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Mengenregler für strömende Flüssigkeiten
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Die Erfindung betrifft einen Mengenregler für strömende Flüssigkeiten,
insbesondere zum Einbau in Getränkeautomaten o.dgl., bei denen bestimmte Flüssigkeitsmengen
durch zeitlich begrenztes Öffnen eines Abfüllventiles aus einem Vorratsbehälter
abgenommen werden.
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Es ist bekannt, die bei Getränkeautomaten abgenommene Menge aus dem
Vorratsbehälter in einen gesonderten Eichbehälter abzufüllen, wobei das den Zufluß
zum Eichbehälter steuernde Ventil geschlossen wird, wenn dieser gefüllt ist. Vom
Eichbehälter aus wird die Flüssigkeit dann nach außen abgegeben.
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Dieses Verfahren und die dazugehörigen Vorrichtungen vermeiden zwar,
daß die aus dem Vorratsbehälter durch ein zeitlich begrenztes Öffnen eines Ventiles
ausströmende Menge verschieden groß ist, wenn der Vorratsbehälter entweder ganz
gefüllt oder fast leer ist, denn der die Ausströmgeschwindigkeit beeinflussende
statische Druck im Vorratsbehälter spielt bei der geschilderten Methode des Abnehmens
keine Rolle mehr. Nachteilig ist aber der verhältnismäßig komplizierte Aufbau der
Vorrichtung, der durch das gesonderte Abfüllen der Flüssigkeit in einen Eichbehälter
notwendig wird. Insbesondere dann, wenn beispielsweise heiße Getränke, wie Kaffee
o.dgl. ausgeschenkt werden sollen, wird es zudem auch notwendig, den Eichbehälter
und den Raum zu seiner Unterbringung entsprechend zu beheizen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mengenregler der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß ein Zwischenschalten von Eichbehältern überflüssig
wird.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem von der Flüssigkeit
durchströmten rotationssymmetrischen Gehäuseabschnitt ein mit einer verengten Durchflußöffnung
zusammenwirkender Drosselkörper axial beweglich von zwei gegeneinander wirkenden
Federn gehalten ist, dessen Konturen so auf die Federkräfte und auf die Durchfluiöffrlung
abgestimmt sind, daß aufgrund dynamischer Rückkopplung - bewirkt durch die in der
Flüssigkeit auftretenden Drücke - die Lage des Drosselkörpers so verändert wird,
daß er die Durchfll1Höffnung nur so weit freigibt, daß die in einer Zeiteinheit
durcLströmende Menge unabhängig vom Vordruck stets gleich gro ist. Dieser Ausgestaltung
liegt die Erkenntnis zugrunde, da ein in einem durchströmten Querschnitt angeordneter
Körper einen Widerstand für die Strömung darstellt und daß der Körper daher be nach
Strömungsgeschwindigkeit und damit je nach den anstehenden Drücken mehr oder weniger
weit verschoben wird, so daß diese Verschiebung wieder dazu ausgenutzt werden kann,
um einen Durchströmquerschnitt zu verändern, und zwar so, daß abhängig von den am
Drosselkörper herrschenden Drücken durch den Durchströmquerschnitt in einer Zeiteinheit
stets die gleiche Flüssigkeitsmenge durchströmt. Aufgrund dieser Ausgestaltung wird
die Anordnung eines Eichbehälters überflüssig. Der neue hengenregler kann unmittelbar
in die vom Vorratsbehälter abgehende Ausflußleitung eingesetzt werden. Eine gesonderte
Beheizung bei heißen Getränken wird ebenfalls nicht notwendig.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Drosselkörper hülsenförmig und mit einem
umlaufenden, nach außen ragenden Kragen versehen wird, unter den eine am Gehäuseabschnitt
abgestützte Druckfeder greift, während die andere Druckfeder sich im Inneren der
Hülse und an einem in den Gehäuseabschnitt zentral hereinragenden
Bolzen
abstützt. Durch diese Ausgestaltung wirkt nämlich der Kragen der Hülse mit der Wandung
des Gehäuseabschnittes als ein erster Strömungswiderstand1und das Druckgefälle vor
und hinter dem Kragen der Hülse - in Strömungsrichtung gesehen -ist maßgebend für
die Größe der Verschiebung des Drosselkörpers abhängig vom Vordruck. Die Größe der
Durchströmöffnung selbst wird dann in Abhängigkeit von diesem Druckgefälle durch
das mehr oder weniger tief erfolgende Eintauchen des Drosselkörpers in die Durchströmöffnung
bestimmt, wobei die Konturen des Drosselkörpers entsprechend auszulegen ist. Gegen
die von dem Druckgefälle in der strömenden Flüssigkeit ausgeübten Kräfte wirken
die Kräfte der einen Druckfeder in gleicher Richtung wie die Druckkräfte, dagegen
wirken die Kräfte der zweiten Druckfeder. Die Federkonstante beider Druckfedern
addieren sich dabei zu einer gemeinsamen Federkonstanten, die bei der Berechnung
der Querschnittsform berücksichtigt werden muß.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Bolzen, auf dem sich die eine Feder abstützt,
axial verstellbar am Gehäuse gehalten ist, weil dadurch die Vorspannung und der
Arbeitspunkt des Drosselkörpers eingestellt werden können. Vorteilhaft ist es auch,
wenn dieser Bolzen mit einem schirmartig sich in Strömungsrichtung vor dem Kragen
des Drosselkörpers erweiternden Kragen versehen ist, weil dadurch die eintretende
Flüssigkeit in den Bereich der Wandung des Gehäuseabschnittes gedrückt wird, so
daß Umlenkerscheinungen vor dem Eintritt in den Gehäuseabschnitt weitgehend ausgeschaltet
werden können. Vorteilhaft ist es auch, wenn der Gehäuseabschnitt selbst in dem
Bereich eine Querschnittsverdüngung in Strömungsrichtung aufweist, der im Anfangsbereich
der Axialbewegung des Kragens des Drosselkörpers liegt, weil dann auch bei sehr
kleinen Vordrücken, d.h. bei nahezu leerem Vorratsbehälter eine einwandfreie Funktion
gewährleistet bleiben kann.
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Um zu vermeiden, daß bei einem senkrechten Einbau des Mengenreglers
innerhalb
des hülsenförmigen Drosselkörpers noch Restflüssigkeit verbleibt, die bei einer
Reinigung nicht entfernt wird, wird zweckmäßig die Hülse mit einer Öffnung am Boden
versehen. Die wirksame Flache des Drosselkörpers ser=rècht zur Strömungsrichtung
erniedrigt sich daher um die Fläche dieser Offliung.
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Es hat sicn auch h als vorteilhaft erwiesen, wenn in Strömungsrichtung
hinter dem hülsenförmigen Drosselkörper ein gegen den verengten Durctströ.rnquerschnitt
gerichteter, axial verlaufender Rohrabschnitt vorgesehen wird, der Teil eines in
das Gehäuse eingesetzten Topfes sein kann, dessen Boden ebenfalls mit einer Öffnung
versehen ist. Diese Ausgestaltung sorgt für eine Beruhigung der austretenden Strömung,
wobei die Öffnung im Boden wiederum dem vorher schon erwähnten Zweck dient, keine
Restflüssigkeit im Inneren des Topfes anstehen zu lassen. Der Rand des Topfes kann
dabei in der Art einer Schneiae ausgebildet sein und sich mc,glichst nahe an den
zylindrischen Bereich des Drosselkörpers anschließen, der einem kurvenförmigen Bereich
folgt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der verengte Durchflußquerschnitt
in der Art einer Durchflußblende mit einer scharfen Strömungskante ausgebildet ist
und wenn der Drosselkörper eine sphärisch sich verjüngende Form im Bereich der Blende
aufweist, der sich bei sehr hohen Druckunterschieden in dem Bereich des vorher erwähnten
Randes des Topfes verschiebt. Eine einfache Bauart ergibt sich, wenn die Druckfedern
als Kegelfedern ausgebildet sind und wenn das Gehäuse selbst dreiteilig aufgebaut
ist, wobei ein Zu- und ein Abflußstutzen beidseitig in den rotationssymmetrischen
Gehäuseabschnitt eingesetzt sind, die auch zur Befestigung des Bolzens mit Schirm
einerseits und des Topfes andererseits dienen können.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Mengenseglers für
einen Kaffee automaten dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung
erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Mengenregler
nach der Erfindung und Fig. 2 eine Draufsicht auf den Drosselkörper des Mengenreglers
der Fig. 1, in der schematisch die wirksamen Flächen eingezeichnet sind.
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In der Fig. 1 ist zwischen einen Anschlußstutzen 1 und einen hbflußstutzen
2 ein rotationssymmetrisch aufgebauter Gehäuseabschnitt 3 eingesetzt, der im Ausführungsbeispiel
aus einem Kunststoff, ebenso wie Zu- und Abflußstutzen hergestellt ist.
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Zu- und Abflußstutzen sind dabei in den Gehäuseabschnitt eingeschoben
und mit Hilfe von Dichtringen abgedichtet. Die Anschlußstutzen können in bekannter
Weise mit dem Gehäuseabschnitt 3 verklebt oder verschweißt sein. In dem Gehäuseabschnitt
3 sind zwei zylindrische Teilbereiche 4 und 5 mit verschiedenem Durchmesser gebildet,
die über einen konisch ausgebildeten Durchmesser 6 ineinander übergehen. Am unteren
Ende des Gehäuseabschnittes 3 ist eine in der Art einer Durchflußblende ausgebildete
Querschnittsverengung 7 vorgesehen, die einen Durchflußquerschnitt 8 umgibt, der
von scharfen Außenkanten begrenzt ist.
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In den Hohlraum des Gehäuse abschnittes 3 ragt von oben ein Bolzen
9 herein, der abgedichtet in einem Ansatz 10 des Zuflußstutzens 1 geführt ist und
mit einem Gewinde 11 in einem Innengewinde des Ansatzes 10 verschraubt ist. Der
Bolzen 9 läßt sich daher von außen durch Einsetzen eines Werkzeugen in eine Inbusvertiefung
12 in seiner axialen Lage relativ zum Gehäuseabschnitt 3 einstellen.
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Der tolzen 9 ist in Strömungsrichtung, die durch die Pfeile 13
angedeutet
ist, unmittelbar hinter dem Austrittsquerschnitt auc dem ZufluRstutzen 1 mit einem
schirmartig sich erweiternden Kragen 44 versehen, der dafür sorgt, daß die vom Anschlußstutzen
1 zufließende Flüssigkeit in den Bereich der Wandungen des Gehäuseabschnittes 3,
d.h. in den Bereich der zylindrischen Wandung ir Bereich 4 gedrückt wird. Der Bolzen
9 ist außerdem rit einem Fortsatz 15 versehen, an dessen unterem Ende ein ke elföriniger
Ansatz 16 zur Aufnahme des oberen Endes einer Druckfeder 17 vorgesehen ist, die
sich mit dem anderen Ende auf dem Boden eines hülsenförmig ausgebildeten Drosselkörpers
18 abstützt, der innerhalb des Gehäuseabschnittes 3 angeordnet ist und in seiner
in der rechten Hälfte in der Fig. 1 im Schritt gezeigten Lage durch die Anordnung
einer weiteren Druckfeder 19 gehalten ist, wenn der Gehäuseabschnitt 3 nicht von
Flüssigkeit durchströmt wird.
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Der Drosselkörper 18 ist oben mit einem nach außen ragenden Kragen
20 xrersehen,unter den dits Druckfeder 19 greift, die sich auf aem Absatz 7 des
Gehäuseabschnittes 3 abstützt. Der Boden des hülsenförmigen Drosselkörpers 18 ist
mit einer Öffnung 21 versehen, die dafür sorgt, daß innerhalb des Hohlraumes des
Drosselkörpers 18 keine Restflüssigkeit verbleiben kann. Der Drosselkörper 18 besitzt
in seinem unteren Bereich 22 eine sich sphärisch verjüngende Kontur.
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In Strömungsrichtung 13 hinter dem Drosselkörper 18 und hinter der
Durchflußöffnung 8 befindet sich ein topfförmiger Einsatz 23, der in der linken
Hälfte der Fig. 1 geschnitten dargestellt ist. Dieser topfförmige Einsatz 23 wird
im Gehäuse durch einen nach unten ragenden Ansatz 24 des Gehäuseabschnittes 3 und
durch einen dagegengesetzten Rand 25 des Ausflußstutzens 2 gehalten, wobei er mit
vier Stegen 26 nach außen zwischen die erwähnten Absätze greift. Der topfförmige
Einsatz 23 weist oben einen schneidenartig angesp-itzten Rand 27 auf und besitzt
in
seinem Boden eine Öffnung 28, die dem gleichen Zweck dient, wie die Öffnung 21 im
hülsenförmigen Drosselkörper 18.
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Der Rand 27 ist in seinem Durchmesser so bemessen, daß er sich möglichst
eng an den zylindrischen Teil des Drosselkörpers 18 anliegt, wenn dieser, so wie
in der linken Hälfte der Fig. 1 gezeigt ist, bei hohen Druckunterschieden nach unten
in die Öffnung 8 und in das Innere des Einsatzes 23 gedrückt wird.
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Diese Ausgestaltung dient zu einer Beruhigung der Strömung und damit
auch zu einem ruhigen Arbeiten des Drosselkörpers 18.
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Der in der Fig. 1 gezeigte Mengenregler ist in nicht näher dargestellter
Weise zwischen den Ausfluß eines Vorratsbehälters für heißen Kaffee eines Getränkeautomaten
und einem Ausflußventil eingeschaltet, das von außen gesteuert für einen ganz bestimmten
Zeitabschnitt bei Betätigung des Automaten öffnet.
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Wie aus Fig. 1 und 2 hervorgeht, wird beim Öffnen des Ventiles Flüssigkeit
durch den Zuflußstutzen 1 in den Gehäuseabschnitt 3 hereinströmen, wird durch den
Schirm 14 an die Außenwandung gelenkt und tritt dann in den Innenraum des Gehäuseabschnittes
3 unter Vorbeiströmen am Drosselkörper 18 ein. Da die strömende Flüssigkeit in dem
Bereich zwischen dem Umfang des Kragens 20 und dem konischen Innendurchmesser 6
des Gehäuseabschnittes 3 gedrosselt wird, wird der sich dadurch zwischen den Räumen
4 und 6 bzw. 5 einstellende Druckunterschied, der auf die gesamte senkrecht zur
Strömungsrichtung stehende Fläche des Drosselkörpers 18 wirkt - siehe Fig. 2 die
Ringfläche mit dem Radius R, die bis zum Außenrand des Kragens 20 geht, abzüglich
der Ereisfläche mit dem Radius r, die der Öffnung 21 entspricht - zu einer Axialverschiebung
des Drosselkörpers 18 in Strömungsrichtung gegen die Wirkung der Feder 19 führen,
wobei diese Axialbewegung durch die Vorspannkraft der Feder 17 noch unterstützt
wird. In derselben Richtung wie die Feder 19 wirkt auch
noch eine
Kraft, die von dem Druck im Raum 5 und von der Größe der Ringfläche unterhalb des
Kragens 20 bestimmt wird, deren Breite in FiF mit b gezeigt ist. Werden also alle
diese auf den Drosselkörper 18 wirkenden Kräfte für verschiedene Vordrucke Än Betracht
gezogen, die sich bei den verschiedenen Füllständen des Vorratsbehälters ergeben
können, dann läßt sich bei vorgegebenen Durchströmverhältnissen in den Bereichen
4, C und 5 auch der Druck im Bereich 5 errechnen, so daß daraus und unter Berücksichtigung
der von beiden Federn 19 und 17 gegebenen Federkonstanten die Axialverschiebung
des Drosselkörpers 18 bestimmt werden kann.
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Eine solche Axialverschiebung würde aber nur dann gelten, wenn im
Bereich des Durchtrittsquerschnittes 8 keine sich ändernde Drosselwirkung etnnreten
würde. Der Drosselkörper 8 wird aber in seinem mit der Öffnung 8 zusammenwirkenden
Bereich 22 mit einer sich sphärisch verJungenden Form ausgestattet, so daß bei einer
Axialverschiebung auch eine unterschiedliche Drosselwirkung zwischen Drosselkörper
18 und Querschnitt 8 eintritt.
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Das wiederum führt zu einem Ansteigen des Druckes im Raum 5, d.h.
zu einer größeren Gegenkraft. Der freie Querschnitt zwischen Öffnung 8 und Drosselkörper
8 muß dabei stets so bemessen sein, daß in Abhängigkeit von dem Druck im Raum 5,
der wiederum vom Vordruck abhängig ist, durch den Querschnitt 8 stets die gleiche
Flüssigkeitsmenge in einer Zeiteinheit durchfließt. Der Drosselkörper 8 befindet
sich dabei stets in einem Kräftegleichgewicht und sorgt aufgrund seiner Formgebung
dafür, daß das angestrebte Ziel eines in der Zeiteinheit konstanten Durchflusses
erreicht wird.
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Im einzelnen können die gewünschten Querschnitte im Ventil und die
entsprechenden Flächen-, Durchfluß- und Druckgrößen, die in der Zeichnung angegeben
sind, in Abhängigkeit vom Hub H des Ventiles aufgrund folgender Beziehungen bestimmt
werden: Mit dem neuen Ventil soll die Bedingung erfüllt werden, daß die
im
Sinne des Pfeiles 13 in den oberen Stutzen des Ventiles 1 zulaufenden Menge # 0
unabhängig von der Änderung des dort herrschenden Vordruckes PO auch beim Austritt
im Sinne des Pfeil es 13a aus dem Ventil erhalten bleibt. Es gilt daher @0 = @1
+ @2 = const., wobei @1 der Teilstrom der durch das Ventil fließenden Menge ist,
der außen um den Ventilkörper 18 herumfließt und - 2 die Teilmenge, die durch den
querschnitt 21 durchtritt. Werden die verschiedenen Querschnitte mit A1, A2 und
A3 bezeichnet, wie das in der Zeichnung angegeben ist und beträgt der Hub maximal
die Größe H, so ergeben sich bei gegebener Federkonstante C der beiden Federn 17
und 19 folgende Zusammenhänge: @1 = . A2 . P 0 wobei die Dichte des Mediums ist
und @2 = @0 - @1 = f (von A1; A2) A1; A2 = f (H) P1 = f (A1; A2;Po) und P0 . #/4
. (R² - r1²) = P1 . #/4 . (R²-r2²) + H . C Durch Einsetzen der entsprechenden Größen
lassen sich die Abmessungen des neuen Ventiles bestimmen.