DE2728648C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Drosselventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Ein solches Drosselventil ist aus der DE-OS 24 61 697 bekannt. Drosselventile sind darüber hinaus beispielsweise in den US-PS 39 08 698, 35 14 074, 35 13 864 und 35 29 628 beschrieben.

Beim Drosselventil bzw. bei der Drosseleinrichtung gemäß der US-PS 39 08 698 sind in stapelförmiger Anordnung Platten oder Ringe oder auch Drosseleinrichtungen mit festem Widerstand verwendet. Bei den bekannten Drosselventilen bzw. Drosseleinrichtungen wird als Trimmeinrichtung bzw. Stellglied üblicherweise ein durch Drehantrieb hubverstellbarer Zapfen von im allgemeinen parabolischer Form verwendet, der in einer zylindrischen Öffnung axial verlagerbar oder axial verschiebbar ist, um ein Schließen gegenüber der zylindrischen Öffnung oder ein Öffnen zu bewirken. Der zwischen dem Außenumfang des Zapfens und dem inneren Durchmesser der Öffnung gebildete Ringspalt liefert die gewünschte Strömungsfläche bei einer bestimmten angehobenen Position des Zapfens. Das Verhältnis zwischen einer derartigen Strömungsfläche bei einer vorgegebenen, angehobenen Stellung und der Strömungsfläche bei der maximal angehobenen Stellung bestimmt die Strömungscharakteristiken eines derartigen Stellgliedes bzw. einer derartigen Trimmeinrichtung. Die wirksame Strömungsfläche und der Geschwindigkeitsdruckverlust definieren die Strömungskapazität, die üblicherweise mit Cv ausgedrückt wird, wobei 1Cv die Strömung von 3,78 l/min (1 US Gallon/min) durch eine Drosselstelle bei einem Druckabfall von 6,89 · 10³ N/m² (1 psi) ist. Aus der Darcey-Gleichung ergibt sich

wobei die Fläche in cm² (inch²) ausgedrückt wird und C der Kontraktionskoeffizient, K der Geschwindigkeits-Druckverlust-Koeffizient sind.

Da bei den üblichen Stell- oder Trimmsystemen der Koeffizient für den Geschwindigkeits-Druckverlust bzw. Stau-Druckverlust oder Fluid- Widerstand für alle praktischen Zwecke konstant ist (K ≅ 0,7), kann die Strömungscharakteristik nur durch Änderungen der Strömungsfläche bzw. des Strömungsquerschnittes erfolgen, was natürlich eine exakte Bearbeitung des Ventil-Zapfens erfordert. Der relativ weiche bzw. sanft verlaufende Strömungsweg zwischen einem parabolischen Zapfen und einer Öffnung kann dazu führen, daß der Druckwert den ursprünglichen Wert wieder erreicht und somit hinsichtlich der Flüssigkeiten eine Gravitation auftritt. Bei den meisten Prozeßsteuerungen ist aufgrund des Pumpverlustes und des Leistungswiderstandes, der in Serie zu dem Ventil liegt, es erforderlich, daß sich der Druckverlust an dem Drosselventil bzw. Ventil umgekehrt proportional zum Quadrat der Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit erhöht, d. h. bei einer 25%igen Strömung kann der Druckverlust 16mal höher sein als bei einer 100%igen Strömung; daher muß das Ventil bzw. Absperrorgan eine Strömungscharakteristik aufweisen, die allgemein als dem betreffenden Prozentsatz gleich bezeichnet wird, um die Nichtlinearität des Druckabfalls zu kompensieren. Um diese Genauigkeit der Charakteristiken, d. h. die gewünschten Änderungen im Strömungsquerschnitt zu erreichen, ist wiederum die präzise maschinelle Herstellung der großen, gebogenen Fläche des Ventil-Zapfens erforderlich. Da

und da der Differenzdruck Δ p bei niedrigen Strömungsraten hoch ist, erzeugen die üblichen Stell- bzw. Trimmeinrichtungen aufgrund ihres relativ hohen Staudruck-Koeffizienten K zu großen Fluidgeschwindigkeiten bei diesen niedrigen Strömungsraten. Diese zu hohen Geschwindigkeiten rufen Gravitation oder Erosion in den Flüssigkeiten durch die Stelleinrichtung hervor, wie dies erläutert wurde. Da der Schalldruckpegel SPL = f(V)⁸ ist, rufen bei den konventionellen Trimmeinrichtungen hohe Geschwindigkeiten, die bei niedrigen Strömungsraten auftreten, durch die Gase ein beachtliches aerodynamisches Geräusch hervor.

Bei den Absperrorganen gemäß den US-PS 35 14 074, 35 13 864 und 35 29 628 erzeugen die Trimmeinrichtungen einen hohen Widerstand oder Staudruck-Koeffizienten K; dies erfordert jedoch die Verwendung von labyrinthförmigen Strömungskanälen oder Kanälen, die in sich wiederholender Weise durch Richtungsänderungen eine Geschwindigkeitsreduzierung bewirken, so daß die Strömung radial oder in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht zur Zapfenachse liegt, erfolgt. Da bei den vorstehend beschriebenen Drosselventilen die stapelförmigen Zwischenscheiben gleichmäßig von Ende zu Ende vorgesehen sind und eine lineare Strömungscharakteristik oder eine lineare Zunahme der Strömungsfläche mit der Ventil-Öffnung haben, ergeben sich ähnlich wie bei den üblichen Trimmeinrichtungen wesentlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten bei niedrigen Strömungsraten.

Der Druckverlust an den Strömungskanälen in Form der labyrinthartigen, stapelförmigen Zwischenscheiben tritt gleichzeitig auch an der vorderen Spitze des verwendeten festen, zylindrischen Ventil-Zapfens auf, da die Öffnung des nächsten Stapels, d. h. diejenige Öffnung, die durch das Anheben des Zapfens noch nicht beaufschlagt ist, sich auf dem niedrigen, stromab liegenden Druckwert befindet, wodurch ein erheblicher Verschleiß an dem genannten Spitzenpunkt des Zapfens auftritt.

Ein anderer Nachteil der bekannten Drosselventile besteht in dem Erfordernis, daß Behälter für relativ hohe Druckwerte vorgesehen werden müssen, um die zylindrischen, scheibenförmigen Stapel aufzunehmen. Beispielsweise sind bei den bekannten Drosselventilen für einen Zapfendurchmesser von 5 cm bei einem Maximalwert Cv von 30 für die stapelförmig angeordneten, scheibenförmigen Platten eine Öffnung des Ventildeckels oder ein Flansch von etwa 10 cm oder von etwa der doppelten Größe notwendig, wobei diese Scheiben- oder Tellerventile die dreifachen Kosten und das dreifache Gewicht gegenüber konventionellen parabolförmigen Trimmeinrichtungen haben.

Aus der DE-OS 24 61 679 ist es bekannt, einen Stapel aus einer Mehrzahl von Scheiben mit sich überdeckenden Aussparungen zu bilden, so daß Strömungskanäle entstehen. Zur Drosselung des Fluidstroms in vertikaler Richtung sind neben Aussparungen größerer Erstreckung in Umfangsrichtung solche mit kleinerer Erstreckung in dieser Richtung vorgesehen. Hierdurch wird aber noch nicht eine Strömungscharakteristik erreicht, wie sie an sich wünschenswert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Drosselventil der gattungsgemäßen Art mit konstruktiv einfachen Mitteln so auszugestalten, daß bei einer Öffnung des Ventils von seiner voll geschlossenen in seine voll geöffnete Position die Durchflußfläche sich umgekehrt zum Durchflußwiderstand in definierter Weise derart ändert, daß das Auftreten hoher Strömungsgeschwindigkeit und die damit verbundenen Probleme in jeder Ventilstellung und an jedem Ventilteil vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gelöst gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Scheiben wird erreicht, daß das strömende Fluid nicht ungedrosselt durch von den Aussparungen gebildete Kanäle strömen kann, sondern aufgrund der Drosselausnehmungen und der Anordnung der Scheiben in diesen Aussparungen horizontal fließen muß, wobei die Fortbewegung in vertikaler Richtung durch die Drosselöffnungen gedrosselt wird. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Anordnung erreicht, daß mit zunehmender Öffnung des Ventils eine zunehmende Anzahl von Durchlaßkanälen einbezogen wird, so daß sich die Durchlaßfläche in definierter Weise erhöht, während der Durchflußwiderstand ebenso definiert unter Wahrung niedrigerer Strömungsgeschwindigkeiten vermindert wird. Diese Wirkung wird in konstruktiv und herstellungstechnisch besonders einfacher Weise erzielt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer bekannten, parabolförmigen Drossel- oder Trimmeinrichtung,

Fig. 2 ein stempelförmiges Glied bzw. einen Plattenstapel des erfindungsgemäßen Drosselventils in einem in vertikaler Schnittansicht gezeigten Gehäuse mit Deckel,

Fig. 3 die in Fig. 2 gezeigte Anordnung, wobei das stempelförmige Glied aus der auf dem Sitz aufliegenden Position angehoben ist, wobei die stapelförmigen Kanäle des Ventil-Zapfens teilweise in vertikaler Schnittansicht und teilweise in Seitenansicht dargestellt sind,

Fig. 4 eine auseinandergezogene Perspektivansicht der Platten zur Verdeutlichung ihrer gegenseitigen winkelmäßigen Versetzung in dem stapelförmigen Stempel gemäß Fig. 2 bis 5,

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer vollständigen Abwicklung des Umfangs des Plattenstapels nach Fig. 2 bis 4 zur Darstellung der in Axialrichtung zunehmenden Begrenzung der Fluidkanäle im Stapel, und

Fig. 6 eine auseinandergezogene Perspektivansicht des ringförmigen Stapels einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt ein bekanntes Drosselventil mit parabolförmigem Ventilglied.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Drosselventil dargestellt, welches einen zylindrischen Ventil-Zapfen 25 aufweist, der mit Gleitsitz innnerhalb eines zylindrischen Sitzringes 26 bewegbar ist, der seinerseits in einen mittleren Trennabschnitt bzw. eine Lageröffnung eines üblichen Ventilgehäuses 27 eingeschraubt ist, welches einander gegenüberliegende Öffnungen 28, 29 enthält, die zum Anschluß an eine Fluidleitung, beispielsweise an eine Leitung eines Fluidsystems oder Prozeßsteuersystems geeignet sind. Das Gehäuse 27 trägt einen üblichen Deckel 30, der einen Zugang zum Gehäuse 27 ermöglicht und die Entfernung des Zapfens 25 und des Sitzringes 26 gestattet. Außerdem weist das Gehäuse eine übliche äußere Einrichtung auf, beispielsweise ein Plattenventil-Betätigungsglied zur Hin- und Herbewegung eines Ventil-Schaftes 31 und somit des Zapfens 25 abhängig von einem Befehlssignal von einem Steuerinstrument in bzw. aus der vollständig geschlossenen Stellung, in welcher der Schaft in Flächeneingriff mit den zugeordneten, konisch verlaufenden Flächen 32, 33 des ringförmigen Zapfens und Sitzringes steht.

Der Zapfen 25 weist eine feste ringförmige Oberseite oder Schulter 34 auf, von der ein reduzierter, zentraler und ringförmiger Schaft bzw. ein zentrales Lagerelement 35 absteht, auf den eine Mutter 35 aufgedreht ist, um einen Satz oder einen Stapel von identischen Scheiben oder Platten 37 einzuklemmen, die von einer mittleren Öffnung 38 über dem Lagerglied 35 aufgenommen sind und zwischen der Mutter 36 und der Unterseite der Schulter 34 zusammengedrückt werden, wodurch der stempelförmige oder plattenförmige, den Zapfen beinhaltende Stapel aus flachen Scheiben entsprechend Fig. 2 bis 5 gebildet wird.

Die Platten oder flachen Scheiben 37 weisen mehrere bzw. einen Satz von im wesentlichen festen bzw. vollen, keilförmigen Segmenten 39 auf, die durch eine gleiche Zahl von zweiten keilförmigen Aussparungen voneinander getrennt sind. Die Segmente 39 sind - ebenso wie die Segmente 40 - untereinander gleich, d. h. sie haben gleiche Breite im Vergleich zueinander, wogegen die Segmentaussparungen 40 gleich oder - entsprechend den Zeichnungen - kleiner als die Segmente 39 in der Breite sind. Die Platten 37 jedes Stapels werden um die Achse des Stapels nacheinander gedreht oder zur Zapfen-Bewegungsachse bzw. Ventilschaftachse derart mit verschiedenen Winkeln zueinander angeordnet, daß eine speziell gewünschte, d. h. die gleiche vertikale oder sukzessive Ausrichtung der Segment-Ränder um den Umfang des Zapfens 25 wiederholt wird.

Die ersten, im wesentlichen festen Segmente 39 haben gerade verlaufende radiale Seiten oder Flanken 41, welche die Seitenränder der mit diesen Segmenten 39 abwechselnden Öffnungen oder Aussparungen definieren, welche die ausgesparten Segmente 40 bilden.

Die Segmente 39 haben drei Formen 39 a, 39 b, 39 c. Die Platten der ersten, miteinander abwechselnden Formen 39 a, 39 b haben jeweils mehrere, die Strömung drosselnde Öffnungen, d. h. Öffnungs-Sätze oder kleine Bohrungen 42, die an wenigstens zwei unterschiedlichen Platten-Radien vorgesehen sind, und zwar an wenigstens zwei unterschiedlichen Winkeln oder Positionen am Umfang der Platten 37. Die Segmente 39 a, 39 b haben außerdem am Umfang halbrunde Aussparungen oder Zähne 43, die jeweils gleiche Größen haben, jedoch hinsichtlich der Segmente 39 a und 39 b jeweils an unterschiedlichen Winkelpositionen vorgesehen sind. Die Öffnungen 42 der Segmente 39 a sind jeweils in gleicher Zahl und Größe sowie an den gleichen Platten-Radien wie die Öffnungen 42 in den Segmenten 39 b vorgesehen. Die winkelmäßige Anordnung oder umfangsmäßige Versetzung der Öffnungen 42 und Zähne 43 gegenüber den Segment-Mittellinien ist um den gleichen Betrag, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen in den Segmenten 39 a und 39 b vorgesehen. Somit sind die Segmente 39 b spiegelbildlich ausgebildet zu den Segmenten 39 a.

Die Segmente 39 mit der dritten Formgebung (39 c) sind dagegen jeweils nicht durchbrochene Sperrsegmente 39 c, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.

Die Platten 37 in dem Plattenstapel sind in vorbestimmter Weise angeordnet, wobei die aufeinanderfolgenden Platten kontinuierlich im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn um eine Segmentbreite oder um einen Winkel von der nächstvorangehenden Platte gedreht werden, der einem Segment entspricht. Dies ist durch die gestrichelte Linie 44 dargestellt, die durch die Mittellinien der nicht durchbrochenen, d. h. vollflächigen Sperrsegmente 39 der drei Platten in Fig. 4 hindurchgezogen sind und die zeigen, daß die vollen bzw. im wesentlichen voll ausgebildeten Segmente 39 jeder Platte die ausgeschnittenen Segmente 40 der benachbarten Platten überdecken bzw. darunter liegen, so daß durch die einander abwechselnden Segmente 39 a, 39 b die in Vertikalrichtung angrenzenden Öffnungen 42 und Zähne 43 hinsichtlich ihrer winkelmäßigen oder gegenüber der Mittellinie versetzten Anordnung in jeder vierten Platte im Stapel umgekehrt (asymmetrisch) zueinander liegen und daß die Sperrsegmente 39 c um den Zapfenumfang sowohl in vertikaler Richtung nach oben oder unten fortlaufen.

Wenn die Platten auf den Schaft 35 an ihren beschriebenen, vorbestimmten, in progressiver Weise gedrehten und die Öffnungen 42 versetzenden, einander abwechselnden Positionen angeordnet sind, sind sie in ihren tatsächlichen und relativen Mustern oder Positionen dadurch befestigt oder festgeklemmt, daß die Befestigungsmutter 36 aufgedreht oder festgeklemmt wird; gewünschtenfalls kann zusätzlich eine Verlötung der durch die stapelförmigen Platten gebildeten Zapfeneinheiten erfolgen.

Im zusammengebauten Zustand sind die Platten 37 mit dem in engem Abstand oder in dichtem Sitz befindlichen Ring 26 dadurch kombiniert, daß letzterer die großen Öffnungen oder Kanäle 40 und die kleinen Zähne oder Aussparungen 43 verschließt, so daß vertikal durch den Plattenstapel und zwischen diesem Stapel und dem Ring 26 eine Reihe von drosselnden Kanälen 45 bis 55 liegen, die jeweils aus den eine Strömung zulassenden und große horizontale Öffnungen oder Kanäle bildenden Aussparungen 40, den Öffnungen 42 und den Zähnen 43 bestehen, wobei die Kanäle 40 mit den kleinen vertikalen Öffnungen in den im wesentlichen voll ausgebildeten Segmenten, die eine Strömungsdrosselung, d. h. Restriktion oder Einschnürung hervorrufen, abwechseln und in Verbindung mit letzteren stehen.

Mit der beschriebenen, winkelmäßig fortschreitenden Anordnung der Platten 37 und der in entgegengesetzter Weise ausgeführten Versetzung der Drosselung bzw. Restriktion jeder vierten Platte lassen die großen horizontalen Kanäle 40 das Fluid hinein und heraus, vor und zurück, zwischen und in vertikal nebeneinanderliegende, radiale und umfangsmäßig versetzte Öffnungen 42 und Aussparungen 43 in kontinuierlich sich umkehrenden, sinusförmigen oder gewundenen Wegen strömen, welche die Drosselkanäle 45 bis 55 enthalten.

Die beschriebene fortschreitende Anordnung durch den Stapel der nicht geöffneten oder vollständig geschlossenen Sperrsegmente 39 c resultiert darin, daß die Kanäle 45 bis 55 sich progressiv mit kürzeren Längen vom Boden oder der Spitze des Zapfens, von der vollen Stapellänge des Kanals 45 bis hinunter zu einer einzigen Plattenlänge des Kanals 55 erstrecken, wobei die aufeinanderfolgenden Kanäle jeweils eine Platte weniger oder einen Kanal 40 oder eine Drosselstelle 42, 43 weniger in der Länge enthalten als der vorangehende Kanal. Die aktiven oder Fluid führenden Kanäle 45 bis 55 weisen nur die horizontalen Kanäle 42 und die vertikalen Drosselstellen 42, 43 auf, die unter den Sperrsegmenten 39 c liegen, weil die Kanäle 45 bis 55 durch eine zylindrische Wand 56 gebildet werden, welche die Öffnungen 40 und Zähne 43 abschließt bzw. umgibt und in dichtender Weise die Kanalsperr- oder -schließsegmente 39 c erfaßt. Wie die Strömungskanäle 45 bis 55 haben die segmentförmigen horizontalen Kanäle oder Öffnungen 40 eine Breite und Tiefe derart, daß sie mit den Verengungen 42 der zwischenliegenden oder darüber- und darunterliegenden Platten 37 in Verbindung stehen, wobei die Öffnungen wie in den Segmenten 39 a oder in entgegengesetzter Weise versetzt bzw. spiegelbildlich in den Segmenten 39 b angeordnet sein können; die Öffnungen 40 haben jedoch im wesentlichen eine kleinere Breite als die Segmente 39.

Alle Drosselkanäle 45 bis 55 sind an den dem Boden 57 zugeordneten Enden in Längsrichtung oder in Vertikalrichtung gegenüber dem Fluid vom Einlaß 29 in der voll abgesetzten Stellung des Ventils offen; die einen Enden der Kanäle 45 bis 55 sind in gemeinsamer Anordnung mit der Spitze des Zapfens oder dem Boden 57 vorgesehen. Die Kanäle 45 bis 55 sind an ihren anderen Enden in Vertikalrichtung durch die Sperrsegmente 39 c und in Radialrichtung durch die Sitzringwand 56 geschlossen, die sich bis über das oberste Segment 39 c zu der konischen Sitzfläche 33 erstreckt, welche mit der konischen Fläche 32 der Zapfenschulter 34 in Eingriff bringbar ist bzw. in Eingriff steht.

Die Drosselkanäle 45 bis 55 haben eine untere Öffnung zu dem Einlaß 29 oder zur Zufuhr von Fluid von dem Einlaß 29 über die Kanäle 40 an dem ersten bzw. am Anfang liegenden oder in der Bodenplatte liegenden, eine Aussparung bildenden Segment, oder Öffnungen und Verengungen 42, 43. Nach dem vertikalen Durchgang durch die Öffnungen oder Verengungen 42, 43 strömt das Fluid frei in horizontaler Richtung in den Kanälen 40 in allen Richtungen, d. h. entweder nach außen zur zylindrischen Wand 56 oder quer bzw. umfangsweise zwischen den Seiten 41 oder nach innen zu den darin befindlichen ringförmigen, ausgesparten Innenwänden 58, die zusammen zwischen sich und den Öffnungen 38 der Platten einen Basisring bzw. eine Basis 59 für die vorspringenden keilförmigen Segmente 39 bilden. Wegen der beschriebenen Progression und der in entgegengesetzter Weise mit Löchern gemusterten Platten strömt das Fluid durch die relativ breiten und tiefen Kanalbereiche oder Kanäle 40 und die darauf folgenden Verengungen oder Platten-Segmentöffnungen; die Verengungen 42, 43 legen die Kanäle 45 bis 50 als sinusförmige oder sich in entgegengesetzter Weise windende Fluidwege oder Fluidverläufe fest, wobei sie sich in den Kanälen 40 an dem Umfang nach rechts oder links und/oder radial nach innen oder nach außen drehen können.

Beim Öffnen des Ventils, d. h. beim Anheben des Schaftes 31 und des Zapfens 25, z. B. durch eine äußere pneumatische Membran oder ein anderes Betätigungsorgan werden die drosselnden Kanäle 45 bis 55 nacheinander, d. h. einer nach dem anderen geöffnet, da ihre Abschluß- oder Endwände oder Sperrsegmente 39 c dadurch ihrerseits in ausreichender Weise über die Höhe des Sitzringes 26 angehoben werden, so daß aus dem jeweiligen Kanal Fluid radial nach außen an dem Ring 26 vorbei zur Auslaß-Seite 28 des Ventils strömen kann. Bei maximalem Ventilhub "h" sind dann alle Kanäle 45 bis 55 frei, so daß ein Fluid aus diesen Kanälen herausströmen kann.

Die progressive Aufwärtsbewegung des Zapfens 25 läßt zuerst den Kanal 45, dann den Kanal 46 zusammen mit dem Kanal 45, dann den Kanal 48 zusammen mit den Kanälen 45 bis 47, usw. öffnen. Mit jeder zusätzlichen Öffnung an Drosselkanälen durch die Öffnung bzw. das Anheben des Ventiles oder Ventilzapfens oder mit jeder positiven Variation, Änderung oder Erhöhung der Gesamtfläche für die aktiven Strömungskanäle durch Anheben des Ventiles oder Ventilzapfens ergibt sich eine negative Änderung, d. h. eine inverse Änderung oder Verringerung der Zahl an vertikalen Verengungen 42, 43 die in allen diesen aktiven Kanälen wirksam sind oder in denjenigen Bereichen derselben verbleiben, die noch unter der oberen Grenze der zylindrischen Sitzringwand 56 liegen; diese inverse Änderung oder Verringerung der Zahl an wirksamen Verengungen bzw. Restriktionen steht in direktem Verhältnis zu dem relativen Ventilhub "h".

Die vertikalen Verengungen oder Öffnungen der Segmente 39 a, 39 b und der Zähne 42, 43 bilden ersichtlicherweise nacheinander druckreduzierende Hindernisse gegenüber der Fluidströmung in den aktiven Grenzen oder in den durch den Ring 26 umschlossenen Abschnitten der Fluidleitungen oder Kanäle 45 bis 55. Jede vertikale Verengung oder Restriktion hat einen Staudruckkoeffizienten "k" von 1, wobei

Wenn "K" die Gesamtsumme der Werte "k" ist, der dem längsten Kanal 45 zuzuschreiben ist und wenn "A" als gesamte vertikale Querschnittsfläche aller Fluidleitungen bezeichnet wird, läßt sich der Koeffizient Cv für alle relativen Ventilhubpositionen "h" folgendermaßen berechnen:

In vorstehender Gleichung ist C = 0,8 (Kontraktionskoeffizient) der Ausdruck sollte auf 0,7 als Minimalwert begrenzt sein, da zumindest einige minimale Turbulenz-Druckverluste in dem Körperabschnitt auftreten, auch wenn alle Kanäle freiliegen bzw. geöffnet sind.

Bei einem solchen Drosselventil ergibt sich somit bei jeder Vergrößerung der Strömungsfläche, d. h. des Strömungsquerschnitts, bei Zugabe eines weiteren Drosselkanals eine entsprechende Abnahme des Fluidwiderstands (K) aufgrund des Wegfalls oder der Subtraktion eine Drosselstelle (Verengung) von jedem der aktiven oder freien Kanäle. Vorstehende Gleichung zeigt, daß das Ergebnis eine tatsächliche exponentielle Strömungscharakteristik ist, die gegenüber solchen Charakteristiken ausgezeichnet ist, die mit den üblichen durch Drehung bewegten Ventilzapfen erreichbar ist, wie dies beispielsweise in Fig. 1 gezeigt ist. Die erreichbare Charakteristik ist sehr ähnlich der idealen Charakteristik, um einen konstanten Gewinn oder Nutzen, d. h. einen konstanten Pegel bei der Steuerung mit einem Ventil zu erreichen; dabei sollte das Ventil in der weit geöffneten Position zur Einsparung von Pumpleistung nur einen kleinen Teil des gesamten Druckverlustes der Pumpe reduzieren. Die gewünschte oder ideale Charakteristik für ein derartiges Steuerventil bzw. ein Drosselventil für eine Prozeßsteuerung ergibt sich gemäß folgender Gleichung:

Dabei ist Y das Verhältnis der Druckabfallwerte am Ventil bei großem Öffnungsgrad und kleinem Öffnungsgrad.

Bislang ist kein handelsübliches Ventil verfügbar, welches die vorstehend genannte ideale Charakteristik liefert; lediglich das erfindungsgemäße Drosselventil erreicht die Idealform des Strömungsverlaufs.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen deutlich die stapelförmige Anordnung der Platten 37, den inneren vertikalen Strömungsweg in jedem einzelnen Kanal 45 bis 55 und die plötzlichen Änderungen in der Strömungsrichtung, wenn sich das Fluid in einem beliebigen Kanal von einem Drosselsegment 39 b einer Platte durch die Aussparung oder das Kanalsegment 40 der nächsten oder zweiten Platte in und durch die Öffnungen und Aussparungen 42, 43 des rückwärtigen Drosselsegments 39 b der nächsten oder dritten Platte bewegt, die von dem Kanal in Querrichtung durchsetzt ist.

Dadurch, daß die Aussparungen oder Segmente 40 der Platten 37 kleiner gestaltet werden oder kleinere Bögen als die festen Segmente 39 aufweisen, wird gewährleistet, daß die aus festem Material bestehenden Segmente 39 der aufeinanderfolgenden Platten in der beschriebenen winkelmäßigen oder rotationsförmigen Anordnung mit einer um ein Segment fortschreitenden Anordnung der Platten um die Achse des Stapels oder des Schaftes 35 in einander überlappender oder lagernden Ausbildung liegen, wenn diese Anordnung in vertikaler Richtung durch den Stapel aufeinanderfolgend betrachtet wird. Die horizontalen Aussparungen 40 haben dabei einen größeren Querschnittsbereich als die kombinierte Fläche des Segments 39 a, 39 b der Öffnungen 42 und der Zähne 43, so daß letztere die die Drosselwirkung hervorrufenden Kanalverengungen bilden.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform besteht der Ventilzapfen aus einem festen zylindrischen Element und die drosselnden Strömungskanäle oder Fluidleitungen sind in Form einer Anordnung oder eines Stapels aus ringförmigen Drosselelementen gebildet, z. B aus ringförmigen Scheiben oder Ringen 72, die in der Bohrung eines Gehäuses aufgenommen sind und auf einem festen Ring sitzen, mit dem sie zur Bildung des Ventil-Sitzringes in Verbindung stehen. Die Scheiben oder Platten 72 werden gegen den Ring nach unten gedrückt; der Ring wird durch einen rippenförmigen Käfig gegen eine innere Gehäuseschulter gedrückt, der von einer Führungshülse absteht. Die Platten 72 können außerdem miteinander und mit dem Ring verlötet sein, wodurch eine einzige Sitzringeinheit gebildet wird.

Die zueinander identischen Ringe 72 haben Innenumfänge oder Bohrungen, die von radial nach außen verlaufenden, keilförmigen Öffnungen, Aussparungen oder durch Aussparungen gebildeten Segmenten 80 durchsetzt sind, die mit im wesentlichen festen, keilförmigen Segmenten 81 sich abwechseln, von denen ein Satz 81 a ein Muster von vertikalen Strömungs-Drosselstellen, Mündungen oder Öffnungen 82 und halbrunde oder andere periphere Wände oder Aussparungen 83 aufweist, während der andere Satz 81 b ähnliche Verengungen bzw. Drosselstellen oder Öffnungen 82 und Aussparungen 83 enthält, die radial und/oder winkelmäßig oder am Umfang von den vertikalen Verengungen oder Öffnungen und Aussparungen des ersten Satzes versetzt sind.

In dem Stapel sind die Platten 72 a bis 72 e fortschreitend um einen Winkel oder die Breite eines Segments gedreht, wie dies durch die Mittellinien A₁ bis A₅ in Fig. 6 für ein und dasselbe Aussparungssegment 80 dargestellt ist.

Die beschriebene vertikale, nebeneinanderliegende Anordnung mit entgegengesetztem bzw. umgekehrtem Muster oder auf andere Weise versetzten, mit Öffnungen und Zähnen versehenen Segmenten ergibt eine im wesentlichen vertikale Strömung durch den Stapel, die wiederum kontinuierlich sich windenden oder entgegengesetzt windenden Strömungswegen folgt, weil die Öffnungen 82 und innere Zähne 83 eines im wesentlichen voll ausgebildeten Segmentes 81 a in vertikaler Richtung den festen Abschnitten des in Vertikalrichtung nächstliegenden, im wesentlichen festen Segmentes 81 b gegenüberliegend angeordnet sind; dabei ist zwischen dem Segment 81 a und dem Segment 81 b die beschriebene, fortschreitend vorgesehene, winkelmäßige Versetzung um eine Segmentbreite durch den Stapel hindurch ausgeführt.

Die Zahl und/oder die Größe der vertikalen Verengungen oder Öffnungen 82 nimmt von einem Gehäuseeinlaß zu einem Gehäuseauslaß, d. h. vom Boden zur Spitze des Stapels ab. Ein Anheben des Zapfens vom Dichtungseingriff mit der konusförmigen Fläche des Rings bzw. dem Ventilsitz in Richtung auf die maximale Hubposition bewirkt sowohl eine Zunahme der Drosselstellen bzw. Verengungen oder horizontalen Drosselkanälen 80, die somit gegenüber dem Fluid geöffnet sind bzw. den Einlaß des Fluids ermöglichen, so daß das Fluid durch eine geringere Zahl von vertikalen Drosselkanälen, Öffnungen 82 oder Zähnen 83 hindurchströmen muß. In jedem Teilhubzustand ist das Ventil durch eine allmählich expandierende Strömungsquerschnittsfläche stromab der freiliegenden oder nicht verdeckten Ringe 72 durch die verbleibenden Ringe charakterisiert, die an ihrer Innenwand oder Sitzringwand, welche Peripherien 79 bildet, durch den gleitfähigen Zapfen geschlossen sind, wobei diese Ringe 72 fortschreitend eine größere Zahl an Öffnungen 80 aufweisen.

Claims (1)

1. Drosselventil mit einem Verschlußstück und einem Sitzring, bei dem der Durchfluß durch das Ventil in der Schließstellung vollständig unterbrochen ist und bei dem entweder der Ventilsitz oder das Verschlußstück aus einem Stapel von mehreren übereinanderliegend und konzentrisch zueinander angeordneten, ringförmigen, ausgestanzten, fest gegeneinander anliegenden Metallscheiben besteht, von denen jede der Scheiben Ausschnitte für Strömungskanäle, die jeweils durch keilförmige Scheibenbereiche voneinander getrennt sind, aufweist und alle horizontalen Ausschnitte der Scheiben zu einer der zylindrischen Stapelbegrenzungflächen hin offen und zur anderen Stapelbegrenzungsfläche hin geschlossen sind, wobei das Verschlußstück nach Art eines Kolbens im zylinderförmigen Ventilsitzring geführt wird, und zwar derart, daß die wirksame Anzahl und/oder die wirksame Fläche von Strömungskanälen hubabhängig veränderlich ist, wobei die Durchflußfläche sich umgekehrt mit dem Durchflußwiderstand des Stapels ändert, dadurch gekennzeichnet, daß

   • a) in den keilförmigen Scheibenbereichen (-segmenten) (39, 81) Drossel-Öffnungen (42, 82) vorgesehen sind,
   • b) die Ausschnitte (40, 80) in den Scheiben (37, 72) sich radial und umfangsmäßig so weit erstrecken, daß sie die Bereiche mit den Drossel-Öffnungen (42, 82) in den jeweils benachbarten Scheiben (39, 81) überdecken,
   • c) jeweils benachbarte Scheiben des Stapels winkelmäßig so gegeneinander versetzt ist, daß im Stapel und längs dessen Außenfläche im wesentlichen vertikal verlaufende Strömungskanäle entstehen, wovon jeder gebildet wird durch eine Folge vertikal hintereinander angeordneter Ausschnitte (40, 80) und Drossel-Öffnungen (42, 82),
   • d) die Scheiben so aufgebaut und angeordnet sind, daß der Versatz der vertikal aufeinanderfolgenden Öffnungen dieser Strömungskanäle in Umfangsrichtung alternierend erfolgt, so daß die Strömungskanäle gegeneinander versetzte, gewundene Durchlaßöffnungen bilden, wobei das Fluid in den Ausschnitten (40, 80) im wesentlichen horizontal strömt und senkrecht hierzu aus- und eintritt.