-
Druckregler
-
Die Erfindung betrifft einen Druckregler für-flüssige oder gasförmige
Durchflußmedien, mit einem einen Ventilkegel in Abhängigkeit von einem ihn beaufschlagenden
Steuerdruck entgegen der Kraft einer Ventilfeder verstellenden Membrankolben.
-
Druckregler dieser Art sind bekannt und finden in mannigfachen Ausführungen
in der Regelungstechnik Anwendung, beispielsweise als Druckminderer, wie sie im
Typenblatt T 25 45 der Firma SAMSON AG, Ausgabe September 1975, in der Dt-PS 1 077
936 oder in der Druckschrift "Regelungstechnische Informationen Nr. 3 ", Seiten
23 bis 35, der Firma SAMSON AG, beschrieben sind, Als weiteres Anwendungsbeispiel
für derartige Druckregler sind Uberströmventile zu nennen, wie sie auf den Seiten
36 bis 38 der letztgenannten
Literaturstelle beschrieben sind.
Werden Druckregler der eingangs genannten Art nun in der angegebenen Weise als Druckminderer
eingesetzt, so halten sie den Druck des durch das Ventil von einer Eingangsleitung
in eine Ausgangs leitung strömenden Durchflußmediums in der Ausgangs leitung möglichst
konstant, den Minderdruck, unabhängig von der Höhe des in-der Eingangsleitung anstehenden
Vordruckes und vom Durchfluß. Hierzu wird der den Ventilkegel, dessen Stellung im
wesentlichen den Druckverlust des Durchflußmediums am Ventil definiert, verstellende
Membrankolben entgegen der Kraft der den Ventilkegel in seine Öffnungsstellung drückenden
Ventilfeder mit dem zu regelnden Minderdruck beaufschlagt. Sinkt nun der Minderdruck
in der Ausgangsleitung ab, beispielsweise durch erhöhte Entnahme von Durchflußmedium
aus der Ausgangs leitung, so verstellt die Ventilfeder, deren Federspannung im übrigen
zur Einstellung des Mindordruckes in der beispielsweise aus der DT-PS 1 077 936
oder aus dem genannten SAMSON-Typenblatt ersichtlichen Weise veränderbar sein kann,,entgegen
der durch den jetzt nachgebenden Membrankolben ausgeübten Kraft den Ventilkegel
solange, bis der gewünschte Minderdruck in der Ausgangsleitung wieder erreicht ist.
-
In der neuen, weiter geöffneten Stellung des Ventiles ist nun die
Ventilfeder natürlich stärker entspannt als in der vorherigen Stellung, d.h. also,
die auf den Membrankolben entgegen dem ihn beaufschlagenden Minderdruck durch die
Ventilfeder ausgeübte Kraft ist jetzt etwas kleiner, demgemäß natürlich auch der
in der Ausgangsleitung herschende Minderdruck, dessen auf den Membrankolben ausgeübte-
Kraft mit der entsptechenden Ventilfederkraft im Gleichgewicht steht. Nimmt man
andererseits an, daß der in der Eingangs leitung anstehende Vordruck bei konstanter
Entnahme von Durchflußmedium aus der Ausgangs leitung ansteigt, so wird bei dieser
Störung zunächst der in der Ausgangsleitung vorhandene Minderdruck anwachsen. Hierdurch
wird der Membrankolben entgegen der Kraft der Ventilfeder infolge des erhöhten,
auf
den Membrankolben einwirkenden Steuerdruckes, der hier der Mnderdruck ist, ein Stück
in Richtung äuf die Schließstellung des- Ventiles verschoben, wobei im neuen Gleichgewichtszustand
die durch die Ventilfeder auf den Membrankolben ausgeübte Kraft etwas größer ist
als im vorherigen Gleichgewichtszustand, in dem der Vordruck kleiner war, so daß
folglich in diesem neuen Gleichgewichtszustand auch der Minderdruck etwas größer
sein muß als vorher. Der Druckbereich, um den der Minderdruck sich ändert, um den
Ventilkegel proportional zwischen der Schließstellung und der geöffneten Stellung
des Ventiles zu verstellen, ist der Proportionalbereich des Druckreglers.
-
Da die Abweichungen der Istwerte von den Sollwerten bei Proportionalreglern
von der Größe des Proportionalbereiches abhängen, besteht häufig das Bedürfnis,
den Proportionalbereich so klein auszubilden, daß gerade noch keine Regelschwingungen
auftreten. Bei.vorgegebenem Durchmesser des Membrankolbens, der in der Regel aus
einer flexiblen Membran besteht, die durch einen Membranteller versteift ist, welcher
über eine Kolbenstange mit dem Ventilkegel in Verbindung steht, erfordert ein möglichst
kleiner Proportionalbereich eine möglichst weiche Ventilfeder, da deren Charakteristik
den Proportionalbereich definiert. Weiche, lange Ventilfedern haben aber den Nachteil,
daß sie einmal großen Platzbedarf haben und zum anderen wegen des vergrößerten Materialbedarfs
kostspielig in der Herstellung sind. Verwendet man aber aus baulichen Gründen oder
zur Verringerung des Materialbedarfs kurze, harte-Federn-, so resultiert aus den
vorstehend erläuterten Gründen ein vergrößerter Proportionalbereich, d.h.- also
ein erhöhter Regelfehler.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,einen Druckregler der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei dem der Proportionalbereich auch bei Verwendung einer
verhältnismäßig harten Ventilfeder
verkleinert ist.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die wirksame
Kolben fläche des Membrankolbens mit zunehmendem Kolbenhub, also wachsender Auslenkung
der Ventilfeder zunimmt Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich
dadurch aus, daß der Membrankolben eine Rollmembran aufweist, wobei insbesondere
vorgesehen sein kann, daß der Membrankolben aus einem im wesentlichen starren Membranteller
und einer hieran sowie an der innerenumfangsfläche eines Membrangehäuses dicht befestigten
Rollmembran besteht, dieaneiner sich von der dem Steuerdruck zugewandten, im wesentlichen
ebenen Membranteller-Stirnfläche in Richtung der Ventilfederauslenkung konisch verjüngenden
Umfangsfläche des Membrantellers mit zunehmendem Kolbenhub unter Vergrößerung der
wirksamen Kolbenfläche abrollt.
-
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, allgemein auch bei relativ harter
Ventilfeder durch hubabhängige Veränderung der wirksamen Fläche des Membran kolbens
den Proportionalbereich zu verkleinern, insbesondere-die Membran als Rollmembran
auszubilden, welche sich bei unterschiedlichen Hubstellungen des Membrantellers,
in unterschiedlichem Maße an die Konusfläche desselben anlegt und hierdurch die
wirksame Kolbenfläche des Membrankolbens gleichsinnig mit der bei der Aus lenkung
der Ventilfeder - im Falleeiner Druckfeder also der Kompression der Ventilfeder
- ansteigenden Federkraft ändert, gelingt es, den Proportionalbereich auch bei Verwendung
kurzer, harter Ventilfedern klein zu halten.
-
Selbstverständlich läßt sich das Ausmaß der Beeinflussung der Hubcharakteristik
dadurch variieren, daß der Winkel, den die Konusfläche des Membrantellers mit der
Stirnfläche desselben bildet, verändert wird, wobei eine weitere Änderungsmöglichkeit
darin besteht, die Schlaufenlänge der Rollmembran entsprechend
zu
wählen.
-
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus,
daß die Membran-Konusfläche die Umfangsfläche eines an dem Membranteller vorgesehenen,
von der dem Steuerdruck zugewandten Stirnfläche in Richtung der Federauslenkung
vorspringenden Umfangsflansches ist. Weiterhin kann vorgesehen sein, daß das Membrangehäuse
sich im Hubbereich des Membrantellers in Richtung der Ventilauslenkung konisch erweitert.
-
Die konische Erweiterung des Membrangehäuses hat in für den Fachmann
ohne weiteres ersichtlicher Weise ebenfalls die Wirkung, daß die wirksame Kolbenfläche
des Membrankolbens mit wachsendem Kolbenhub entgegen der Kraft der Ventilfeder zunimmt.
-
Eine derartige konische Erweiterung der Membrangehäuse-Innenfläche
erleichtert außerdem auch die durch die Rollmembran auszuführenden Bewegungen. Insgesamt
ergibt sich bei allen Ausführungsformen der Erfindung in vorteilhafter Weise eine
mit wachsender Auslenkung der Ventilfeder zunehmende wirksame Kolbenfläche des Membrankolbens,
so daß die Hubcharakteristik, damit aber auch der Proportionalbereich des Druckreglers
nahezu beliebig beeinflußt werden können.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Druckreglers anhand der schematischen Zeichnung im einzelnen erläutert ist.
-
Dabei zeigt: Fig. 1 einen herkömmlichen Druckminderer im Längsschnitt,
bei dem die erfindungswesentlichen Merkmale des Druckreclers nicht verwirklicht
sind; Fig. 2 einen Schnitt entsprechend Fig. 1 durch das
Membrangehäuse
des Druckminderers von Fig.. 1, in vergrößerter Darstellung, wobei aber die erfindungsgemäßen
Merkmale der Membrananordnung verwirklicht sind; und Fig. 3 ein Diagramm, aus dem
die verbesserte Wirkungsweise eines erfindungsgemäß entsprechend Fig. 2 ausgebildeten
Druckminderers gegenüber dem herkömmlichen Druckminderer entsprechend Fig. 1 erkennbar
sind.
-
In Fig. 1 ist ein Druckminderer des Typs 36-2 der Firma SAMSON ÄG
gezeigt, wie er im Typenblatt.T 2545, Ausgabe September 1975, der Firma SAMSON AG
wiedergegeben ist.
-
Dieser herkömmliche Druckminderer, der in waagerecht verlegte Rohrleitungen
mit nach unten hängendem Antrieb eingebaut wird, weist in einem Ventilgehäuse 10
eine Eingangsleitung 12 sowie eine Ausgangsleitung 14 auf. Die Eingangsleitung 12
und die Ausgangsleitung 14 können dadurch voneinander abgeschlossen werden, daß
ein Ventilkegel 16 gegen einen Ventilsitz 18 gedrückt wird. Der Ventilkegel 16 ist
durch eine Rolbenstange 20 zwischen der Offen- und der Schließstellung des Ventiles
16, 18 verstellbar, wobei die Kolbenstange 20, die durch eine Abdichtung 22 und
einen Metallbalg 24 geführt ist, durch eine Druck-Ventilfeder 26 in der aus Fig.
1 ersichtlichen Weise in die Offenstellung des Ventiles 16, 18 vorgespannt is, Die
Spannung der Ventilfeder 26 kann dabei mittels einer drehbaren Sollwerteinstellung
28 verändert werden.
-
An dem dem Ventil 16, 18 abgewandten Ende der Kolbenstange 20 sitzt
in einem Membrangehäuse 30 ein Membranteller 32, mit dem eine Membran 34, die bei
dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als Doppelmembran ausgebildet ist, fest
verbunden ist. Die Membran 34 ist weiterhin an ihren Seiten mit dem Membrangehäuse
30 fest verbunden, wodurch eine abgedichtete Steuerkammer 36 gebildet ist, die über
eine Steuerleitung 38 mit *er-Ausgangsle4tung 14 des Ventilgehäuses 10 in Verbindung
steht.
-
Der insoweit beschriebene Druckminderer arbeitet wie folgt: In Richtung
des Pfeiles strömt aus der Eingangsleitung 12 unter einem bestimmten Vordruck stehendes
Fließmittel, entweder in flüssiger oder aber in Gasform, über das Ventil 16, 18
in die Ausgangsleitung 14. Der in der Ausgangsleitung 14 vorhandene Minderdruck,
der natürlich davon abhängt, welchen Durckverlust das Fließmittel am Ventil 16,
18 erleidet, im wesentlichen also von der Stellung des Ventilkegels 16 relativ zu
dem Ventilsitz 18, beaufschlagt über die Steuerleitung 38 als Steuerdruck die Steuerkammer
36, wodurch der aus dem Membranteller 32 und der Membran 34 bestehende Menbrankolben
in Fig. 1 n?ch oben gedrückt wird, während die durch die Ventilfeder 26 erzeugte
Gegenkraft den Membrankolben 32, 34 nach unten drückt, so daß letzendlich sowohl
der Membrankolben als damit auch der Ventilkegel 16 eine Gleichgewichtsstellung
einnehmen. Der in der Ausgangs leitung 14 herrschende Minderdruck läßt sich durch
Verstellen der Spannung der Ventilfeder 26 über die Sollwerteinstellung 28 verändern.
-
Tritt bei dem insoweit beschriebenen bekannten Druckminderer eine
Störung in-der Form auf, daß bei konstantem, in der Eingangsleitung 12 anstehendem
Vordruck der in der Ausgangsleitung 14 vorhandene Minderdruck abnimmt, beispielsweise
durch Steigerung des Verbrauches, also größere Fließmittelentnahme aus der Ausgangsleitung
14, so verschiebt die Ventilfeder 26 den Ventilkegel 16 in Richtung auf die Offenstellung
des Ventiles, bis der in der Ausgangsleitung 14 vorhandene und auch den Membrankolben
32, 34 beaufschlagende Minderdruckwieder mit der Federkraft im Gleichgewicht steht.
Da die Ventilfeder sich hierbei entspannt hat, ist nunmehr der Minderdruck natürlich
geringfügig kleiner als vor dem Auftreten der Störung. Erfolgt jedoch eine-Störung
der Gleichgewichtsstellung in -der Weise, daß bei konstantem Verbrauch der in der
Eingangsleitung 12 anstehende Vordruck
ansteigt, so wächst der
in der Ausgangsleitung 14 vorhandene Minderdruck zunächst geringfügig an, woraufhin
eine Verschiebung des Membrankolbens 32, 34 entgegen der Kraft der Ventilfeder 26
erfolgt, bis eine neue Gleichgewichtslage eingestellt ist. In dieser neuen Gleichgewichtslage
ist der Minderdruck natürlich geringfügig größer als vor dem Auftreten dieser Störung.
Derjenige Druckbereich, um den der Minderdruck sich ändert, um den Membrankolben
32, 34 und damit den Ventilkegel 16 über den gesamten Hubbereich zu verstellen,
ist der Proportionalbereich des Reglers, der mit dem Regelfehler identisch ist.
In dem Bestreben, den Proportionalbereich und damit den Regelfehler möglichst klein
zu halten, muß also die Ventilfeder 26 bei dem in Fig. 1 gezeigten bekannten Druckminderer
möglichst weich sein. Dies bedeutet, daß prinzipiell eine sehr lange Feder mit großem
Platz- und Materialbedarf verwendet werden muß, will man nicht die bei Verwendung
harter, kurzer Federn unvermeidliche Vergrößerung des Proportionalbereiches in Kauf
nehmen.
-
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß
ausgebildeten Druckminderers hingegen - der Aufbau des Druckminderers entspricht
bis auf die gezeigte Membrananordnung im übrigen vollständig demjenigen von Fig.
1, so daß alle unnötigen Einzelheiten weggelassen sind - ist der Membranteller 32
nicht, wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Druckminderer nach dem Stand der Technik,
im wesentlichen eben ausgebildet, vielmehr schließt an eine im wesentlichen ebene,
der Steuerkammer 36 und damit dem Steuer- bzw. Minderdruck zugewandte Stirnfläche-40
des Membrantellers 32 ein Umfangsflansch 42 mit einer Umfangs-Konusfläche 44 an,
die sich in Richtung der Federauslenkung, also in Fig. 1 und 2 nach oben, verjüngt.
Die Membran 34 ist als Rollmembran ausgebildet. Hierdurch wird folgende Wirkungswiese
erzielt:
Befindet sich die Kolbenstange 20 in ihrerTiefstellung,
wie in Fig. 2 rechts gezeigt ist, so liegt die Rollmembran 23 an der Konusfläche
44 des Umfangsflansches 42 des Membrantellers 32 an. Der Radius der wirksamen Kolbenfläche
des Membrantellers 32 hat hierdurch den Wert r2, wie aus Fig. 2 auf der rechten
Seite ersichtlich ist. Wird der Membranteller 32 hingegen durch den die Steuerkammer
36 über die Steuerleitung 38 beaufschlagenden Minderdruck aus der Ausgangs leitung
1-4 beim Auftreten einer Störung nach oben gehoben, wie in Fig. 2 links ersichtlich
ist, so rollt bei dieser Bewegung des Membrantellers 32 die Rollmembran 34 von der
Konusfläche 44 des Umfangsflansches 42 des Membrantellers 32 ab, mit der Wirkung,
daß sich bei der in Fig. 2 links gezeigten Stellung der Radius der wirksamen Kolbenfläche
des Membrantellers auf den Wert r1 vergrößert. Dies bedeutet aber, daß gleichzeitig
mit dem Anwachsen der zu überwindenden Gegenkraft der Druck-Ventilfeder 26 auch
die wirksame Kolbenfläche des Membrantellers 32 kontinuierlich zunimmt, wodurch
die Federsteife der Ventilfeder 26 scheinbar hubabhängig vermindert wird. Die wirksame
Kolbenfläche des Membrankolbens 32, 34 steigt'im übrigen natürlich noch über die
Membrantellerfläche hinaus an, da die Rollmembran selbst nach dem Abrollen von der
Konusfläche 44 des Membrantellers 32 zur wirksamen Kolbenfläche beiträgt.
-
Der insoweit beschriebene Erfindungsgedanke läßt sich natürlich nicht
nur bei Druckminderern anwenden, vielmehr allgemein bei Druckwegwandlern, bei denen
verhältnismäßig kleine Druckdifferenzen in lange Wege umgewandelt werden sollen.
Insbesondere eignet sich die Erfindung natürlich bei Druckreglern, für die der oben
beschriebene Druckminderer ein Beispiel ist und bei denen ein linear verschiebbarer,
durch einen Steuerdruck beaufschlagter Membrankolben entgegen der Kraft einer Ventilfeder
den Ventilkörper verstellt. Es wäre aber durchaus auch möglich, den Erfindungsgedanken
entweder zur Erzeugung einer Feder mit scheinbarer Federsteife Null oder aber in
Verbindung mit entgegen einer Gewichtsbelastung oder dergleichen bewegbaren Membrankolben
zu verwenden.
-
Das Ausmaß der vom Hub des Membrantellers 32 bei dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel abhängigen Änderung der wirksamen Kolbenfläche des Membrankolbens
hängt atürlich wesentlich davon ab, wie
steil der Winkel der Konusfläche
44 gegenüber der Achse der Kolbenstange 20 gewählt wird. Eine weitere Einflußmöglichkeit
besteht darin, die Schlaufenlänge der Membran 34 zu variieren, wie dies ohne weiteres
aus Fig. 2 hervorgeht und dem Fachmann klar ersichtlich ist.
-
Zusätzlich zu der konischen Ausbildung des Umfangsflansches 42 des
Membrantellers 32 weist das Membrangehäuse 30 bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
der Erfindung eine konische Innenfläche 46 auf, die zusätzlich bei einem Anheben
des Membrantellers 32 zu einer Vergrößerung der wirksamen Kolbenfläche des Membrankolbens
32, 34 führt, wie dies aus einem Vergleich der linken und der rechten Hälfte von
Fig. 2 ohne weiteres hervorgeht, da nämlich die Rollmembran beim Abrollen von der
Konusfläche 44 des Membrantellers 32 infolge der konischen Erweiterung des Membrangehäuses
nach außen in Anlage an die Fläche 46 des Membrangehäuses gerollt wird.
-
In Fig. 3 ist der Hub des Ventilkegels 16 eines Druckminderers der
beschriebenen Art in Abhängigkeit von dem aus der Steuerleitung 38 auf die Steuerkammer
36 aufgegebenen Druck wiedergegeben, wobei in ausgezogenen Linien das Meßergebnis
bei einer herkömmlichen Flachmembran ohne Membranteller- und Membran gehäusekonus
und in gestrichelten Linien das Ergebnis bei Verwendung einer erfindungsgemäßen
Rollmembran mit Membrantellerkönus wiedergegeben ist. Die Fig. 3 zeigt, daß der
Proportionalbereich, nämlich diejenige Druckabsenkung, die notwendig ist, um den
gesamten Ventilhub von 10 mm zu erreichen, bei Verwendung einer Rollmembran mit
Membrantellerkonus wesentlich geringer ist als ohne diesen Konus.
-
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie
in
den nachfolgenden Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln
als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren
verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
-
B Z C ENLI TE (LIST OF R F R E JI RALS) 1 1 2 2 3 3 4 4 5 6 6 7 7
8 8 9 10 Ventilgehause 10 11 11 12 Eingangs leitung 12 13 4 Ausgangsleitung 14 15
15 16 Ventilkegel ~ 16 17 17 18 Ventilsitz 18 19 19 20 Kolbenstange 20 21 21 22
Abdichtung . 22 23 24 Metallbalg 24 25 25 26 Ventilfeder 26 27 27 28 Sollwerteinstellung
28 29 29 30 Membrangehause 30
31 31 32 Membranteller 32 33 33 34
Membran 34 35 35 36 Steuerkammer 36 37 37 38 Steuerleitung 38 39 39 40 Stirnflache
40 41 41 42 Umfangsflansch 42 43 43 44 Konus flache 44 45 45 46 Innenflache 46 47
47 48 48 49 49 50 50 51 51 52 52 53 53 54 54 55 55 56 56 57 57 58 58 59 59 60 60
61 61 62 62 63 63 64 64 65 65