DE2649254B2 - Druckregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckregler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Druckregler für flüssige oder gasförmige Druckfluämedien, die einen einen Ventilkegel in Abhängigkeit von einem ihn beaufschlagenden Steuerdruck entgegen der Kraft einer Ventilfeder verstellenden Membrankolben aufweisen, finden in mannigfachen Ausführungen in der Regelungstechnik Anwendung, beispielsweise als Druckminderer, wie sie im Typenblatt T 25 45 der Firma SAMSONAG, AG, Ausgabe September 75, in der DE-PS 10 77 936 oder in der Druckschrift »Regelungstechnische Informationen Nr. 3«, Seiten 23 bis 35, der Firma SAMSONAG, AG, beschrieben sind. Als weiteres Anwendungsbeispiel für derartige Druckregler sind Überströmventile zu nennen, wie sie auf den Seiten 36 bis 38 der letztgenannten Literaturstelle beschrieben sind. Werden Druckregler der eingangs genannten Art ^un in der angegebenen Weise als Druckminderer eingesetzt, so halten sie den Druck des durch das Ventil von einer Eingangsleitung in eine Ausgangsieitung strömenden Durehflußmediums in der Ausgangsleitung den Minderdruck, möglichst konstant, unabhängig von der Höhe des in der Eingangsleitung anstehenden Vordruckes und vom Durchfluß. Hierzu wird der den Ventilkegel, dessen Stellung im wesentlichen den Druckverllist des Durehflußmediums am Ventil definiert, verstellende Membrankolben entgegen der Kraft der den Ventilkegel in seine Öffnungsstellung drücken-

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h^r> den Ventilfeder mit dem zu regelnden Minderdruck beaufschlagt Sinkt nun der Minderdruck in der Ausgangsleitung ab, beispielsweise durch erhöhte Entnahme von Durchflußmedium aus der Ausgangsleitung, so verstellt die Ventilfeder, deren Federspannung im übrigen zur Einstellung des Minderdruckes in der beispielsweise aus der DE-PS 10 77 936 oder aus dem genannten SAMSON-Typenblatt ersichtlichen Weise veränderbar sein kann, entgegen der durch den jetzt nachgebenden Membrankolben ausgeübten Kraft den Ventilkegel so lange, 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 beaufschlagten Minderdruck durch die Ventilfeder ausgeübte Kraft ist jetzt etwas kleiner, demgemäß natürlich auch der in der Ausgangsleitung herrschende Minderdruck, dessen auf den Membrankolben ausgeübte Kraft mit der entsprechenden Ventilfederkraft im Gleichgewicht steht Nimmt man andererseits an, daß der in der Eingangsleitung anstehende Vordruck bei konstanter Entnahme von Durchflußmedium aus der Ausgangsieitung ansteigt, so wird bei dieser Störung zunächst der in der Ausgangsleitung vorhandene Minderdruck anwachsen. Hierdurch wird der Membnnkolben entgegen der Kraft der Ventilfeder infolge des erhöhten, auf den Membrankolben einwirkenden Steuerdruckes, der hier der Minderdruck ist, ein Stück in Richtung auf 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 Ventilkörper 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 bestehi, die durch einen Vlembranteller 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.

Durch die DE-PS 6 68 177 ist nun bereits ein Gasdruckregler bekannt, bei dem das vorstehend angesprochene Problem der »fallenden Regelcharakteristik«, welches nicht nur dann auftritt, wenn die Membran federbelastet ist, sondern auch dann, wenn die dem Steuerdruck entgegenwirkende Gegenkraft durch Gewichtsbelastung erzeugt wird, dadurch gelöst wird.

daß an der Innenfläche des Membrangehäuses ein Wulst vorgesehen ist, an dem die als Membranhaut bezeichnete Rollmembran unter Veränderung der wirksamen Kolbenfläche des aus der Rollmembran und dem Membranteller bestehenden Membrankolben abrollt Hierdurch wird das angestrebte Ziel, der fallenden Regelcharakteristik entgegenzuwirken, zwar zumindest annäherungsweise erreicht, jedoch ist es bei dem bekannten Gasdruckregler der gattungsgemäßen Art nachteilig, daß wegen der Form des vorgenannten Wulstes einmal die Änderung der wirksamen Kolbenfläche nicht die gewünschte Linearität in Abhängigkeit vom Hub der Ventilstange aufweist, wobei dies insbesondere dann von Nachteil ist, wenn es sich nicht, wie bei der DE-PS 6 68 177, um gewichtsbelastete, sondern um federbelastete Ventile handelt Zum anderen aber liegt ein besonderer Nachteil des Gasdruckreglers nach der DE-PS 6 68 177 darin, daß die Anbringung eines Wulstes der dort beschriebenen Art an der Innenwandung des Membrangehäuses fertigungstechnisch verhältnismäßig kompliziert und kostspieligist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckregler der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei dem sich mit einfacheren und billigeren Mitteln ein gegenüber dem Stand der Technik noch verbesserter Ausgleich der fallenden Regelcharakteristik erzielen läßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, wie er durch die DE-PS 6 68 177 vorbekannt war, rollt die Membran bei dem erfindungsgemäßen Druckregler somit nicht von einem verhältnismäßig komplizierten, darüberhinaus nicht die gewünschte Linearität in der Veränderung der wirksamen Kolbenfläche gewährleistenden Wulst ab, sondern am Membranteller selbst, der hierzu konisch ausgebildet ist. Die konische Ausbildung des Membrantellers ist nicht nur fertigungstechnisch außerordentlich leicht zu handhaben, sondern gewährleistet auch über einen größeren Bereich, als dies bei dem Gasdruckregler nach der DE-PS 6 68 177 der Fall ist, eine darüberhinaus stärker lineare Veränderung der wirksamen Kolbenfiäche.

Selbstverständlich läßt sich das Ausmaß der Beeinflussung der Regelcharakteristik bei dem erfindungsgemäßen Druckregler dadurch variieren, daß der Winkel, den die Konusfläche des Membrantellers mit der Stirnfläche desselben bildet, verändert wird, wobei eine weitere Variationsmöglichkeit darin besteht, die Sclilaufenlänge der Rollmembran entsprechend zu wählen. Die bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehene konische Erweiterung des Membrangehäuses im Hubbereich des Membrantellers in Richtung wachsender Belastung, d. h. zunehmender Auslenkung der Ventilfeder hat ebenfalls nicht nur die Wirkung, die effektive Kolbenfläche des Membrankolbens mit wachsendem Kolbenhub enlgegen der Kraft der Ventilfeder zu vergrößern, sondern eine derartige konische Erweiterung des Membrangehäuses erleichtert außerdem die durch die Rollmembran auszuführenden Bewegungen. Inigesamt ergibt sich bei allen ι Ausführungsformen der Erfindung in vorteilhafter Weise eine mit wachsender Auslenkung der Ventilfeder zunehmende wirksame Kolbenfläche des Membrankolben^ so daß die Hubcharakteristik, damit aber auch der Proportionalbereich des Druckreglers nahezu beliebig beeinfluß; werden können.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung im einzelnen erläutert Dabei zeigt

Fig. 1 einen herkömmlichen Druckminderer im Längsschnitt, bei dem die Merkmale des Druckreglers nach der Erfindung nicht verwirklicht sind,

ίο Fig.2 einen Schnitt entsprechend Fig. I 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 F i g. 1 erkennbar sind.

In Fig. 1 ist ein Druckminderer des Typs 36-2 der Firma SAMSONAG AG gezeigt '.,ie er im Typenblatt T 2545, Ausgabe September 1975, der F,rma SAMSON-AG wiedergegeben ist. Dieser herkömmliche Druckminderer, der in waagerecht verlegte Rohrleitungen mit nach unten hängendem Antrieb eingebaut wird, weist Li 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

jo 16 gegen einen Ventilsitz 18 gedrückt wird. Der Ventilkegel 16 ist durch eine Kolbenstange 20 zwischen der Offen- und der Schließstellung des Ventiles 16, 18 verstellbar, wobei die Kolbenstange 20, die durch eine Abdichtung 22 und einen Meiallbalg 24 geführt ist,

n durch eine Druck-Ventilfeder 26 in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise in die Offenstellung des Ventiles 16, 18 vorgespannt ist Die Spannung der Ventilfeder 26 kann dabei mittels einer drehbaren Sollwerteinstellung 28 verändert werden.

-in 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. I gezeigten Ausführungsbeispiel als Doppelmembran ausgebildet ist, fest verbunden ist. Die

4> 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 der Ausgangsleitung 14 des Ventilgehäuses 10 in Verbindung steht.

v> Der insoweit beschriebene Druckminderer arbeitet wie folgt: In Richtung des Pfeiles strömt aus der Eingangsleitung 12 unter einem bestimmten Vordn-ck stehendes Fließmittel, entweder in flüssiger oder aber in Gasi Jt m, über das Ventil 16, 18 in die Ausgangsleitung

>> 14. Der in der Ausgangsleitung 14 vorhandene Minderdruck, der natürlich davon abhängt, welchen Druckverlust das Fließmittel am Ventil 16, 18 erleidet, im wesentlichen also von der Stellung des Ventilkegels 16 relativ zu d-em Ventilsitz 18, beaufschlagt über die Steuerleitung 38 als Steuerdruck die Steuerkammer 36, wodurch der aus dem Membranteller 32 und der Membran 34 bestehende Membrankolben in Fig. 1 nach oben gedruckt wird, während die durch die Ventilfeder 26 erzeugte Gegenkraft den Membrankol-

r, ben 32,34 nach unfn drückt, so daß letztendlich sowohl der Membrankolben als damit auch der Ventilkegel 16 eine Gleichgewichtsstellung einnehmen. Der in der Ausgangsleitung 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 FlieDmittelentnahme 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 Minderdruck wieder 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 Gleichgewichtssicilung in der Weise, daß bei konstantem Verbrauch der in der Eingangsieitung i2 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. I 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 F i g. 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 F i g. I 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. Sonderdruck zugewandte Stirnfläche 40 des Membrantellers 32 ein Umfangsflansch 42 mit einer Umfangs-Konusfläche 44 an, die sich in Richtung der Federauslenkung, also in F i g. 1 und 2 nach oben, verjüngt Die Membran 34 ist als Rollmembran ausgebildet Hierdurch wird folgende Wirkungsweise erzielt: Befindet sich die Kolbenstange 20 in ihrer Tiefstellung, wie in F i g. 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 n, wie aus F i g. 2 der rechten Seite ersichtlich ist Wird der Membranteller 32 hingegen durch den die Steuerkammer 36 über die Steuerleitung 38 beaufschlagenden Minderdruck aus der Ausgangsleitung 14 beim Auftreten einer Störung nach oben gehoben, wie in F i g. 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 F i g. 2 links gezeigten Stellung der Radius der wirksamen Kolbcnfläche des Membrantellers auf den Wert ο 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 Membrantellcrfläche 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 iange 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 scheinbar-./ 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 natürlich 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 F i g. 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 F i g. 2 ohne weiteres hervorgeht, da nämlich die Rollmembran beim Abrollen von der Konusfläche 44 des Membrantellers 32 infolge der konischen Erweiterung oes 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 Membrangehäusekonus und in gestrichelten Linien das Ergebnis bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Rollmembran mit Membrantellerkonus 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 Membrantellerkomis 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 Krfindung in ihren verschiedenen Atisführungsformen wesentlich sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Druckregler für flüssige oder gasförmige Durcbflußmedien, mit einem einen Ventilkegel in Abhängigkeit von einem ihn beaufschlagenden Steuerdruck entgegen einer mit dem Kolbenhub sich ändernden Gegenkraft verstellenden Membrankolben, der einen im wesentlichen starren Membranteller und eine hieran sowie an der inneren Umfangsfläche eines Membrangehäuses dicht befestigte Rollmembran aufweist, deren wirksame zur Gesamt-Kolbenfläche des Membrankolbens beitragende Fläche sich mit wachsender Gegenkraft unter Abrollen vergrößert, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranteller (32) eine sich von der is dem Steuerdruck zugewandten, im wesentlichen ebenen Membrantellerstirnfläche (40) in Richtung zunehmenden Belastung einer dem Steuerdruck entgegengesetzt den Membrankolben (32, 34) beaufschlagten Ventilfeder (26) konisch verjüngende Umfangsfläche (44) aufweist, an der die Rollmembran (34) je nach Stellung des Membrantellers in unterschiedlichem Maße anliegt.

2. Druckregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Umfangsfläche (44) der Rollmembran die Umfangsfläche eines an dem Membranteller (32) vorgesehenen, von der dem Steuerdruck zugewandten Stirnfläche (40) in Richtung zunehmender Belastung, also wachsender Auslenkung der Ventilfeder (26) vorspringenden Umfangsflansches (42) ist

3. Druckregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Niembr«,/gehäuse (30) sich im Hubbereich des Membrp.ntellers (32) in Richtung wachsender Belastung, d. h. ?. nehmender Auslen- ^r> kung der Ventilfeder (26) konisch erweitert.