DE2807457C3

DE2807457C3 - Druckdifferenz- und temperaturabhängiger Widerstand

Info

Publication number: DE2807457C3
Application number: DE19782807457
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. 5000 Köln Weingarten
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-02-22
Filing date: 1978-02-22
Publication date: 1981-12-17
Also published as: DE2807457A1; DE2807457B2

Description

Rh =

AQ

JL

Bekannt sind hydraulische Widerstände mit laminarer Strömung und solche mit turbulenter Strömung. Bei Vorliegen einer laminaren Strömung, die bei großer Bei Uhrungslänge zwischen Strömung und Bauelement, z. B. in Kapillaren und engen Spalten auftritt, ergibt sich der Volumenstrom Ql bei der Druckdifferenz Δρ am Widerstand aus der Beziehung

K₁

Darin bezeichnet η die dynamische Zähigkeit des Strömungsmediums und K\ ist eine von der Querschnittsgeometrie abhängige Größe. Der hydraulische Er ist also von der Viskosität und damit von der Betriebstemperatur des Mediums abhängig.

Turbulente Strömung liegt bei sehr kurzen Berührungslängen zwischen der Strömung und dem Bauelement z. B. bei scharfkantigen Querschnittsverengungen und Blenden, vor. Für den Volumenstrom bei turbulenter Strömung gilt die Beziehung

ⁿ Q₇.= K₂ VTp.

K₂ hängt hierbei von der Geometrie der Querschnittsverengung und von der — weitgehend konstanten — Dichte des Mediums ab. K₂ ist nur in sehr geringem Maße temperaturabhängig. Wegen des nichtlinearen Zusammenhanges zwischen Qt und Δρ ergibt sich bei turbulenter Strömung für den hydraulischen Widerstand

Der Widerstandswert einer scharfkantigen Querschnittsverengung wird also stark durch die anliegende jo Druckdifferenz Δρ bestimmt

Technische Querschnittsverengungen weisen häufig Mischformen von laminarer und turbulenter Strömung auf. Rh ist deshalb meistens von den Betriebsparametern Viskosität — und damit der Temperatur — und Druckdifferenz abhängig.

Für bestimmte Anwendungsfälle sind aber Strönungswiderstände erforderlich, deren hydraulischer Widerstand weitgehend unabhängig von allen Betriebsparametern ist und der sich analog zur Elektrotechnik (R = UZI)SLUS

R₁₁ = —r- = Constant

ergibt. Dazu muß die Strömung im Widerstand turbulent sein — damit er temperaturunabhängig ist — und der Volumenstrom linear von der Druckdifferenz abhängen. Einsatzgebiete für derartige lineare Widerstände sind z. B. hydraulisch-mechanische Dämpfungsnetzwerke und Widerstände als Volumenstrom-Sensoren. Dabei soll eine Druckdifferenz als Ausgangssignal des Volumenstrom-Fühlers linear dem fließenden Volumenstrom proportional sein. Für diese Anwendungen ist auch von Bedeutung, daß bei der Funktion eines solchen Gerätes keine Reibung zwischen bewegten Teilen auftritt, damit Fehler durch diesen Effekt vermieden werden.

Bisher sind druckdifferenz- und temperaturunabhängige Widerstände nur als Volumenstrom-Sensoren

ho bekanntgeworden. Es handelt sich dabei um scharfkantige Querschnittsverengungen — etwa eine scharfkantige Prallscheibe in einer progressiv sich erweiternden Bohrung —, die sich mit steigendem Volumenstrom in der Weise gegen eine Federkraft öffnen, daß die dazu

μ erforderliche Druckdifferenz linear proportional dem durchfließenden Volumenstrom ist. Diese Geräte werden entweder als Meßgeräte für Volumenströme eingesetzt oder sie dienen dazu, eine geräteinterne

Volumenstromregelung in einem Ventil zu realisieren. Bei solchen Geräten strebt man an, daß sie für einen möglichst großen Volumenstrombereich einen relativ niedrigen Druck aufbauen, der nur zu Meßzwecken dient. Der Widerstand

Rn--Q

solcher Geräte ist also recht niedrig; ein normaler Wert ist z. B.:

R₁₁ =

2 bar
50 l/min

Ein Nachteil der bekanntgewordenen Geräte ist, daß sie gegeneinander bewegte Teile haben, was Reibung und dadurch bedingte Fehler verursacht

Für andere Anwendungsfälle, z. B. bei hydraulischen Netzwerken oder zur Messung sebr kleiner Volumenströme sind sehr hohe hydraulische Widerstände erforderlich, die druckdifferenz- und temperaturunabhängig sind. Hierfür sind die bisher bekannten Bauweisen, wie sie für Volumenstrom-Sensoren eingesetzt werden, nicht geeignet, da mit ihnen keine hohen Widerstandswerte realisiert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Widerstand zu Finden, der einen weitgehend linearen Zusammenhang zwischen Druckdifferenz und dem durchfließenden Volumenstrom aufweist und dessen Widerstandswert sehr hoch und weitgehend temperaturunabhängig ist Auch sollen bei der Funktion des Widerstandes Fehler infolge mechanischer Reibung zwischen bewegten Bauteilen ausgeschaltet werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung der geforderte lineare Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz und dem Volumenstrom dadurch erreicht, daß ein unveränderlicher und ein von der anliegenden Druckdifferenz veränderlichen Widerstand in Reihe geschaltet sind. Dabei wird ersterer als Düse und letzterer als Ringspalt zwischen der Düsenmündung und einer Prallplatte ausgeführt

Bei den bisher bekannten Anwendungen der Düse-Prallplatte-Kombination (z. B. in Servoventilen) wird im Gegensatz zur geschilderten Erfindung nur der Widerstandswert des Ringspaltes zur Beeinflussung der Strömung eingesetzt. Der Widerstandswert der Düse wird hierbei so gering aufgelegt, daß der vernachlässigbar ist (siehe Merritt, H. E.: Hydraulic Control Systems, John Wiley and Sons, New York 1967).

Zur Vermeidung von durch Reibung zwischen bewegten Bauteilen verursachten Fehlern wird ein durch die anstehende Druckdifferenz elastisch verformbares Bauteil vorgesehen, dessen Verformung auf die Prallplatte übertragen wird, in der Weise, daß deren Abstand von der Düsenmündung in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zunimmt.

Die Baugruppe Düse/Prallplatte ist so gestaltet, daß sie als Rückschlagventil für die umgekehrte Strömungsrichtung arbeitet.

Bei Widerständen, die in beiden Richtungen durchströmt werden sollen, werden zwei Baugruppen Düse/Prallplatte vorgesehen, die entgegengesetzt parallel geschaltet sind. Diesen beiden Baugruppen ist ein gemeinsames elastisches Bauteil zugeordnet, dessen Verformung auf die jeweils zu steuernde Baugruppe übertragen wird.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt

Bild 1 zeigt eine erste Ausführungsform, die für kleine Volumenströme, d.h. hohe Widerstände R_H gedacht ist

B i 1 d 1 a zeigt eine Einzelheit dieser Bauart. B i 1 d 2 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der zwei Strömungsrichtungen des Mediums möglich sind.

ίο Bei der Ausführungsform nach Bild 1 und la weist der Widerstand ein zweiteiliges Gehäuse la, Ib auf, zwischen dessen Teilen eine Membran 2 von der Dicke A₂ angeordnet ist Auf ihr ruht ein Stößel 3, der in den oberen Gehäuseteil la hineingeführt ist Im oberen Gehäuseteil ist eine elastische Biegefeder 4 von der Dicke h\ einseitig eingespannt die als Prallplatte wirkt Ihre Querschnittsform kann beliebig sein. Etwa in der Mitte der Biegefeder, bei A, liegt der Stößel 3 an ihr an. Im unteren Gehäuseteil IZ? befindet sich eine aus dem Gehäuse herausführende Bohrung 10 mit einer Ausnehmung 9, welche einen Radius rhat. -^er größer ist als der Radius der Bohrung 10. im oberen Gehäuseteil la ist eine entsprechende nach außen führende Bohrung 13 vorgesehen, die ebenfalls eine Ausnehmung 11 hat deren Durchmesser größer ist, als der der zugehörigen Bohndg. Die Ausnehmung 9 ist auf der Seite, auf der sich der Stößel 3 abstützt durch eine oder mehrere Bohrungen 12 mit der Ausnehmung 11 verbunden. In der Ausnehmung 11 befinden sich der Stößel 3 und die Prallplatte bzw. Biegefeder 4. Von der unteren Ausnehmung 9 geht seitlich eine Winkelbohrung 8 ab, die die Membran in ihrem zwischen den beiden Gehäuseteilen eingespannten Bereich durchdringt und in die Ausnehmung des oberen Gehäuseteils mündet An der Mündungsstelle ist in diese Bohrung eine Düse 5 eingelassen, die eine Bohrung 6 vom Durchmesser dp besitzt Die Biegefeder 4 hat nahe ihrem freien Ende bei B einen Abstand /o von der Düsenmöndung. Zwischen der Düsenmündung und der Unterseite dar Biegefeder wird somit ein Ringspalt 7 gebildet. Die freie Länge der Biegefeder von der Einspannkante bis zur Düsenachse beträgt /, der Abstand der Düsenachse von der Stößelachse ist x.

Das Druckmittel strömt in die Bohrung 10 des unteren Gehäuseteils mit dem Druck p< ein, tritt durch die Bohrung 8, die Düse 5 und den Ringspalt 7 in die Ausnehmung 11 des oberen Gehäuseteils ein. Es verläßt den Raum 11 durch die Bohrung 13 mit dem Druck pi. Auf diesem Weg durch den Widerstand belastet das Strömungsmedium die frei in die Ausnehmungen 9, 11 ragenden Flächen der Membran, wodurch der Stößel nach oben geschoben wird und die Biegefeder nach oben durchbiegt. Dadurch wird der Ringspalt 7 veräußert, und zwar um so mehr, je größer die Druckdifferenz ist Der mit der unveränderbaren Düsenbohrung 6 \n Reihe geschaltete Rinjspalt 7 ist somit mit der Druckdifferenz veränderlich.

Bei richtiger Auswahl der Maße /i_t, h₂, x, I. r und dp steigt der Volunenstrom weitgehend mit der Druckdifferenz linear an, d. h. der hydraulische Widerstand ist über einen großen Bereich konstant. Es entsteht eine weitgehend lineare Q = /(zlp)-Kennlinie is. einem breiten — bei ρ = 0 bar beginnenden — Anwendungs bereich.

u=, Zur Auslegung des Widerstandes wird zuerst der gewünschte Anwendungsbereich und der Widerstandswert festgelegt. Soll der Widerstand im Druckbereich 0 -=- Ap linear sein und in diesem Bereich den Wert Rh

haben, so bestimmt man für einen Druck Ap_n = \,5Ap den Volumenstrom

Der Durchmesser dp der Düsen 6 ergibt sich dann aus der Bedingung, daß sich die (extrapolierte) Δρ-Q-Kermlinie des linearen Widerstandes und die zi/?-(?-K.ennlinie der Düsen im Punkt <?2.Δρο schneiden müssen.
Der zu wählende Düsendurchmesser dp liefert mit

•V,

0.44 -^- Γ—1 (,/„in mm: /., in bar)
/I/»,, L b;ir J

die ÖHnungsempfindliehkeit V, der i'nillphitte und mit /,', - 0,036 d_n

die Voröffnung f₀ der Prallplatte (Abstand Düse-Prallplatte bei Ap = 0). Über das Längenverhältnis l/x der Prallplatte (Biegebalken) liefert 5, die Empfindlichkeit und mit dem Membranradius rdie Federsteifigkeit der Membran und damit ihre Dicke Λ2. Die Prallplatte sollte breiter sein als der Düsendurchmesser (b > dp) und die Dicke h] des Biegebalkens soll so bemessen sein, daß die Kraftrückwirkung auf die Membran klein gegenüber den Druckkräften bleibt.

Der hydraulische Widerstand läßt sich für große Widerstandswerte in miniaturisierter Bauweise ausführen. So ergibt sich für einen Widerstandswtrt von

100 bar

" , ,,—:—
2 l/min

ein Gerät mit den Außenabmessungen von 40 mm χ 40 mm χ 40 mm.

In vielen Fällen muß der hydraulische Widerstand in zwei Richtungen durchströmt werden. Um dies zu ermöglichen, wird gemäß dem Ausführungsbeispiel nach B i I d 2 eine gleiche Anordnung von Winkelbohrung, Düse, Stößel und Biegefeder, wie im Bild I dargestellt, auf der anderen Seite der Membran angeordnet. Die zu der Strömungsrichtung von unten nach oben gehörenden Teile sind mit den Bezugsziffern 3, 4, 5 ohne Index versehen, während die der Strömung von oben nach unten entsprechenden Teile zusätzlich den Index a tragen. Im ersten Fall wird die Düse 5. im anderen Fall die Düse 5a durchströmt. Um zu verhindern, daß auch die jeweils andere Düse durchströmt wird, wirken die Düsen zusammen mit den Biegefedern als Rückschlagventile für die entgegengesetzte Strömungsrichtung, indem die Biegeleder die Düsenmündung abschließt. Bei der Strömung von unten nach oben ist daher die Düsenmündung 5a und bei der Strömung von oben nach unten die Düsenmündung 5 geschlossen. Auf diese Weise ist immer nur eine Strömungsrichtung möglich, die aber wahlweise von unten nach oben oder von oben nach unten sein kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druckdifferenz- und temperaturunabhängiger hydraulischer Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß ein unveränderlicher Widerstand und ein von der anliegenden Druckdifferenz veränderlicher Widerstand in Reihe geschaltet sind.

2. Widerstand nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unveränderliche Widerstand als Düse (5, 6) und der veränderliche Widerstand als Ringspalt zwischen der Düsenmündung und einer Prallplatte ausgebildet ist

3. Widerstand nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die anliegende Druckdifferenz elastisch verformbares Bauteil (2) vorgesehen ist, dessen Verformung auf die Prallplatte (4) in der Weise übertragen ist, daß ihr Abstand von der Düsenmündung in Abhängigkeit von der Druckdifferenz veränderbar ist.

4. Widerstand nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse/Praüplatte-Baugruppe als Rückschlagventil für die umgekehrte Strömungsrichtung ausgebildet ist.

5. Widerstand nach den Patentansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Düse/Prallplatten-Baugruppen (4,5 und 4a, 5a) vorgesehen sind, die entgegengesetzt parallel geschaltet sind.

6. Widerstand nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Düse/Prallplatten-Baugruppen ein gemeinsames verformbares Bauteil (2) zugeordnet 'si, dessen Bewegung auf die jeweils zu steuernde Düse/Prallplatte-Baugruppe übertragbar ist

7. Widerstand nach den Patentansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daL· die Prallplatte als einseitig eingespannte Biegefeder (4) ausgebildet ist wobei zwischen ihr und dem elastisch verformbaren Bauteil ein Stößel (3) angeordnet ist, der die Bewegung des elastischen Bauteils auf die Biegefeder überträgt.

8. Widerstand nach den Patentansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Bauteil als zwischen den Gehäuseteilen (la, \b) eingespannte Membran (2) gestaltet ist.

Widerstand bei laminarer Strömung Ä/yist definiert zu