Gesamtheit des Fluiddurchganges 21 bilden (siehe Fig. 3)» und zwar im allgemeinen in der Hittelrichtung der Fluidströmung, die als gerade angenommen werden kann, wobei die mittlere Neigung k konstant ist, wie es oben anhand der Fig. 1 bereits festgelegt wurde.

Im Betrieb strömt Fluid von der Druckfluidquelle 24 in den ringförmigen Fluideinlaßraum 22, radial nach innen, entlang

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dem ringförmigen Fluiddurchgang 21 und über den Fluidauslaßraum 26 und das angeschlossene Auslaßrohr 27 aus der Vorrichtung hinaus. Der Durchfluß des Fluides durch die Vorrichtung wird durch den statischen Druckabfall am Fluiddurchgang geregelt, der eine Kombination des Druckabfalles ist, der direkt proportional zum Durchfluß ist und der sich aus der viskosen Schubkraft zwischen dem Fluid und den Wänden des ringförmigen Fluiddurchganges 21 ergibt und weiterhin aus dem Druckabfall, welcher zu dem Quadrat des Fluiddurchflusses proportional ist und welcher sich aus der Umwandlung des statischen Fluiddruckes in den dynamischen Fluiddruck bei der Durchstromung des Durchganges 21 ergibt, und zwar gemäß der bekannten Bernoulli-Gleichung. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß im allgemeinen die dynamische Energie oder diejenige Energie, welche mit der Geschwindigkeit des Fluides am Auslaßbereich 28 des Fluiddurchganges 21 verbunden ist, durch eine wirksame Diffusion der Fluidströmung im Auslaßraum 26 oder im Auslaßrohr 2? nicht wiedergewonnen wird, sondern in weitem Umfang durch Fluidviskositätseffekte verbraucht wird, die in der Strömungsturbulenz stromabwärts von der laminaren Strömung im Fluiddurchgang 21 auftreten.

Es ist ersichtlich, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein gewisses Maß der Dominanz des durch Viskositätsschub induzierten Druckverlustes gewählt werden kann, wie er durch den viskositätsabhängigen Term

6 η G (B

in der Gleichung (1) und teilweise durch den viskositätsabhängigen Termin

6uG(R3?)² (sinQ) (D)

in der Gleichung (6) festgelegt ist, und zwar in bezug auf den induzierten Druckabfall, welcher von der Umwandlung des

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statischen Druckes in den dynamischen Druck abhängt, wie es durch den Termin

-1,21 G² (A)
g (21T)² (sin9)²P

in der Gleichung (1) und teilweise durch den viskositätsabhängigen Term

^ in

Cc

g (2ir)²

in der Gleichung (6) festgelegt ist, so daß eine geeignete Auswahl in Abhängigkeit einer vorgegebenen Ventilanwendung getroffen werden kann.

Wenn beispielsweise eine Druckfluidquelle erforderlich ist, um eine Lasteinrichtung wie eine hydraulische Rotationspumpe anzutreiben, wobei ein Fluiddurchfluß zur Last erforderlich ist, der etwa proportional zu dem von der Last erzeugten Gegendruck ist, dann würde eine solche Fluidquelle dadurch realisiert, daß eine einstellbare Ventileinrichtung verwendet wird, wie sie anhand der Fig· 3 und 4- beschrieben ist, wobei jedoch die Fluidquelle 24 in ihrem Druck geregelt ist, wobei der äußere ringförmige Fluiddurchgang 21 (siehe Fig. 3) einen äußeren Radius (r^ , Fig. 1) aufweist, der nur wenig größer ist als der innere Radius (r.), wobei weiterhin der äußere Radius Cr) und der innere Radius (r^) in bezug auf den mittleren Abstand zwischen den Begrenzungswänden des Fluiddurchganges 21 sehr groß sind, wie es durch die Gleichung

festgelegt ist.

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Eine solche Ventilkonfiguration würde gewährleisten, daß die viskositätsabhängigen Terme des Fluids

G(B)
SinQ

in der Gleichung (1) und

² (sinQ) (D)

in der Gleichung (6) stark vorherrschen, so daß dadurch die erforderliche Fluiddurchfluß-Proportionalität gewährleistet wäre.

Wenn kein nennenswerter statischer Druckgradient in der Richtung der Strömung durch den Fluiddurchgang 21 vorhanden ist, wird die Konformität mit den Beziehungen für die laminare Strömung durch den Durchgang 21 gemäß Gleichung (1) und (6) gemäß den obigen Ausführungen auf die lokale Reynolds-Zahl der Strömung begrenzt, welche den Wert 7000 für eine zweidimensional e Strömung in einem geschlossenen Kanal nicht überschreitet, wobei die Reynolds-Zahl Re in entsprechenden Einheiten durch die folgende Beziehung definiert ist:

mit ρ und u gemäß den obigen Definitionen, h » lokale und kleinere Abmessung des Fluiddurchganges und U » lokale Fluidgeschwindigkeit.

Wenn ein wesentlicher abnehmender statischer Druckgradient (d. h. Gesamtdruck minus dynamischer Druck) in der Strömungsrichtung durch den Fluiddurchgang 21 vorhanden ist, wie er auftreten würde, wenn die Strömung in dem Durchgang beschleunigt

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wird, wenn der Strömungsquerschnitt in der Richtung der Fluidströmung kontinuierlich konvergiert, ist die Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung nicht auf Reynolds-Zahlen unterhalb von etwa 7000 begrenzt, wie im Fall der zweidimensionalen Parallelströmung, sondern kann auf wesentlich höhere Reynolds-Zahlen ausgedehnt werden, deren Größe von dem statischen Druckgradienten in der Richtung der Strömung zusätzlich zu den Eigenschaften der Störungen in der Strömung abhängt (d. h. Störungswellenlänge, -intensität usw.).

Wenn hingegen ein nennenswerter zunehmender statischer Druckgradient in der Strömungsrichtung durch den Strömungsdurchgang 21 vorhanden ist, wie es dann der Fall wäre, wenn die Strömung in dem Durchgang verzögert wird, wenn der Strömungsquerschnitt kontinuierlich in der Strömungsrichtung des Fluids divergiert, ist die Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung auf Reynolds-Zahlen wesentlich unterhalb von 7000 begrenzt, wie im Falle der zweidimensionalen Strömung in einem geschlossenen parallelen Kanal.

Bei der erfindungsgemäßen Fluiddurchfluß-Regelvorrichtung ist eine wesentliche und kontinuierliche Fluiddurchgangs-Querschnittsströmungsflächenverminderung in der Richtung der Fluidströmung vorteilhaft, weil eine solche Bereichsverminderung dazu führt, daß der Bereich der laminaren Strömung bzw. des Betriebes bei laminarer Strömung für die Ventileinrichtung wesentlich größer ist als derjenige einer Vorrichtung, bei welcher der Fluiddurchgangs-Querschnittsbereich im wesentlichen konstant ist.

Es ist jedoch ersichtlich, daß bei den Ausführungsformen der Vorrichtung, welche ähnlich aufgebaut sind wie die in den Fig. und 4 veranschaulichte Anordnung, die radiale Richtung der Fluidströmung nach außen erfolgen kann, wie es unten anhand der Fig. 22 erläutert wird, durch diese auswärts gerichtete Strömung

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wird jedoch der Bereich, für den Betrieb bei laminarer Strömung in "bezug auf den Bereich für eine radial nach innen verlaufende Strömxing wesentlich vermindert.

In den Fig. 5 und 6 ist eine Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses eines Fluids als Funktion des Druckabfalles an der Vorrichtung und zur Einstellung zumindest eines verstellbaren Teils der Vorrichtung veranschaulicht.

Die dargestellte Vorrichtung ist eine elementare Ausführungsform, welche eine Familie von Ventilkonfigurationen verkörpert, die nachfolgend als einstellbare Fluidventile bezeichnet werden, weil sie wenigstens ein flexibles Element haben, welches wenigstens einen Teil oder einen Abschnitt der Begrenzungswände des internen Fluiddurchganges bildet und welches verformt oder verlagert werden kann, und zwar mit Hilfe einer Einrichtung, die entweder extern oder intern in bezug auf die Vorrichtung betätigt werden kann.

Bei der Darstellung in den Fig. 5 und 6 werden ähnliche Teile wie in den Fig. 3 und 4 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und es wird auf die obige Beschreibung hingewiesen. Ein in seiner Gesamtheit mit 20 bezeichnetes zylindrisches Gehäuse ist mit einer kreisförmigen Abdeckplatte 35 und einer starren Bodenplatte 29 ausgestattet. Eine flexible Deckplatte 34· erstreckt sich über das Innere des Gehäuses 20. Eine innere Oberfläche der starren Bodenplatte 29 bildet eine der zwei Begrenzungswände eines ringförmigen Fluiddurchganges 33» der eine Geometrie hat, die ähnlich ist wie bei dem ringförmigen Fluiddurchgang 2 gemäß Fig. 2, wobei die Anordnung flach sein kann wie gemäß Fig. 6 oder sich linear verjüngen kann, so daß entweder eine konkave oder eine konvexe Begrenzungswand gebildet wird, was von den gewünschten Leistungseigenschaften abhängen kann. Die flexible scheibenförmige Platte 34, die Deckplatte 35 und die starre

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scheibenförmige Bodenplatte 29 sind mit Hilfe von Schrauben 31 fluiddicht miteinander verbunden und können gegebenenfalls durch (nicht dargestellte) Stifte miteinander verbunden sein, so daß die flexible scheibenförmige Platte 34 entlang ihrem Außenumfang starr gehalten ist und eine Dichtung zwischen der flexiblen scheibenförmigen Platte 34- und der starren scheibenförmigen Bodenplatte 29 gebildet ist. Eine Einrichtung zur Durchbiegung der flexiblen scheibenförmigen Platte 34- dient dazu, eine bestimmte Konfiguration des ringförmigen Fluiddurchganges 33 einzustellen, wie es anhand der Fig· 2 festgelegt ist, und zwar für den ringförmigen Fluiddurchgang 2. Die in der Fig. 6 dargestellte Durchbiegungseinrichtung ist eine Schraubenspindel, welche ein Gewindeelement 36 aufweist, das sich in einem mittleren, mit Innengewinde versehenen Ansatz 37 auf der kreisförmigen Deckplatte 35 drehen kann, wobei das Ende des Gewindeelementes 36 mit einem Vorsprung 38 in Berührung steht und sich auf diesem drehen kann, der in der Mitte angeordnet ist und einen Teil der flexiblen scheibenförmigen Platte 34 bildet. Das Schraubenelement 36 kann von Hand durch Drehung eines Griffes oder eines Rades 39 betätigt werden. Die Durchbiegung der flexiblen scheibenförmigen Platte 34- ist in einer Richtung mechanisch begrenzt, und zwar dadurch, daß ein zentraler Ringvorsprung 40 auf der Deckplatte 35 die Oberfläche des Ansatzes 38 auf der flexiblen scheibenförmigen Platte 34 berührt, und eine Begrenzung in der entgegengesetzten Richtung erfolgt entweder durch eine einstellbare Verriegelungsmutter 41, welche auf das mit Gewinde versehene Schraubenelement 36 aufgeschraubt ist und eine Schulter 42 des mit Innengewinde versehenen Ansatzes 37 auf der Abdeckplatte 35 berührt, oder durch den Anschlag der flexiblen scheibenförmigen Platte 34- bei einer Berührung der Oberfläche der starren Bodenplatte 29· Es ist ersichtlich, daß dann, wenn der Anschlag der flexiblen scheibenförmigen Platte aus einer Berührung dieses Elementes mit der starren scheibenförmigen Bodenplatte 29 gebildet ist, eine schmale ringförmige

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Fluiddichtung an oder in der Nähe von dem Auslaßbereich 28 des ringförmigen Fluiddurchganges 33 gebildet wird. Die Wirksamkeit dieser Dichtung zur Verhinderung des Leckes des Fluids von dem ringförmigen Fluiddurchgang 33 in das Auslaßrohr 27 hängt teilweise von der relativen Härte der zwei sich berührenden Oberflächen ab, weiterhin von der Größe der Kraft, welche auf die flexible scheibenförmige Platte 34 durch die Durchbiegungseinrichtung ausgeübt wird, und von der relativen Symmetrie um die Mittellinie der Vorrichtung, wenn die sich berührenden Teile zusammengebaut sind.

Es ist weiterhin ersichtlich, daß die Durchbiegungseinrichtung, welche Teile oder Baugruppen aufweist, die in der Fig. 6 mit 36, 37 und 39 bezeichnet sind, auch eine beliebige andere geeignete Kraft oder Verlagerungserzeugungseinrichtung sein kann, welche die flexible scheibenförmige Platte 34- der Vorrichtung in bezug auf die starre scheibenförmige Bodenplatte durchbiegt, so daß beispielsweise ein Hebel, eine Kombination aus verschiedenen Hebeln, ein Nocken, ein hydraulischer oder ein pneumatischer Kolben, eine unter Druck stehende Membran, eine elektrische Spule, eine Zahnstange und ein Ritzel, ein dem Raum 43 zugeführter Fluiddruck, welcher durch die Abdeckung 35 und die flexible scheibenförmige Platte 34 gebildet wird, und zwar durch den Einlaß 44, wenn er mit einer regelbaren Fluiddruckquelle verbunden ist, oder auch durch eine beliebige andere Einrichtung zur Erzeugung einer Verlagerung der flexiblen scheibenförmigen Platte 34 gebildet werden kann, wie es für den Fachmann bekannt ist.

Es ist zu bemerken, daß ein Teil oder die Gesamtheit der flexiblen scheibenförmigen Platte 34· aus einem dünnen Metallblech oder aus einem Plastikmaterial oder einem Laminat bestehen kann, welches im nicht-durchgebogenen Zustand entweder durch eine mechanische Verbiegungseinrichtung oder durch einen Fluiddruck innerhalb des ringförmigen Fluiddurchganges 33 oder des

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Baumes 4-J gemäß Fig. 6 flach ausgebildet sein kann oder eine entsprechende Krümmung oder Wölbung aufweisen kann, was von den Erfordernissen abhängt, um spezielle Betriebseigenschaften zu erreichen, wie sie anhand der Fig. 2 für den ringförmigen Fluiddurchgang 2 festgelegt sind.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die Vorrichtung gemäß Fig. 5 und 6 in einigen Ausführungsformen im Betrieb die Funktion eines normalerweise geöffneten, mit zwei öffnungen versehenen Zweiwege-Proportionalströmungssteuerventils aufweist, und es ist weiterhin zu bemerken, daß die Vorrichtung dazu in der Lage ist, diese Funktion in speziellen Fluidsystemanwendungen zu erfüllen.

Es ist weiterhin zu bemerken, daß die Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß Fig. 3 und 4- oder Fig. 5 und 6 keine Einrichtung enthalten, welche dazu dient, entweder den Fluiddruck in dem ringförmigen Fluidströmungsdurchgang der Vorrichtung oder die Ablenkung oder Dehnung der flexiblen scheibenförmigen Platte zu messen, und zwar im Gegensatz zu der Vorrichtung, welche in der kanadischen Patentanmeldung Fr. 195 776 (William F. Hayes, John W. Tanney und Helen G. Tucker) beschrieben ist, welche am 22. 3· 1974· unter dem Titel "Apparatus for Measuring the Flow Rate and/or viscous Characteristics of Fluids" von der Anmelderin hinterlegt wurde.

In den Fig. 7 und 8 sind grafische Darstellungen von experimentellen und theoretischen Betriebscharakteristiken einer Versuchsvorrichtung veranschaulicht, wenn Wasser (Fig. 7) als Beispiel einer im wesentlichen Newton'sehen und im wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit und wenn Luft (Fig. 8) als ein Beispiel eines im wesentlichen Newton'sehen und im wesentlichen kompressiblen Fluids als Versuchsfluide verwendet werden und wenn die Konfiguration der experimentellen Vorrichtung ähnlich ist wie

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die in den Fig. 5 "und 6 dargestellte Konfiguration und wenn der Betrieb der Versuchsvorrichtung anhand der in den Fig. 5 und 6 verwendeten Bezugszeichen erläutert wird. In den Fig. und 8 sind der Wassermassendurchfluß Gw und der Luftmassendurchfluß G^ über der äquivalenten Höhe χ (siehe Fig. 2) des ringförmigen Fluiddurchgänges 33 dargestellt, und zwar bei der Mittelsymmetrieachse ZZ (siehe Fig. 2) des Fluiddurchganges 33«

Der ringförmige Fluiddurchgang 33 der Versuchseinrichtung hatte einen Innenradius (r^) von 2,5**- mm (0,1"), einen Außenradius (r_Q) von 1,27 mm (0,5") und eine Durchgangshöhe (h_Q) des Außenradius (r_Q) von 0,13 mm (0,005"). Bei der Versuchsvorrichtung war die Durchbiegung der flexiblen scheibenförmigen Platte 34- mechanisch begrenzt durch die Berührung mit der flachen Oberfläche der Bodenplatte 29» welche die starre Begrenzungswand des ringförmigen Fluiddurchganges 33 bildete, so daß in dem Auslaßbereich 28 des ringförmigen Fluiddurchganges 33 eine ringförmige Dichtung gebildet wurde. Die flexible scheibenförmige Platte 34· wurde aus Nylon-Plastik hergestellt und die starre Bodenplatte 29 bestand aus gehärtetem Aluminium, bei der Versuchsvorrichtung, um eine wirksame Dichtung im Auslaßbereich 28 zu erreichen.

Die durchgezogenen Kurven in der grafischen Darstellung in der Fig. 7 sind die berechneten Ergebnisse für Wasser gemäß Gleichung (1), wie sie oben angegeben ist, für einen statischen Druckabfall (Δρ) am Fluiddurchgang 33 der Vorrichtung vom Einlaßbereich 25 zum Auslaßbereich 28 von (jeweils 1,76, 1,4-1, 1,05, 0,7 und 0,35 kp/cm² (25, 20, 15i 10 und 5 p.s.i.) und sind mit den Kurven 45, 46, 47, 48 bzw. 49 bezeichnet. Die experimentellen Ergebnisse für Wasser sind durch die zugehörigen Datenpunkte angegeben, wobei jede der fünf angegebenen statischen Druckdifferenzen (Δρ) an der Vorrichtung von dem

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Einlaßraum 22 zu dem Ausgang der !Rohrleitung 27 konstant gehalten wurde, während stufenweise die äquivalente Höhe χ des ringförmigen Fluiddurchganges gemäß Fig. 2 erhöht wurde und der Wasser-Massendurchfluß Gw gemessen wurde. Die experimentellen Datenpunkte für Wasser in der Fig. 7» welche den entsprechenden berechneten Ergebnissen der Kurven 45 bis 49 zugeordnet sind, sind durch geglättete, gestrichelte Kurven angegeben, die jeweils mit 50, 51» 52, 53 bzw. 54· bezeichnet sind.

Die durchgezogenen Kurven in der grafischen Darstellung gemäß Fig. 8 sind die berechneten Ergebnisse für Luft gemäß der Gleichung (6), wie sie oben angegeben ist, für einen statischen Druckabfall (Δρ) am Fluiddurchgang 33 der Vorrichtung vom Einlaßbereich 25 zum Auslaßbereich 28 von 1,05, 0,7 und 0,28 kp/cm² (15, 10 und 4 p.s.i.) und sind als Kurven 55, 56 bzw. 57 angegeben. Die experimentellen Ergebnisse für Luft sind durch die entsprechenden Datenpunkte angegeben, wobei jeweils die entsprechende statische Druckdifferenz (Δρ) an der Vorrichtung· vom Einlaßraum 22 zum Ausgang des Auslaßrohres 27 konstant gehalten wurde, während stufenweise die äquivalente Höhe (x) des ringformxgen Fluidströmungsdurchganges gemäß Fig. 2 erhöht wurde und der Luft-Massendurchfluß gemessen wurde. Die experimentellen Datenpunkte für Luft in der Fig. 8, welche den berechneten Ergebnissen der Kurven 55 bis 57 entsprechen, sind durch geglättete gestrichelte Kurven angegeben, welche mit 58, 59 bzw. 59a bezeichnet sind.

Es ist zu bemerken, daß dadurch, daß die experimentellen Daten für Wasser und für Luft auf die statische Druckdifferenz an der Vorrichtung vom Einlaßraum 22 zum Ausgang des Auslaßrohres 27 bezogen wurden, angenommen wurde, daß der dynamische oder der von der Fluidgeschwindigkeit abhängige Druck im Einlaßbereich 25 zum Fluiddurchgang 33 in bezug auf den statischen Druck im

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Einlaßraum 22 vernachlässigbar ist und daß der dynamische Fluiddruck im Auslaßbereich 28 des Fluiddurchganges 33 nicht mittels einer wirksamen Diffusion der Fluidströmung wieder aufgebaut wird, entweder innerhalb des Auslaßraumes 26 oder des Auslaßrohres 27, sondern innerhalb der Strömungsturbulenz vollständig abgebaut ist, welche stromabwärts vom Fluiddurchgang 33 auftritt.

Aus der Fig. 7 und aus der Fig. 8 ist ersichtlich, daß über einen wesentlichen Teil des Bereiches der äquivalenten Höhe (x) des ringförmigen Fluiddurchganges, die sich von Null an erstreckt, eine gute Korrelation über einen nennenswerten Bereich vorliegt und eine annehmbare Korrelation weiterhin über einen ausgedehnten Bereich vorhanden ist, und zwar zwischen den theoretischen und den expiermentellen Ergebnissen, und es ist weiterhin ersichtlich, daß eine angenäherte Proportionalität zwischen der äquivalenten Höhe des Fluiddurchganges (x) und sowohl dem Wasser-Massendurchfluß (Gw) und dem Luft-Massendurchfluß (G.) für eine vorgegebene konstante statische Druckdifferenz (Ap) an der Vorrichtung gegeben ist. Solch eine Proportionalitätsbeziehung ist in der Praxis insbesondere in zahlreichen Anwendungsfällen nützlich, wie sie dem Fachmann bekannt sind, wo die Linearität eines Fluidventils in Beaktion auf seine externe Einstellung eine Leistungsbedingung ist.

Weiterhin zeigt das aus den Fig. 7 und 8 ersichtliche Maß der Korrelation, daß in der Praxis der dynamische Fluiddruck im Einlaßbereich 25 des Fluiddurchganges 33 in bezug auf den statischen Druck im Einlaßbereich 22 vernachlässigbar ist und daß der dynamische Fluiddruck im Auslaßbereich 28 vom Fluiddurchgang 33 in weitem Umfang durch die Fluidviskositätseffekte innerhalb des Auslaßraumes 26 und des Auslaßrohres 27 abgebaut ist.

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Weiterhin bestätigt das aus den Fig. 7 und 8 ersichtliche Maß an Korrelation, daß in der Praxis die Vorrichtung einen Fluiddurchfluß aufweist, welcher von dem statischen Druckabfall und der einstellbaren Fluiddurchgangsgeometrie abhängt, was sich analytisch vorhersagen läßt, indem die Gleichung (1) und die Gleichung (6) ausgewertet werden, vorausgesetzt, daß die Bedingungen i) bis iii) erfüllt sind, wie sie oben angegeben sind, was für die Leistungsvoraussage der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Torrichtung gemäß Fig. 1, 5 und gilt.

Die experimentelle einstellbare Ventilvorrichtung hat den ringförmigen Fluiddurchgang 21 vollständig abgedichtet, und zwar im Auslaßbereich 28, wenn die flexible scheibenförmige Platte 34 durchgebogen wurde, so daß eine Begrenzung bzw. Einschränkung durch Berührung mit der Oberfläche der starren scheibenförmigen Bodenplatte 29 gegeben war, wie es in der Fig. 7 durch den Vasserdurchfluß Null und in der Fig. 8 durch den Luftdurchfluß Null bei einer äquivalenten Strömungsdurchgangshöhe (x) von Null veranschaulicht ist.

Die speziellen Vorteile, welche sich mit der erfindungsgemäßen Einrichtung im Vergleich zu vielen bekannten Einrichtungen zur Durchführung derselben Funktion der Regelung des Durchflusses eines Fluids erreichen lassen, sind außerordentlich bedeutsam. Einige dieser Vorteile, welche aus der obigen Beschreibung der zwei erfindungsgemäßen Ausführungsformen hervorgehen und welche durch die nachfolgende Beschreibung noch näher erläutert werden, die sich auf weitere Ausführungsformen bezieht, sind nachfolgend angegeben:

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1. Wirtschaftliche Herstellung in kleinen oder großen Stückzahlen im Vergleich zu bekannten Typen von Fluid-Durchfluß-Eegeleinrichtungen, welche entsprechende Eigenschaften haben, da die Konfiguration grundsätzlich einfach ist, da alle wesentlichen geometrischen Eigenschaften der Bauteile axial-symmetrisch sind, da die Anzahl von kritischen Dimensionstoleranzen minimal ist und da alle Bauteile leicht durch entsprechend gut entwickelte Herstellungstechniken mit einem Minimum an Kosten durchführbar ist.

2. Leichtes Zerlegen und Zusammenbauen des ringförmigen Fluiddurchganges, so daß die Inspektion, die Reinigung und die Wartung erleichtert werden.

3. Unempfindlichkeit gegen Verunreinigung des Strömungsdurchganges für das Fluid durch feste Stoffe und insbesondere Unempfindlichkeit gegen Verunreinigung durch fasriges Material.

4. Vernachlässigbare Hysteresis bei nicht-vorhandener Gleitreibung im lalle von einstellbaren Ausführungsformen, da die einzige Hysteresis von der Umkehr der elastischen Verformung des flexiblen scheibenförmigen Plattenelementes der Vorrichtung herrührt·

5. Ausdehnung der Fluidströmungssteuerung im Falle von einstellbaren Ausführungsformen mit einer flexiblen scheibenförmigen Platte bis zu einem Durchfluß von Null, ohne daß nennenswerte Fluidleckverluste auftreten, ohne daß besonders enge Herstellungstoleranzen erforderlich wären, wobei es sich hierbei um ein Merkmal handelt, welches insbesondere dann besonders vorteilhaft ist, wenn das Arbeitsfluid ein Gas unter hohem Druck ist.

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6. Eine Fluidturbulenz, welche in dem Einlaßraum vorhanden sein kann, wird im wesentlichen in dem ringförmigen Fluiddurchgang eliminiert, und zwar aufgrund der mit dieser Konstruktion verbundenen Kauschunterdrückungseigenschaft der beschleunigenden laminaren Strömung.

7. Möglichkeit zur Erreichung eines sehr raschen dynamischen Ansprechens im Falle von einstellbaren Ausführungsformen, da die Masse und die maximale Auslenkung der flexiblen scheibenförmigen Platte der Vorrichtung derart dimensioniert sein kann, daß sie außerordentlich gering ist.

8. Möglichkeit zur Erreichung einer gut angenäherten Proportionalität zwischen der Durchbiegung der flexiblen scheibenförmigen Platte und dem Durchfluß des Fluids durch die Vorrichtung über einen ausgedehnten Durchflußbereich im Falle von einstellbaren Ausführungsformen mittels geeigneter Auswahl der Abmessungen, welche den ringförmigen Fluiddurchgang festlegen.

9. Möglichkeit zur Erreichung einer vorgegebenen Druckabfall/ Durchfluß-Beziehung im Falle von nicht-einste Ibaren Ausfuhrungsformen, welche wahlweise gegebenenfalls zum oder vom atmosphärischen Druck liegen kann, und zwar über den ringförmigen Fluiddurchgang, durch geeignete Auswahl der Abmessungen, welche den ringförmigen Fluiddurchgang festlegen.

10. Möglichkeit der theoretischen Ableitung der Betriebseigenschaften für stetigen Betriebszustand oder der übertragungsfunktion direkt aus der Geometrie der Vorrichtung für ein vorgegebenes Betriebsfluid, ohne auf empirische oder experimentelle Parameter oder Daten zurückgreifen zu müssen, wo solche Übertragungsfunktionen in realistischer Weise in Sxmulationsstudien für Fluidsysteme verwendet werden können, um die Arbeitsweise der Vorrichtung zu veranschaulichen oder zu untersuchen.

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Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist in der E¹Xg. 9 dargestellt, in welcher ähnliche Teile wie in den Fig. 5 und 6 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind und wobei auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. In der Fig. 9 ist ein Querschnitt einer einstellbaren Fluidströmungs-Ventilvorrichtung veranschaulicht, welche ein zylindrisches Gehäuse hat, das in seiner Gesamtheit mit 20 bezeichnet ist, welche weiterhin eine schwimmende starre kreisförmige Scheibe 60 aufweist, die an dem Gehäuse 20 fluiddicht mit Hilfe eines steifen Balges 61 angebracht ist, der eine reproduzierbare und reversible lineare Last/Verlagerungs-Charakteristik aufweist. Das Gehäuse 20 weist eine kreisförmige obere Deckplatte 62 und eine scheibenförmige starre Bodenplatte 29 auf. Die Deckplatte 62 und die Bodenplatte 29 sind starr aneinander befestigt und fluiddicht um ihren äußeren Umfangsberührungsbereich mit Hilfe von Schrauben 31 befestigt, und sie können gegebenenfalls durch (nicht dargestellte) Stifte befestigt sein. Der steife Balg 61 ist an der schwimmenden Scheibe 60 angebracht und an der Deckplatte 62, und zwar an seinen beiden Enden, wobei die Befestigung mit Hilfe von geeigneten Befestigungsmitteln erfolgt, beispielsweise mit Hilfe von Klebstoffen, Meten, Schrauben, Verschweißungen, Lötungen usw., so daß eine seitliche Bewegung der schwimmenden Scheibe 60 in bezug auf die Bodenplatte 29 verhindert ist, während gegen eine Federkraft eine vertikale Bewegung der schwimmenden Scheibe 60 entlang der Symmetrieachse der Vorrichtung möglich ist.

Die schwimmende Scheibe 60 ist in vertikaler Sichtung in bezug auf die Bodenplatte 29 verschiebbar, so daß die Höhe des ringförmigen Fluxddurchganges 33 verändert werden kann, und dies erfolgt vorzugsweise dadurch, daß ein Fluid unter Druck aus einer geeigneten (nicht dargestellten) Quelle durch einen Einlaß 63 in den Raum 64 eingeführt wird, welcher durch die schwimmende Scheibe 60, die Abdeckplatte 62 und den Balg 61 gebildet

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ist. Es ist zu bemerken, daß eine andere Einrichtung zur Verlagerung der schwimmenden Scheibe 60 verwendet werden könnte, beispielsweise eine Schraubenspindeleinrichtung gemäß Fig. 6 oder eine beliebige andere geeignete Einrichtung, unter der Voraussetzung, daß eine solche Einrichtung eine Kraft auf die schwimmende Scheibe ausübt, welche in bezug auf die Mittellinie der Vorrichtung symmetrisch ist.

Eine Bewegung der schwimmenden Scheibe 60 ist mechanisch in einer Richtung durch die Begrenzung des mittleren Eingansatzes 65 auf der Abdeckplatte 62 begrenzt, indem es zu einer Berührung der flachen Oberfläche der schwimmenden Scheibe 60 kommt, und die Bewegung ist mechanisch in der entgegengesetzten Richtung durch die Begrenzung der starren Bodenplatte 29 begrenzt, welche die sich verjüngende Fläche der schwimmenden Scheibe 60 berührt. In der Fig. 9 ist die Oberfläche der starren Bodenscheibenplatte 29j welche eine Begrenzungswand des ringförmigen Fluiddurchganges 33 bildet, flach dargestellt, während die Oberfläche der schwimmenden Scheibe 60, welche die andere Fluiddurchgangsbegrenzungswand darstellt, als ein sich linear verjüngendes Teil darstellt, so daß eine schmale ringförmige Dichtung im Auslaßbereich 28 des ringförmigen Fluiddurchganges 33 gebildet wird, wenn die Bewegung der schwimmenden Scheibe durch Berührung mit der Bodenplatte 29 begrenzt wird. Es ist jedoch zu bemerken, daß entweder die eine oder beide der Begrenzungswände des ringförmigen Fluiddurchgangs 33 sich verjüngen oder eine andere geeignete Kontur haben können, wie es im Hinblick auf spezielle Betriebseigenschaften erforderlich ist, während im Einlaßbereich 25, im Auslaßbereich 28 oder innerhalb des ringförmigen Fluiddurchganges 33 ein FluiddürchgangverSchluß gebildet wird, wenn der erforderliche Fluiddurchflußbereich sich bis auf Hull erstreckt.

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Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist in der Fig. 10 veranschaulicht, in welcher ähnliche Teile wie in den Fig. 5 und 6 durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind und wobei auf die obige Beschreibung hingewiesen wird. In der Fig. 10 ist der Querschnitt einer Ventilvorrichtung mit einstellbarem Fluiddurchfluß dargestellt, welche ein in seiner Gesamtheit mit 20 bezeichnetes Gehäuse aufweist, das eine obere Deckplatte 71 und eine untere Deckplatte 73 aufweist. Das zylindrische Gehäuse enthält eine obere flexible scheibenförmige Platte 70 und eine untere flexible scheibenförmige Platte 72. Die obere flexible scheibenförmige Platte 70 ist starr in fluiddichter Weise um ihren Umfangsbereich herum mit der oberen Deckplatte 71 verbunden, und in ähnlicher Weise ist die untere flexible scheibenförmige Platte 72 starr in einer fluiddichten Weise um ihren Umfangsbereich herum mit der unteren Abdeckplatte 73 verbunden, und zwar mit Hilfe von Schrauben 74· und gegebenenfalls mit Hilfe von (nicht dargestellten) Stiften, so daß eine Dichtung zwischen den miteinander verbundenen Teilen gewährleistet ist. Die obere Deckplatte 71 und die untere Deckplatte 73 sind fluiddicht in ihren Umfangsbereichen mit Hilfe von Schrauben 31 aneinander befestigt. Die relative An~ Ordnung der oberen und der unteren flexiblen scheibenförmigen Platte 70 bzw. 72 und der oberen bzw. unteren Abdeckplatte 71 bzw. 73 bestimmt den Fluideinlaßraum 22 und zugleich den ringförmigen Fluiddurchgang 33- Eine Einrichtung zur unabhängigen Durchbiegung der oberen bzw. der unteren flexiblen scheibenförmigen Platte 70 bzw. 72 ist vorgesehen, um eine bestimmte Konfiguration des ringförmigen Fluiddurchganges 33 zu erreichen. Zwei unabhängige Durchbiegungseinrichtungen, wie sie in der Fig. 10 dargestellt sind, welche ähnlich aufgebaut sind wie die Durchbiegungseinrichtungen gemäß Fig. 6, mit der Ausnahme, daß das Schraubenelement 75? welches die untere flexible scheibenförmige Platte 72 durchbiegt einen Fluiddurchgang in der Form eines internen Endraumes 76 hat, und Queröffnungen 77»

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damit Fluid aus der Vorrichtung aus dem Auslaßbereich 28 des ringförmigen Fluiddurchganges 33 entweichen kann, und zwar über eine zentrale Bohrung 78 in der unteren flexiblen scheibenförmigen Platte 72, sind derart aufgebaut, daß dieser Schraubenendraum 76 und die Queröffnungen 77 sowie ein Auslaßhohlraum 79 und ein Verbindungsauslaßrohr 80 ebenfalls vorhanden sind.

Es ist zu bemerken, daß unter der Voraussetzung, daß die Durchbiegung jeder der flexiblen scheibenförmigen Platten 70 bzw. 72 mechanisch durch eine Berührung zwischen diesen Platten begrenzt ist, anstatt durch eine einstellbare Verriegelungsmutter 41, welche eine Schulter 42 berührt, wie es anhand der Fig. 6 beschrieben wurde, eine Fluiddichtung am Auslaßbereich 28 des ringförmigen Fluiddurchganges 33 gebildet ist.

Weiterhin ist zu bemerken, daß die zwei unabhängigen Durchbiegungseinrichtungen gemäß Fig. 10 auch eine andere Einrichtung zur Erzeugung einer axialen Verlagerung der flexiblen Elemente sein könnten, vorausgesetzt, daß eine solche Einrichtung das Entweichen des Fluids aus dem Auslaßbereich 28 des ringförmigen Fluiddurchganges 33 über einen im wesentlichen ungehinderten Strömungsweg gestattet.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die in der Fig. 10 veranschaulichte Vorrichtung in einigen Ausführungsformen die Betriebseigenschaften eines mit zwei öffnungen versehenen, normalerweise offenen Zweiwege-Proportionalströmungssteuerventils hat, wobei ein Differentialeingang gebildet ist, in dem zwei unabhängige Einrichtungen zur Steuerung der Geometrie des einzigen ringförmigen Fluiddurchgangs 33 vorhanden sind, so daß die Fluidströmungscharakteristik des Ventils entweder auf die Differenz oder die Summe der zwei Steuereingänge anspricht .

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Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist in der Fig. 11 dargestellt, in welcher ein Schnitt einer einstellbaren Fluidurchfluß-Ventileinrichtung veranschaulicht ist, welche ähnlich aufgebaut ist wie die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Anordnung mit der Ausnahme, daß zwei ringförmige Fluiddurchgänge 86 und 87 vorhanden sind, von denen (jeder eine Geometrie hat, die ähnlich ist wie bei dem ringförmigen Fluiddurchgang 2 gemäß Fig. 2, wobei eine Begrenzungswand jedes ringförmigen Fluiddurchganges 86 bzw. 87 durch eine gemeinsame flexible scheibenförmige Platte 101 gebildet ist und die andere Begrenzungswand jedes Durchganges 86 bzw. durch starre scheibenförmige Platten 100 bzw. 102 jeweils gebildet ist.

Die Vorrichtung besteht aus einem in seiner Gesamtheit mit 85 bezeichneten Gehäuse, welches die zwei ringförmigen Fluiddurchgänge 86 und 87 aufweist, welches weiterhin zwei im ümfangsbereich angeordnete ringförmige Fluideinlaßräume 88 und 89 hat, von denen jeder einen oder mehrere Einlaßanschlüsse hat, von denen nur einer für jeden Einlaßraum dargestellt und mit 90 bzw. 91 bezeichnet ist, um einen Anschluß an getrennte Quellen eines Druekfluids 92 und 93 herzustellen, so daß im wesentlichen ungehinderte und getrennte ßtrömungswege für das Fluid gebildet werden, welches radial nach innen zu dem gesamten äußeren Ümfangsbereich der Einlaßbereiche 94· und 95 der zwei ringförmigen Fluiddurchgänge 86 und 87 strömt, wobei weiterhin zwei mittlere Fluidauslaßrohre 96 und 97 vorhanden sind,- welche im wesentlichen ungehinderte und getrennte Strömungswege für das Fluid bilden, welches von den gesamten inneren ümfangsauslaßbereichen 98 und 99 der zwei ringförmigen Fluiddurchgänge 86 und 87 radial nach innen strömt. Das zylindrische Gehäuse 85 weist eine obere Deckplatte 100 sowie eine

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untere Deckplatte 102 auf. Die Platten 100 und 102 sowie die flexible scheibenförmige Platte 101 sind dicht miteinander verbunden und fluiddicht um ihren Außenumfang mit Hilfe von Schrauben 105 abgedichtet, und die Befestigung kann gegebenenfalls durch (nicht dargestellte) geeignete Stifte erfolgen, so daß die Einlaßräume 88 und 89 festgelegt werden sowie die ringförmigen Fluiddurchgänge 86 und 87, und wobei weiterhin eine Fluiddichtung zwischen der flexiblen scheibenförmigen Platte 101 und jeder der Abdeckplatten 100 und 102 gebildet werden. Eine Einrichtung zur Durchbiegung der flexiblen scheibenförmigen Platte 101 ist vorhanden, um bestimmte und unabhängige Konfigurationen der ringförmigen Fluiddurchgänge 86 und 87 zu gewährleisten. Die in der Fig. 11 veranschaulichte Durchbiegungseinrichtung weist eine Verlagerungserzeugungseinrichtung 104 auf, welche extern in bezug auf das Gehäuse 85 angeordnet ist, und einen Betätigungsstift 105, welcher die Verlagerungseinrichtung 104 mit der flexiblen scheibenförmigen Platte 101 verbindet. Der Betätigungsstift 105 ist in der Hitte der flexiblen scheibenförmigen Platte 101 angebracht, und zwar durch eine Einrichtung wie aus Schultern 105a gebildeten Ansätzen, und er ist gleitbar an jedem Ende durch dicht sitzende öffnungen 106 und 107 in Ansätzen an den Deckplatten 100 und 102 geführt. Es ist zu bemerken, daß der Betätigungsstift im Hinblick auf einen leichten Zusammenbau in zwei Teile gegliedert sein kann, welche an den Schultern 105a zusammengeschraubt sind, und zwar durch eine mittlere öffnung in der flexiblen scheibenförmigen Platte 101, um die flexible scheibenförmige Platte 101 zwischen den Schultern 105a festzuklemmen. Es ist ersichtlich, daß die Verlagerungserzeugungseinrichtung 104 eine ähnliche Schraubenspindel wie in der Fig. oder in der Fig. 10 sein kann oder auch eine beliebige andere Verlagerungserzeugungseinrichtung sein kann, wie es dem Fachmann an sich bekannt ist.

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Aus den Betriebseigenschaften gemäß Fig. 7 und 8 für eine einstellbare, einzelne, ringförmig ausgebildete Fluiddurchgangs-Ventileinrichtung gemäß Fig. 5 und 6 ist zu entnehmen, daß jeder der zwei Ausgänge der Vorrichtung gemäß Fig. 11 annähernd lineare Eigenschaften zeigt, ausgedrückt in einer Durchflußabhängigkeit von der Verlagerung des flexiblen Elementes über einen ausgedehnten Durchflußbereich, und daß weiterhin die Eigenschaft eines Ausganges positiv ist (der Durchfluß nimmt mit zunehmender Verlagerung zu), während die Charakteristik des anderen Ausganges negativ ist (der Durchfluß nimmt mit zunehmender Verlagerung ab). Es ist auch ersichtlich, daß, unter der Voraussetzung, daß die Geometrie der gesamten Anordnung der zwei getrennten internen Fluiddurchgänge 86 und 87 von den Fluidquellen 92 und 93 zu den Fluidausgängen 96 "und 97 bei der Vorrichtung im wesentlichen identisch ist, wenn die flexible scheibenförmige Platte 101 derart zentriert ist, daß die Höhe jedes ringförmigen Durchganges und 87 in den Auslaßbereichen 98 bzw. 99 gleich ist, wobei weiterhin vorausgesetzt ist, daß die zwei Fluidquellen 92 und 93 im wesentlichen in bezug auf den Fluidtyp und den Fluiddruck identisch sind, die Eigenschaft jedes der Ausgänge, wie er oben beschrieben ist, derart beschaffen ist, daß zwar die gleiche Größe, jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen vorliegt«

Es ist ersichtlich, daß unter der Voraussetzung, daß die Durchbiegung der flexiblen scheibenförmigen Platte 101 mechanisch durch Berührung mit den Deckplatten 100 und 102 begrenzt ist, wie es anhand der Vorrichtung gemäß Fig. 6 beschrieben wurde, eine Fluiddichtung am Auslaßbereich 98 oder am Auslaßbereich 99 des ringförmigen Fluiddurchganges 86 bzw. 87 gebildet werden kann.

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Der Fachmann wird "bemerken, daß "bei der in der Fig. 11 veranschaulichten Vorrichtung eine Funktion erreicht werden kann, die einem mit drei öffnungen ausgestatteten Dreiwege-Proportional Strömungsventil entspricht, vorausgesetzt, daß die Fluidquelle, welche den Umfangseinlaßraum für einen der zwei ringförmigen Fluiddurchgänge versorgt, durch einen im wesentlichen ungehinderten Fluidströmungskanal ersetzt wird, welcher mit dem Auslaßrohr von dem anderen ringförmigen Fluiddurchgang verbunden wird, wobei weiterhin vorausgesetzt wird, daß ein zusätzliches Rohr vorgesehen wird, und zwar in dem Fluidverbindungsströmungskanal für die Strömung des Fluids zu oder von dem Verbindungsfluidströmungskanal.

Eine solche Dreiwege-Ventilkonfiguration ist in der Fig. 12 dargestellt, in welcher ähnliche Teile wie in der Fig. 11 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind und wozu auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. In der Fig. 12 ist ein Fluidströmungskanal 110 an einem Ende an das Auslaßrohr 97 wit Hilfe von Schrauben 112 angeschlossen und dort abgedichtet, und sein anderes Ende ist an den Einlaßanschluß 90 angeschlossen, welcher mit einem am Umfang angeordneten, ringförmigen Fluideinlaßraum 88 mit Hilfe von Schrauben verbunden ist, von denen eine dargestellt und mit 113 bezeichnet ist. In der Fig. 12 ist eine öffnung 111 mit dem Fluidströmungskanal 110 verbunden, um eine Strömung des Fluids zu oder von dem Fluidströmungskanal 110 zu ermöglichen.

Im Betrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 12 ist die öffnung 111 mit einer geeigneten (nicht dargestellten) Lasteinrichtung verbunden, beispielsweise mit einer Seite eines federbelasteten linearen Kolbenbetätigers, und das Auslaßrohr 96 ist derart angeordnet, daß es Fluid auf einen Umgebungsbezugsdruck abgibt, beispielsweise in einen (nicht dargestellten) Speichertank, im Falle einer Flüssigkeit, oder in die Atmosphäre,

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wenn Luft oder ein andere expandierbares Gas verwendet wird· Fluid von der unter Druck stehenden Fluidquelle 93 strömt in den Fluideinlaßraum 89, radial nach innen entlang dem ringförmigen Fluiddurchgang 87, aus dem ringförmigen Fluiddurchgang 87 über das Auslaßrohr 97 heraus, welches an den Strömungskanal 110 angeschlossen ist, und zwar in die an die öffnung 111 angeschlossene Lasteinrichtung hinein oder aus derselben heraus, in den Fluideinlaßraum 88, radial nach innen entlang dem ringförmigen Fluiddurchgang 86 und über das Auslaßrohr aus der Vorrichtung heraus. Demgemäß ändert die Bewegung der flexiblen scheibenförmigen Platte 110 mit Hilfe der Verlagerungseinrichtung 104 den Druckabfall an jedem der zwei ringförmigen Fluiddurchgänge 86 und 87, und zwar gemäß der oben anhand der Fig. 11 beschriebenen Wechselwirkung, so daß der Druck, welcher an die Lasteinrichtung geliefert wird, welche an die öffnung 111 angeschlossen ist, zwischen den Grenzen des Fluidquellendruckes und des Fluidausgangs-Abgabedruckes veränderlich ist, wobei die Druckgrenzen dem Verschließen von entweder dem ringförmigen Fluiddurchgang 86 bzw. dem ringförmigen Fluiddurchgang 87 entsprechen.

Es ist ersichtlich, daß die in der Fig. Λ2 veranschaulichte Vorrichtung Betriebseigenschaften aufweist, welche ähnlich sind wie diejenigen eines unterlappten Dreiwege-Tellerventils, wie es in vielen Standardwerken über Fluidleistungsventile und Fluidservoventile beschrieben ist, beispielsweise auf der Seite 69 des Textes von D. McEloy und H, E. Martin, unter dem Titel "The Control of Fluid Power", herausgegeben von Longman, 1973· In diesem Zusammenhang wird offensichtlich, daß die in der Fig. 12 dargestellte Vorrichtung einen endlichen HuIl-Leck-Fluiddurchfluß des analogen, unterlappten Spulenventils bzw. Tellerventils aufweist, indem eine kontinuierliche Strömung

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des Fluids aus der Quelle 93 zu dem Austrittsauslaß 96 erforderlich ist, um einen stetigen Druck zwischen den Grenzen des Einlaßquellendruckes und des Auslaßabgabedruckes an der öffnung 111 aufrecht zu erhalten, welche mit der Lasteinrichtung verbunden ist, wie es sich aus der Anwendung der Gleichungen (1) oder (6) oben ergibt, und zwar bei Anwendung auf eine Dreiwege-Ventilausführung gemäß Fig. 12.

Weiterhin ist zu bemerken, daß zwei Dreiwege-Ventile, welche jeweils der in der Fig. 12 dargestellten Ausführungsform entsprechen, miteinander verbunden werden können, und zwar mit Hilfe von geeigneten Fluidströmungskanälen oder -rohren, so daß sie als ein einzelnes, mit vier öffnungen ausgestattetes Vierwege-Proportionalventil arbeiten, welches Betriebseigenschaften aufweist, die sich aus den für das Dreiwege-Ventil oben beschriebenen Eigenschaften ergeben.

In der Fig. 13 ist ein Seitenschnitt einer ähnlichen Ausführungsform wie in den Fig. 3 und 4- veranschaulicht, wobei ähnliche Teile wie in den Fig. 3 und 4- mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Im Hinblick auf die Erläuterung dieser Anordnung wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen. In der Fig. 13 ist zusätzlich eine Verschlußeinrichtung dargestellt, welche einen konischen Stopfen 130 verwendet, der auf dem Ende einer Stützwelle 131 angebracht ist, wobei weiterhin ein Ventilsitz 132 im Auslaßdurchgang 135 und ein Verbindungsauslaßrohr 133 vorhanden sind, welche die Möglichkeit bieten, daß das Fluid aus der Vorrichtung entweichen kann. Eine Haltewelle 131 für den Stopfen 130 ist gleitbar in einer Bohrung 134- gelagert und geführt, und zwar in einem Ansatz 29a an der scheibenförmigen Platte 29, welche den Auslaßdurchgang 135 und das Auslaßrohr 133 festlegt, und die Welle ißt in Längsrichtung entlang der Achse der öffnung 134- frei verschiebbar.

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Ein öffnen der Verschlußeinrichtung durch eine geeignete Längsbewegung der Welle 131 und des Stopfens 130 in bezug auf die scheibenförmige Bodenplatte 29 ermöglicht, daß Fluid von dem schmalen ringförmigen Durchgang 21 aus der Vorrichtung durch den Auslaß 133 austreten kann, und zwar durch den ringförmigen Spalt, der auf diese Weise zwischen der konischen Oberfläche des Stopfens 130 und dem Ventilsitz 132 gebildet ist» Ein Schließen der Verschlußeinrichtung durch eine geeignete Längsbewegung der Welle 131 und des zugehörigen Stopfens 130 verhindert, daß Fluid innerhalb des ringförmigen Fluiddurchganges 21 aus der Vorrichtung durch den Auslaß 133 entweichen kann, indem der Stopfen I30 fest auf den Ventilsitz 132 gedruckt wird. Eine Zwischenstellung des Stopfens 13O zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand, wie sie oben beschrieben wurden, bewirkt eine Zwischendrosselsteuerung für die Fluidströmung durch die Vorrichtung.

In den Fig. 14 und 15 ist teilweise jeweils in einem senkrechten Radialquerschnitt eine Ausführungsform der Vorrichtung veranschaulicht, welche den Vorrichtungen gemäß Fig. 3 und 4 entspricht, wobei ähnliche Teile wie in den Fig. 3 und 4 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind und wobei weiterhin auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird.

In den Fig. 14 und 15 ist ein zylindrischer Stopfen 140 innerhalb des Auslaßrohres 2? derart angeordnet, daß die Stopfenmittellinie senkrecht zu der Auslaßrohrmittellinie angeordnet ist. Ein kreisförmiger Durchgang 141 mit im wesentlichen demselben Innendurchmesser wie beim Auslaßrohr 27 ist derart im Stopfen 140 angeordnet, daß dann, wenn der Stopfen mit Hilfe einer Welle 142 gedreht wird, der Durchgang 141 mit der Bohrung des Auslaßrohres 27 fluchtet, wie es in den Fig. 14 und 15 veranschaulicht ist, so daß ein im wesentlichen ungehinderter

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Fluiddurchgang für das Entweichen des Fluids aus der Vorrichtung gebildet ist. Es ist aus den Fig. 14 und 15 ersichtlich, daß eine 9O°-Drehung des Stopfens 140 das Auslaßrohr 27 verschließt. Eine Zwischenstellung des Stopfens 140 durch eine geeignete Drehung mit Hilfe der Welle 142 zwischen der geöffneten Stellung gemäß Fig. 14 und 15 und der geschlossenen Stellung liefert eine Zwischendrosselsteuerung der Fluidströmung durch die Vorrichtung.

Es ist ersichtlich, daß die Fluidströmungs-Verschlußeinrichtung in ihrem mechanischen Aufbau innerhalb des Auslaßrohres 27 ein Tellerventil gemäß Fig. 13 sein kann, wobei jedoch auch ein zylindrisches Stopfenventil gemäß Fig. 14 und 15 verwendbar ist oder wobei ein beliebiger anderer geeigneter Typ eines Proportional- oder Inkremental-Fluidventils verwendbar wäre.

Weiterhin ist ersichtlich, daß eine solche mechanische Verschlußeinrichtung in dem Auslaßrohr der Vorrichtung gemäß Fig. 13 und gemäß den Darstellungen in den Fig. 14 und 15 angeordnet sein kann oder auch in dem Einlaßrohr der Vorrichtung angeordnet sein könnte, und zwar zwischen der Fluidquelle und dem ringförmigen Umfangseinlaßraum, oder es könnte eine entsprechende Verschlußeinrichtung auch zwischen dem ringförmigen Fluiddurchgang und dem Auslaßrohr angeordnet sein.

In der Fig. 16 ist beispielsweise eine Tellerventil-Verschlußeinrichtung dargestellt, welche in dem Auslaßhohlraum zwischen dem ringförmigen Fluiddurchgang 21 und dem Auslaßrohr 27 bei einer nicht-einstellbaren Ausführungsform der Erfindung angeordnet ist, ähnlich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4. In der Fig. 16 sind ähnliche Teile wie in den Fig. 3 und mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und auf die obige

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Beschreibung wird hingewiesen. Die mechanische Verschlußeinrichtung ist in einem Auslaßhohlraum 26 angeordnet und weist einen zylindrischen Stopfen 145 mit einem auf der Stirnseite angeordneten konischen Sitz 146 auf, der auf dem Ende einer Haltewelle 147 angebracht ist, und bildet eine Dichtung mit der Fluidströmungsdurchgangs-Begrenzungswand, welche durch die starre scheibenförmige Bodenplatte 29 am Auslaßende 28 des ringförmigen Fluiddurchganges 21 festgelegt ist. Der Stopfen 145 und die Haltewelle 147 sind in Bohrungen 148 und 149 jeweils in einem Ansatzvorsprung 150 angeordnet und geführt, welcher an der starren scheibenförmigen Deckplatte 30 angeordnet ist. Eine geeignete Fluiddichtung wie ein 0-fiing 151 verhindert, daß Fluid aus der Vorrichtung zwischen dem Stopfen 145 und der Bohrung 148 über die öffnung 152 austreten kann. Ein öffnen der Verschlußeinrichtung wird durch eine Längsbewegung der Welle 147 und des daran angebrachten Stopfens 145 in bezug auf die scheibenförmige Bodenplatte 29 bewirkt, und dadurch kann Fluid aus dem ringförmigen Fluiddurchgang austreten, um aus der Vorrichtung durch das Auslaßrohr 27 über den somit zwischen dem konischen Ende 146 des Stopfens 145 und dem Sitz gebildeten Spalt auszutreten, welcher durch den Schnitt zwischen dem ringförmigen Fluiddurchgang 21 und dem Auslaßrohr 27 gebildet ist. Ein Schließen der Auslaßraum-Verschlußeinrichtung durch eine entsprechende Längsbewegung der Welle 147 und des daran angebrachten Stopfens 145 verhindert, daß Fluid in dem ringförmigen Fluiddurchgang 21 aus der Vorrichtung durch den Auslaß 27 austreten kann. Eine Zwischenstellung des Stopfens 145 zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand, wie sie oben beschrieben wurden, liefert eine Zwischendrosselsteuerung der Fluidströmung durch die Vorrichtung.

Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist in der Fig, 17 dargestellt, in welcher ähnliche Teile wie in

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den Fig. 5 und 6 mit denselben Bezugszexchen bezeichnet sind, und es wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen.

In der Fig. 17 ist in einem radialen Teilquerschnitt eine ähnliche Vorrichtung wie in der Fig. 6 dargestellt, mit der Ausnahme, daß eine mechanische Verschlußeinrichtung vorhanden ist, welche einen konusförmigen Ansatz 160 aufweist, der in der Mitte auf der Unterseite des flexiblen Elementes 34- angebracht ist, wobei weiterhin ein entsprechend geformter Sitz 161 vorgesehen ist, welcher im Schnitt der inneren FluidstrÖmungs-Begrenzungswände angeordnet ist, der zwischen dem Auslaßbereich 28 des ringförmigen Fluiddurchganges 33 "und dem Eingang in das Auslaßrohr 27 gebildet ist. Es ist ersichtlich, daß der Sitz 161 ein Einsatz in einer Ausnehmung in der starren scheibenförmigen Platte 29 sein kann, wie es in der Fig. 17 dargestellt ist, oder mit der starren, scheibenförmigen Platte 29 ein Stück bilden kann. Auch der Ansatz 160 auf dem flexiblen Element 34- kann gemäß Fig. 17 mit diesem Element ein Stück bilden oder kann daran angebracht oder in das Element eingesetzt sein, und zwar durch eine beliebige geeignete Befestigungseinrichtung wie einen Klebstoff, Schrauben oder kann hineingepreßt sein.

Gemäß Fig. 17 wird durch eine Auslenkung des flexiblen Elementes 34· durch Drehung des Schraubenspindelelementes 36 der Ansatz 160 in bezug auf den Sitz 161 verlagert, bis eine Berührung zwischen dem Ansatz 160 und dem Sitz einen Verschluß am Auslaßende 28 des ringförmigen Fluiddurchganges 33 bildet. Es ist ersichtlich, daß eine solche Verschlußeinrichtung, wie sie in der Fig. 17 dargestellt ist, in Verbindung mit Veränderungen in der Geometrie des ringförmigen Fluiddurchganges 33 arbeitet und nicht unabhängig arbeitet, wie es bei den in den Fig. 13, 14, 15 und 16 dargestellten Verschlußexnrichtungen der Fall ist. Weiterhin ist ersichtlich, daß eine solche

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Verschlußeinrichtung, wie sie in der Fig. 17 dargestellt ist, im allgemeinen Betriebseigenschaften wird, die sich erheblich von denjenigen gemäß Fig. 7 und 8 unterscheiden, und zwar bei einer Vorrichtung, die ähnlich aufgebaut ist wie die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Vorrichtung, indem das Verschließen des Fluiddurchganges 33 der in der Fig. 17 dargestellten Vorrichtung nicht notwendigerweise einem sich verjüngenden, ringförmigen Fluiddurchgangs-Radialquerschnitt mit einer Durchgangshöhe Null im Ausgangsbereich 28 entsprechen muß.

Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist in der Fig. 18 dargestellt, in welcher ähnliche Teile wie in den Fig. 5 und 6 mit denselben Bezugsζeichen bezeichnet sind, und es wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen. In der Fig. 18 ist ein Schnitt einer einstellbaren FluidstrÖmungs-Ventilvorrichtung veranschaulicht, bei welcher das in seiner Gesamtheit mit 20 bezeichnete Gehäuse eine kreisförmige, starre Deckplatte 177 und eine starre scheibenförmige Bodenplatte 29 aufweist. Die Deckplatte 177 und die Bodenplatte 29 sind starr in fluiddichter Weise aneinander angebracht und entlang ihrer Außenumfangs-Berührungsfläche mit Hilfe von Schrauben 31 fluiddicht miteinander verbunden, wobei zur Verbindung auch gegebenenfalls (nicht dargestellte) Stifte oder eine beliebige andere geeignete Einrichtung verwendet sein könnten. Ein Balg 176 ist an einer schwimmenden, starren, kreisförmigen Scheibe 175 angebracht und gegenüber dieser Scheibe abgedichtet, und der Balg ist weiterhin an der Deckplatte 177 angebracht, indem seine beiden Enden jeweils durch geeignete Mittel wie Klebstoffe, Nieten, Schrauben, Verschweißungen, Lötungen usw. befestigt sind, so daß ein Leck des Fluids aus dem Gehäuse 20 verhindert ist, so daß nur aus dem Auslaßrohr 27 Fluid austreten kann.

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Die schwimmende Scheibe 175 ist in vertikaler Eichtung in bezug auf die Bodenplatte 29 verlagerbar, so daß die Höhe des ringförmigen Fluiddurchganges 33 mit Hilfe der Schraubenspindel 36 verändert werden kann, die von Hand durch Drehen am Griff 39 betätigt werden kann. Die Bewegung der scheibenförmigen Platte 175 ist mechanisch begrenzt, und zwar durch einen zentralen Eingansatz 40 auf der Deckplatte 177» welche die Oberfläche der schwimmenden Scheibe 175 berührt und in der entgegengesetzten Richtung ist die Bewegung mechanisch entweder durch die Begrenzung einer einstellbaren ■Verriegelungsmutter 41 begrenzt, welche auf das Schraubenelement 36 aufgeschraubt werden kann, so daß die Schulter 42 der Deckplatte 177 berührt wird, oder es kann eine Begrenzung durch die scheibenförmige Platte 175 erfolgen, welche die Oberfläche der starren Bodenplatte 29 berührt.

Es ist ersichtlich, daß die Durchbiegungseinrichtungen 36 und 39 in den Fig. 17 bzw. 18 durch eine beliebige andere Kraft oder eine andere geeignete Verlagerungserzeugungseinrichtung oder durch solche Einrichtungen ersetzt sein könnten, welche die bewegbare scheibenförmige Platte 175 in bezug auf die starre scheibenförmige Platte 29 bewegen, wobei beispielsweise ein Hebel, eine Kombination von Hebeln, ein Nocken, ein hydraulischer oder ein pneumatischer Kolben, eine unter Druck stehende Membran, eine elektrische Spule, eine Zahnstange und ein Eitzel oder eine andere bekannte Einrichtung zur Erzeugung einer Kraft oder einer Verlagerung verwendbar sind.

In der Fig. 18 ist die Oberfläche der starren, scheibenförmigen Bodenplatte 29, welche eine Fluiddurchgangs-Begrenzungswand darstellt, gemäß der Zeichnung ebenso linear verjünge wie die Scheibe 177» so daß auf der Einlaßseite 178 des ringförmigen Fluiddurchganges 33 ein schmaler ringförmiger

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-⁶¹~ 2 6 O 9 9 b U

Dichtungsbereich gebildet wird, wenn die Bewegung der Scheibe 175 durch die scheibenförmige Bodenplatte 27 begrenzt wird. Es ist jedoch ersichtlich, daß entweder die eine oder beide der Begrenzungswände des ringförmigen Fluiddurchganges 33 auch in anderer Weise geformt oder verjüngt sein könnten, wie es erforderlich sein kann, um eine bestimmte Betriebseigenschaft der Vorrichtung zu erreichen, während eine Fluiddurchgangsdichtung im Einlaßbereich 178, im Auslaßbereich oder innerhalb des Fluiddurchganges gebildet wird, wenn der erforderliche Fluiddurchflußbereich sich bis auf den Wert Null nach unten erstreckt.

In der Fig. 19 sind schematisch -die geometrischen Abmessungen veranschaulicht, welche oben anhand der Fig. 1 festgelegt wurden und welche sich auf einem radialen Querschnittsbereich eines bestimmten Teiles des ringförmigen Fluiddurchganges beziehen, wie er durch einen Abschnitt der zwei starren Begrenzungswände festgelegt ist, die einen tunnelförmigen ringförmigen Fluiddurchgang einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden, um den Durchfluß eines Fluids zu regeln.

Gemäß Fig. 19 ist die Tunnelform oder Kanalform des ringförmigen Fluiddurchganges 180 symmetrisch in bezug auf die Achse ZZ und ist durch die zwei starren Durchgangsbegrenzungswände festgelegt, welche durch die gekrümmten Linien 181 und 182 dargestellt sind, wobei die Gesamtlänge des Fluiddurchganges 180 mit 183 bezeichnet ist, und zwar diejenige Länge, über welche die laminare Strömung aufrechterhalten wird, und für einen Inkrementalabschnitt 183a wird angenommen, daß die Mittellinie W-W des Durchganges 180 in der allgemeinen Richtung der Fluidströmung Y im wesentlich gerade ist. Die Begrenzungswand der Auslaß einrichtung von dem ringförmigen Fluiddurchgang 180 ist durch die Verlängerung 182a der Begrenzungswand 182 über das Ende der Begrenzungswand 181 in der allgemeinen

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Richtung der Fluidströmung X dargestellt. Die mittlere relative Neigung des Inkrementalabschnittes 183a der zwei den Durchgang festlegenden Begrenzungswände 181 und 182 ist durch die Neigung "k" der strichpunktierten Linie 184 gemäß Gleichung (4) festgelegt, und zwar für "k", wie es oben definiert wurde. Die Neigung der Mittellinie 185 des inkrementalen Abschnittes 183a in der Richtung der Fluidströmung in "bezug auf die Symmetrieachse ZZ des ringförmigen Fluiddurchganges 180 ist durch den Winkel "Θ^ΤΙ dargestellt. Der Schnittpunkt der gestrichelten Linien 187 und 188, welche Verlängerungen der Begrenzungswände 181 und 182 darstellen, die jeweils über den Inkrementalabschnitt 18Ja hinaus verlängert sind, und zwar mit einer Linie 189, welche senkrecht zu der Mittellinie 185 des Inkrementalabschnittes 183a steht und welche durch den Schnittpunkt dieser Mittellinie mit der Symmetrieachse ZZ des ringförmigen Fluiddurchganges 180 hindurchgeht, legt den geometrischen Parameter χ in Abhängigkeit von der oben angegebenen Gleichung (5) fest.

Demgemäß kann der Fluiddurchfluß für einen bestimmten Druckabfall durch den ringförmigen Fluiddurehgang 180 durch sukzessive, schrittweise Anwendung der Gleichungen (1) bis (3) oder (6) bis (8) über die gesamte Länge 183 des Fluiddurchganges 180 für ein vorgegebenes Fluid ermittelt werden, wenn die Mittellinie ijedes Inkrementalabschnittes 183a in der Mittelrichtung der Fluidströmung als gerade angenommen werden kann. Die Neigung "0" der Mittellinie 185 über jeden Inkrementalabschnitt des Fluiddurchganges 180 in bezug auf die Symmetrieachse ZZ des ringförmig ausgebildeten Fluiddurchganges 180 muß in einem Bereich liegen, der größer ist als 0° und kleiner als 180°, damit die Gleichungen (1), (2), (4), (5) und (6) eine Bedeutung haben. Die mittlere relative Neigung "k" der

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Durchgangsbegrenzungswände innerhalb des inkremental en Abschnittes 183a, welche in der 3Fig. 18 positiv dargestellt ist, und zwar gemäß der Festlegung der Gleichung (4), kann entweder positiv sein, kann gleich Null sein oder kann negativ sein, was jeweils einer zunehmenden oder einer konstanten oder einer abnehmenden Durchgangshöhe in bezug auf die Richtung eines abnehmenden Eadius des ringförmigen Fluiddurchganges entspricht.

Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist in der Fig. 20 dargestellt, in welcher ähnliche Teile wie in den Fig. 5 "and 6 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind, und es wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen. In der Fig. 20 ist ein Schnitt einer einstellbaren Fluidströmungsventileinrichtung veranschaulicht, bei welcher das in seiner Gesamtheit mit 20 bezeichnete Gehäuse mit einem bewegbaren konischen Element 190 und einem daran starr angebrachten Wellenelement 191 ausgestattet ist. Das Gehäuse 20 weist eine kreisförmige obere Deckplatte 192 auf, die eine Führung 193 für die Welle 191 und eine Dichtung 194- aufweist, um ein Leck des Fluids zwischen der Welle 191 und der Führung 193 zu verhindern, wobei das Gehäuse weiterhin eine starre Bodenplatte 195 hat. Die Deckplatte 192 und die Bodenplatte 195 sind starr miteinander verbunden und entlang ihrer am Außenumfang angeordneten Berührungsfläche mit Hilfe von Schrauben und gegebenenfalls von (nicht dargestellten) Stiften oder mit Hilfe einer beliebigen anderen geeigneten Einrichtung derart dicht miteinander verbunden, daß ein Fluideinlaßraum 22 gebildet wird, welcher mit einer (nicht dargestellten) geeigneten Fluidquelle verbunden ist. Die Bodenplatte 195 ist entlang ihrer Oberseite 196 verjüngt ausgebildet, und das konische Element 190 ist entlang seiner Unterseite 198 verjüngt, um einen ringförmigen und kanalformigen Fluiddurchgang 197 zu

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"bilden, der eine Geometrie aufweist, welche derjenigen des ringförmigen Fluiddurchganges 180 der Fig. 19 entspricht, wobei weiterhin ein Einlaßbereich 25 und ein Auslaßbereich vorhanden sind. Das Auslaßrohr 27, welches mit dem Fluiddurchgangs-Ausgangsbereich 28 in Verbindung steht, ist mit einer Bodenplatte 195 ausgestattet, um Fluid aus dem Fluiddurchgang 197 austreten zu lassen.

Das konische Element 190 ist in vertikaler Richtung in bezug auf die Bodenplatte 195 derart verlagert, daß die Höhe des ringförmigen und kanalförmig ausgebildeten Fluiddurchgangs 197 mit Hilfe der Welle 191 verändert werden kann, welche durch eine Schraubenspindel oder eine andere ähnliche Einrichtung oder eine solche Einrichtung angetrieben werden kann, welche das konische Element 190 in bezug auf die Bodenplatte 195 verschiebt, wozu beispielsweise ein Hebel, eine Kombination aus verschiedenen Hebeln, ein Hocken, ein hydraulischer oder ein pneumatischer Kolben, eine unter Druck stehende Membran, eine elektrische Spule, eine Zahnstange mit Ritzel oder eine beliebige andere Verlagerungserzeugungseinrichtung verwendet werden kann.

In der Fig. 20 sind die Oberflächen 196 und 198, welche den Fluiddurchgang 197 begrenzen, derart ausgebildet, daß dann, wenn das konische Element 190 mit der Bodenplatte 195 durch eine Verlagerung der Welle 191 in Berührung gebracht wird, eine schmale ringförmige Dichtung im Einlaßbereich 25 des ringförmigen Fluiddurchganges 197 ausgebildet wird.

Es ist jedoch ersichtlich, daß entweder die eine oder beide der Begrenzungswände 196 und 198 des ringförmigen Fluiddurchganges 197 in anderer Weise verjüngt sein könnten oder in anderer Weise geformt sein könnten, wie es in der Fig. 19

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dargestellt ist und wie es im Hinblick auf spezielle Betriebscharakt eri st ika erforderlich sein kann, wobei für die Vorrichtung zugleich eine annehmbare Fluiddichtung des ringförmigen Fluiddurchganges 197 erreicht wird, und zwar an einer geeigneten radialen Stelle zwischen dem Fluiddurchgangeinlaß 25 und dem -auslaß 28, wenn der Fluiddurchflußbereich sich bis auf Null erstrecken soll.

Solche in anderer Weise geformten Begrenzungswände des ringförmigen Fluiddurchganges werden anhand einer weiteren Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes beschrieben, welche in der Fig. 21 dargestellt ist, wobei ähnliche Teile wie in der Fig. 20 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind und auf die entsprechende Beschreibung Bezug genommen wird. In der Fig. 21 ist ein Schnitt durch eine einstellbare Fluidströmungs-Ventileinrichtung dargestellt, wobei das in seiner Gesamtheit mit 20 bezeichnete Gehäuse ein bewegbares Element 200 und eine daran starr angebrachte Welle 191 aufweist. Das Gehäuse 20 weist eine kreisförmige Deckplatte 192 und eine starre Bodenplatte 201 auf, welche in derselben Weise miteinander verbunden sind, wie es für die Deckplatte und die Bodenplatte 192 bzw. 195 anhand der Fig. 20 beschrieben wurde. Das bewegbare Element 200 ist entlang seiner Unterseite 202 mit einer
entsprechenden Kontur ausgestattet, und die Bodenplatte ist entlang ihrer Oberseite 203 mit einer entsprechenden Kontur ausgestattet, um einen ringförmigen.Fluiddurchgang 204 zu bilden, der eine Geometrie hat, welche ähnlich ist wie bei dem ringförmigen Fluiddurchgang 180 gemäß Fig. 19, so daß der oben festgelegte Winkel 0 in der Fig. 19 sich kontinuierlich über die Länge des ringförmigen Fluiddurchganges 204- ändert, und zwar innerhalb der oben anhand der Fig. 19 festgelegten Grenzen.

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Es ist; ersichtlich., daß in anderen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes, welche die oben anhand der Fig. 3 bis 6, 8 bis 18 und 20 bis 22 einschließlich beschriebene Vorrichtung verwenden, die radiale Richtung der Pluidströmung nach auswärts gerichtet sein kann, vorausgesetzt, daß der oben definierte ringförmige Fluiddurchgang derart ausgebildet ist, daß für seine geometrischen Grenzen die Gleichungen (1) bis (3) raid (6) bis (8) erfüllt sind. Beispielsweise ist in der Fig. 22 der Schnitt durch eine ähnliche Vorrichtung wie in der Fig. 3 dargestellt, wobei ähnliche Teile wie in der Fig. 3 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Fig. 22 ist die Druckfluidquelle 24· mit einem axialen Einlaßrohr 210 verbunden, so daß ein im wesentlichen ungehinderter Strömungsweg für das Fluid gebildet ist, welches radial nach außen strömen kann, und zwar durch den ringförmig ausgebildeten Fluiddurchgang 21, aus dem gesamten inneren Umfangseinlaßbereich 211 des ringförmigen Fluiddurchganges 21 zu dem gesamten äußeren Umfangsauslaßbereich 212 des ringförmig ausgebildeten Fluiddurchganges 21, der seinerseits mit einem ringförmigen Ümfangsauslaßfluxdraum 213 verbunden ist. Der Auslaßraum 213 ist mit einem oder mehreren der Auslaßrohre 214 verbunden, so daß Fluid daraus entweichen kann.

- Patentansprüche -

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Claims

260^lJ96ü

Patentansprüche

Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses eines Fluids, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Gehäuse vorgesehen ist, wenn die Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses eines Fluids dient, welches folgende Teile aufweist: einen Fluiddurchgang, welcher symmetrisch in bezug auf eine Achse angeordnet ist und welcher ringförmig ausgebildet ist, wenn er in Richtung der Achse gesehen ist, wobei der Durchgang weiterhin eine Geometrie hat, welche derart beschaffen ist, daß ein beliebiger Querschnittsbereich des Fluiddurchganges, welcher symmetrisch in bezug auf die Achse und senkrecht zu der Mittelrichtung der Strömung des Fluids darin angeordnet ist, innerhalb des Bereiches der gekrümmten Oberfläche eines Kegelstumpf es und des gekrümmten Oberflächenbereiches eines Kreiszylinders eine gekrümmte Oberfläche aufweist, weiterhin ein Fluideinlaßraum, der zum Anschluß an eine Quelle eines unter Druck stehenden Fluids bestimmt ist, wobei der Fluideinlaßraum koaxial in bezug auf den ringförmigen Fluiddurchgang ausgebildet ist und einen im wesentlichen ungehinderten Strömungsweg für Fluid für die Gesamtheit eines Umfangseinlaßbereiches zu dem ringförmigen Fluiddurchgang bildet, weiterhin eine Fluidauslaßeinrichtung, welche koaxial in bezug auf den ringförmigen Fluiddurchgang angeordnet ist, und zwar radial auf Abstand von dem Fluideinlaßraum, wobei die Fluidauslaßeinrichtung zum Entweichen des Fluids aus dem Fluiddurchgang und zur Bildung eines im wesentlichen ungehinderten Strömungsweges dient, und zwar von der Gesamtheit eines Umfangsauslaßbereiches des ringförmigen Fluiddurchgangs für Fluid, welches durch den ringförmigen Fluiddurchgang von dem Fluideinlaßraum hindurchgegangen ist,

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b) daß weiterhin dann, wenn die Vorrichtung den Durchfluß eines Fluids regelt, die Strömung des Fluids über die
gesamte Länge des Fluiddurchganges und in der Mittelrichtung der darin vorhandenen Fluidströmung laminar ist,
wie es durch den Fluiddurchgang festgelegt ist, dessen Geometrie die in den folgenden Gleichungen (1) bis (8) niedergelegten Beziehungen erfüllt:

i) für ein Fluid, welches die Eigenschaften eines im j wesentlichen inkompressiblen und im wesentlichen Newton¹ sehen,' Fluids aufweist, welches durch den Fluiddurchgang hindurch strömt, wenn der Fluiddurchgang in Inkrementalabschnitte unterteilt ist, für welche die Mittellinie des Fluiddurchganges im allgemeinen in der Mittelrichtung der Fluidströmung als im wesentlichen gerade angenommen werden
kann, so daß der statische Fluiddruckabfall (po-P-i) in Jedem Inkrementalabschnitt in entsprechenden Einheiten die folgende Beziehung erfüllt:

(p _ p) . Z1.21G? _{(A) +}

^Ί ^d ()^ (i)> TTCi)

wobei A und B geometrische Parameter des inkrementalen Abschnittes sind, der in Rede steht, wobei A und B durch die folgenden Beziehungen festgelegt sind:

_A » ^k (sine) ' -' ■"■ ^l ■ '--^²

χ³ I =2 ^£1/ 2x^ L (r₂)

/ i^_ l\ , CsInP) ² Γ __1 L-ILid ( L_ _ l_\

I ^r2 ^riy 2x² L (r₂)² (ri) ²J x³ \ ^h2 ^hl>

L (H₂

2x² L (h₂)²

(2)

' Γ

2x 2

^2X L (h₂)²

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und χ _ h₂ k ^2 (5)

sin9

und wobei

r^ « der Eadius des inkremental en Abschnittes, an welchem p^ auf- , tritt und wo der Eadius von der Achse der Symmetrie des Fluid-!

durehganges zu einer ersten Grenze der Mittellinie dieses inkrementalen Abschnittes des Fluiddurchganges in der Mittelrichtung der dort entlanggehenden Strömung gemessen ist,

r₂ ^s der Eadius des inkrementalen Abschnittes, an welchem Pp auftritt und wo der Eadius von der Symmetrieachse des Fluiddurchganges zu einer zweiten Grenze der Kittellinie dieses inkrementalen Abschnittes des Fluiddurchganges in der Mittelrichtung der dort entlanggehenden Fluidströmung stromabwärts von der ersten Grenze gemessen ist,

h^ ■ die kleinere Abmessung des inkrementalen Abschnittes, quer zu der Mittelrichtung der Strömung des dort hindurchströmenden Fluids, am Eadius r^.,

ho «= die kleinere Abmessung dieses inkrementalen Abschnittes, quer zu der Mittelrichtung der dort hindurchgehenden Fluidströmung, am Eadius r₂,

θ » die Neigung der Mittellinie des inkrementalen Abschnittes in der Mittelrichtung der Fluidströmung in bezug auf die Symmetrieachse des Fluiddurchganges und liegt im Bereich ober-¹' halb von 0° und unterhalb von 180°,

k » mittlere Neigung einer Begrenzungswand des inkrementalen Abschnittes gegenüber der gegenüberliegenden Begrenzungswand dazu, wobei k positiv oder gleich Null oder negativ sein kann,

χ s die äquivalente Höhe des inkrementalen Abschnittes bei der Symmetrieachse des Fluiddurchganges, durch Projektion der mittleren Neigung jeder der Fluiddurchgangs-Begrenzungswände des inkrementalen Abschnittes auf die Symmetrieachse,

G * Massendurchfluß des entlang dem Fluiddurchgang strömenden Fluids

P ■ Sichte des den Fluiddurchgang entlangströmenden Fluids,

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al s absolute Viskosität des dem Fluiddurchgang erttlangströmenden Fluids und

g a die Erdbeschleunigung;

ii) für ein Fluid, welches die Eigenscharten eines im wesentlichen kompressiblen und im wesentlichen Newton¹ sehen Fluids aufweist, welches durch den Fluiddurchgang 2 hindurch strömt, wenn der Fluiddurchgang(2)in zwei inkrementale Abschnitte (wie den Abschnitt 6)unterteilt ist, für welche die Hittellinie (VW) des Fluiddurchganges (2) allgemein in der Hittelrichtung (Y) der Fluidströmung als im wesentlichen gerade angenommen werden kann und wobei der statische Fluiddruck in Jedem inkremental en Abschnitt(wie dem Abschnitt 6) an einem beliebigen Punkt auf der Kittellinie des Fluiddurchganges(2) allgemein in der Mittelrichtung(Y) der dort hindurchströiaenden Fluidströmung im wesentlichen eine lineare Funktion des radialen Abstandes von der Symmetrieachse(ZZ) des Fluiddurchganges ist, gilt die folgende Beziehung in entsprechenden Einheiten für Jeden inkremental en Abschnitt (wie den Abschnitt 6);

RT T

. 6yG(RT)² (Sine) (D)

wobei C und D geometrische Parameter des inkremental en Abschnittes sind, welcher in Rede steht, und durch die folgenden "Beziehungen in entsprechenden Einheiten festgelegt sind:

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(7)

ο - _2L· Γ · ι _ ι 1 -'L-Fi- _ !_

." 2k² L (ho)² (1I₁)²J k² L^h2 ^hl.

In diesen Beziehungen haben ähnliche Symbole in den Beziehungen (6), (7) und (8) die für die Beziehungen (1), (2), (3), W und (5) definierten Bedeutungen und

In β hyperbolischer oder natürlicher Logarithmus, T β die absolute Temperatur des entlang dem iluiddurchgang 2 strömenden Pluids, wobei es sich gezeigt hat, daß diese Temperatur entlang einem Abschnitt der Fluiddurchgangs-

länge im wesentlichen konstant ist, und R = eine Eonstante für das im wesentlichen kompressxble Pluid, welches gecoäß der folgenden Beziehung den ifluiddurchgang 2 entlangströmt:

£ - R.T.

wobei

ρ w der absolute statische Druck des Fluids an einer

beliebigen Stelle entlang dem Fluiddurchgang 2, ρ » die Dichte des kotnpressiblen iluids an der Stelle entlang dem Fluiddurchgang, an welcher der absolute statische Druck ρ festgelegt ist.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluideinlaßdurchgang einen im wesentlichen ungehinderten Strömungsweg für die Gesamtheit eines äußeren Umfangseinlaßbereiches zu dem ringförmig ausgebildeten Fluiddurchgang bildet.

$. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluideinlaßdurchgang einen im wesentlichen ungehinderten Strömungsweg für die Gesamtheit eines inneren Umfangseinlaßbereiches zu dem ringförmig ausgebildeten Fluiddurchgang bildet.

4-. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Fluidverschlußeinrichtung stromaufwärts von dem ringförmigen Fluiddurchgang vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Fluidverschlußeinrichtung stromabwärts von dem ringförmigen Fluiddurchgang vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Element in dem Gehäuse vorgesehen ist, welches entlang der Achse der Symmetrie bewegbar ist und ein bewegbares Element in dem Gehäuse bildet, um den Fluiddurchgang auf die Fluiddurchgangsgeometrie einzustellen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einstellung des bewegbaren Elementes dazu in der Lage ist, das Element ausreichend zu bewegen, um den Fluiddurchgang fluiddicht zu verschließen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine flexible Scheibe in dem Gehäuse vorgesehen ist, welche

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um ihren Umfang herum mit dem Gehäuse dicht verbunden ist und eine Begrenzungswand des Fluiddurchganges bildet, und daß eine Einrichtung vorhanden ist, welche dazu dient, die flexible Scheibe durchzubiegen, um die Fluiddurchgangsgeometrie zu erreichen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Durchbiegen der flexiblen Scheibe dazu in der Lage ist, die flexible Scheibe in ausreichendem Haß durchzubiegen, daß der Fluiddurchgang fluiddicht verschlossen wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1," dadurch gekennzeichnet, daß zwei flexible Scheiben in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei der Umfang jeder flexiblen Scheibe dicht mit dem Gehäuse verbunden ist, daß äede flexible Scheibe eine der Begrenzungswände des Fluiddurchganges bildet und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um die flexiblen Scheiben so durchzubiegen, daß die Fluiddurchgangsgeometrie erreicht wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Durchbiegen der flexiblen Scheiben dazu in der Lage ist, zumindest eine der flexiblen Scheiben in ausreichendem Haß durchzubiegen, damit der Fluiddurchgang fluiddicht verschlossen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine flexible Scheibe in dem Gehäuse angeordnet und dicht entlang ihrem Umfang mit dem Gehäuse verbunden ist, daß die flexible Scheibe das Gehäuse in zwei Fluiddurchgänge unterteilt, wobei ein erster der Fluiddurchgänge der ringförmige Fluiddurchgang ist und ein zweiter der Fluiddurchgänge die Fluidströmungsgleichungen erfüllt, welche oben angegeben sind, und zwar für den ersten der Fluiddurchgänge,

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und daß weiterhin eine Einrichtung vorhanden ist, welche dazu dient, die flexible Scheibe in beiden Eichtungen entlang der Symmetrieachse durchzubiegen, um die entsprechenden Fluiddurchgangsgeometrien jedes Fluiddurchganges einzustellen, daß weiterhin der Fluideinlaßraum einer von zwei Bäumen ist, daß ähnliche Fluideinlaßräume jeweils einen Einlaß für einen der Fluiddurchgänge bilden, daß weiterhin der Fluidauslaß einer von zwei Auslassen ist, wobei ähnliche Fluidauslaßeinrichtungen jeweils einen Fluidauslaß von einem der Fluiddurchgänge bilden.

135. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur= Durchbiegung der flexiblen Scheibe dazu in der Lage ist, die Scheibe in einem ausreichenden Haß durchzubiegen, um wenigstens einen Fluiddurchgang fluiddicht zu verschließen·

Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, welche eine Fluidauslaßöffnung hat und die Fluidauslaßeinrichtung von dem ersten ringförmigen Fluiddurchgang mit dem Fluideinlaßraum des zweiten Fluiddurchganges verbindet.

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