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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft einen Volumenstromregler für gasförmige Medien,
insbesondere für Lüftungs- und Klimaanlagen, mit einem durch ein Gehäuse verlaufenden
Strömungskanal, der eine den Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung verringernde
gebogene Düsenwand aufweist, einem zusammen mit der Düsenwand einen Durchlaß begrenzenden
Regelorgan, welches unter der Wirkung einer in Richtung auf eine Vergrößerung des
Durchlasses drückenden elastischen Druckvorrichtung steht, und mit einer zur Veränderung
des Volumenstromes verstellbaren Stützvorrichtung zum Abstützen der Druckvorrichtung.
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Ein bekannter Volumenstromregler dieser Art (DE-AS 20 19 862) weist
einen rotationssymmetrischen Strömungskanal auf, in dem eine Achse angeordnet ist,
an der das Regelorgan in Längsrichtung verschiebbar geführt ist. An der Achse ist
ein Widerlager befestigt, an dem sich eine elastische Druckvorrichtung in Form einer
Exponentialfeder abstützt. Diese Feder drückt das Regelorgan in Richtung auf eine
Vergrößerung des Strömungsquerschnitts. Die Düsenwand hat einen solchen Verlauf,
daß die auf das Regelorgan wirkende Kraft der Luftströmung,in Abhängigkeit von der
Längsbewegung des Regelorgans,den Verlauf einer Exponentialfunktion aufweist. Durch
das Zusammenwirken dieser Exponentialfunktion mit der exponentiellen Kennlinie der
Feder wird ein relativ großer Regelbereich mit kleinen Regelabweichungen erzielt
Andererseits wird dieser Regelbereich dadurch eingeschränkt, daß das Regelorgan,
das nicht seitlich ausweichen kann, einen erheblichen Teil des Strömungsquerschnitts
versperrt.
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Das Regelorgan enthält außerdem eine pneumatische Dämpfungseinrichtung.
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Die bekannten Volumenstromregler haben den Nachteil, daß die Mindest-Druckdifferenz,
bei der die Regelung einsetzt, insbesondere bei hohen eingestellten Volumenströmen
relativ groß ist. Diese hohe "Ansprechschwelle" hat zur Folge, daß die gesamte Lüftungsanlage,
in die der Volumenstromregler eingebaut ist, einen hohen Energiebedarf hat. Insbesondere
müssen die in der Anlage enthaltenen Ventilatoren mit entsprechend höherer Energieaufnahme
betrieben werden,
als dies bei einem idealen Volumenstromregler
der Fall wäre.
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Der Erfingung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Volumenstromregler
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Mindest-Druckdifferenz (Ansprechschwelle),
die zum Erreichen des Soll-Volumenstromes nötig ist, verringert ist, und der gegenüber
den bekannten Volumenstromreglern eine verringerte Schwingneigung aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das
Regelorgan aus einem ersten Klappenschenkel einer winkelförmigen Klappe besteht,
die an einer quer zur Strömungsrichverlaufenden Gelenkachse gelagert ist und deren
beide Klappenschenkel schräg entgegen der Strömungsrichtung weisen, daß die Stützvorrichtung
einen zwischen die Klappenschenkel ragenden Halter aufweist und daß die Druckvorrichtung
zwischen dem Halter und dem zweiten Klappenschenkel angeordnet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Volumenstromregler ist eine winkelförmige
Klappe vorgesehen, auf deren beide Klappenschenkel der statische Druck gleichermaßen
einwirkt, wobei die in Bezug auf die Schwenkachse an beiden Schenkeln erzeugte Drehmomente
jedoch einander entgegengesetzt gerichtet sind. Diese Drehmomente stehen in einem
Verhältnis zueinander,das sich mit dem Drehwinkel der Klappe verändert. Bei vergrößertem
Soll-Volumenstrom wird das Gegendrehmoment höher und die Druckvorrichtung wird entlastet.
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Dadurch steigt der Volumenstrom an, d.h. der Ansprechdruck wird geringer.
Andererseits ergibt die winklige Form der Klappe eine geringe Schwingungsanfälligkeit
und eine kurze Bauform des Volumenstromreglers.
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Das Regelorgan kann seitlich ausweichen, so daß es bei großem Soll-Volumenstrom
und niedriger Druckdifferenz nahezu den gesamten Querschnitt des Strömungskanals
freigibt. Dadurch wird ein großer Regelbereich erzielt.
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Die Lagerung der Klappe an der Gelenkachse kann extrem reibungsarm
ausgeführt werden, was ebenfalls zur Verringerung des Mindest-Ansprechdrucks beiträgt.
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Der erfind unggemäße Volumenstromregler reagiert bereits bei kleinen
Druckdifferenzen zwischen Einlaß und Auslaß. Dies bedeutet, daß der Ist-Volumenstrom
den Sollwert auch bereits bei kleinen Druckdifferenzen erreicht. Dadurch ist es
möglich, die in der Lüftungs-oder Klimaanlage enthaltenen Ventilatoren u. dgl. entsprechend
leistungsarm auszubilden bzw. zu betreiben, wodurch gegenüber bekannten Volumenstromreglern
eine Energieersparnis von etwa 10% eintritt - abgesehen davon, daß die Investitionskosten
geringer werden.
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Der Volumenstromregler nach der Erfindung hat wegen der einander
entgegengesetzten Drehmomente, die an den beiden Klappenschenkeln erzeugt werden,
weiterhin den Vorteil, daß die Federkraft, die von der Druckvorrichtung aufgebracht
werden muß, relativ klein sein kann. Dies bedeutet, daß die Druckvorrichtung klein
sein kann und die Baugröße des Volumenstromreglers nicht wesentlich beeinflußt.
Der auf den zweiten Klappenschenkel einwirkende Druck unterstützt die Kraft der
elastischen Druckvorrichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auf der
der Düsenwand gegenüberliegenden Seite eine Begrenzungswand vorgesehen, die mindestens
für kleine Öffnungsstellungen des Regelorgans entsprechend dem Schwenkweg des Endes
des zweiten
Klappenschenkels gebogen ist und einen Nebenweg zwischen dem zweiten
Klappenschenkel und dem Gehäuse versperrt. Die Begrenzungswand kann derart gcformt
sein, daß sie bei einem großen eingestellten Volumenstrom und großer Öffnungsstellung
des Regelorgans den Nebenweg zum Durchlaß frei gibt. Auf diese Weise wird nur dann,
wenn die Stützvorrichtung auf einen großen Soll-Volumenstrom eingestellt ist, der
Nebenweg freigegeben. Die Luft strömt dann nicht nur durch den Durchlaß, sondern
auch parallel hierzu durch den Nebenweg. Bei ansteigendem Vordruck bewirkt der sich
einstellende Spaltquerschnitt dieses Nebenweges in Verbindung mit dem anschließenden
Druckrückgewinn eine Kompensation des Vordrucks. Dies führt zu einem konstanten
Volumenstrom, der unabhängig vom Vordruck ist. Damit ist es möglich, Korrekturen
an der Regelkennlinie vorzunehmen, um die Regelgenauigkeit über einen großen Regelbereich
zu erhöhen. Andererseits wird verhindert, daß bei zunehmenden Soll-Volumenstrom
der Ansprechdruck des Regelorgans vergrößert wird.
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Vorzugsweise ist parallel zur Druckvorrichtung eine pneumatische
Dämpfungsvorrichtung mit einer eine Drosselöffnung aufweisenden Dämpfungskammer
angeordnet und die Drosselöffnung ist mit der Einlaßseite des Strömungskanals verbunden.
Die Dämpfungskammer besteht vorzugsweise aus einem Faltenbalg. Da im stationären
Zustand außerhalb und innerhalb der Dämpfungskammer der gleiche Luftdruck herrscht,
kann die Dämpfungskammer dünnwandig ausgebildet sein. Durch das Gegendrehmoment,
das durch den zweiten Klappenschenkel erzeugt wird, wird auch das von Luftgeschwindigkeitsschwankungen
herrührende Drehmoment, das auf die Dämpfungsvorrichtung einwirkt, erheblich reduziert,
so daß die Dämpfungsvorrichtung entsprechend weniger leisten muß.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Halter
bei mittlerem eingestellten Volumenstrom und mittlerer Öffnungsstellung des ersten
Klappenschenkels etwa parallel zu dem zweiten Klappenschenkel verläuft. Dies hat
zur Folge, daß in dem genannten Zustand die Druckvorrichtung (Feder) und die Dämpfungsvorrichtung
geradlinig verlaufen und daß diese beiden Vorrichtungen bei Abweichungen des ersten
Klappenschenkels aus dieser Position nur relativ wenig gebogen werden. Dadurch werden
Druckvorrichtung und Dämpfungsvorrichtung möglichst wenig bogenförmig verformt,
so daß ihre Charakteristiken, die auf axiale Verformungen abgestimmt sind, nicht
wesentlich verfälscht werden.
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Die Düsenwand weist vorzugsweise einen in Bezug auf den Strömungskanal
konkav gebogenen Einlaufbereich auf, der in einen konvex gebogenen Arbeitsbereich
übergeht, welcher zusammen mit dem Regelorgan den Durchlaß begrenzt. Durch diese
Form der Düsenwand wird das Geschwindigkeitsprofil im Durchströmquerschnitt so beeinflußt,
daß sich bei höherem Soll-Volumenstrom (größerer Klappenöffnung) der Druckrückgewinn
im anschließenden Diffusor vergrößert. Dabei sollte das Ende des ersten Klappenschenkels
nach außen gewinkelt sein, um den Druckrückgewinn zu vergrößern. Auch dies trägt
zur Verringerung des Ansprechdruckes bzw. der Mindestdruckdifferenz bei.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch den Volumenstromregler
entlang der Linie I-I von Fig. 2,
Fig.2 eine Ansicht des Volumenstromreglers
aus Richtung des in Fig. 1 dargestellten Strömungspfeiles, Fig. 3 eine Darstellung
der exponentiellen Druckvorrichtung und Fig. 4 eine schematisches Diagramm des Volumenstromes
in Abhängigkeit vom Differenzdruck.
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Der dargestellte Volumenstromregler weist ein rechteckiges Gehäuse
10 auf, in dessen Vorderseite der Strömungskanal 11 hineinführt. Der Strömungskanal
11 wird an einer Seite durch die Düsenwand 12 begrenzt, die einen konkav gebogenen
Einlaufbereich 12a und einen konvex gebogenen Arbeitsbereich 12b aufweist.
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Dies bedeutet, daß die Düsenwand 12 S-förmigen Verlauf hat, wobei
der Strömungsquerschnitt vom Einlaß zum Auslaß stetig verringert wird. Die Höhe
des Gehäuses 10 bzw. des Strömungskanals 11 ist vom Einlaß bis zum Auslaß durchgehend
konstant.
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Auf der der Düsenwand 12 entgegengesetzten Seite befindet sich die
winkelförmige Klappe 13, deren erster Schenkel 14 das in den Strömungskanal 11 hineinragende
Regelorgan bildet Der Klappenschenkel 14 begrenzt zusammen mit der Düsenwand 12
den Durchlaß 15 des Volumenstromreglers.
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Der zweite Klappenschenkel 16 der Klappe 13 verläuft unter einem
spitzen Winkel zu dem ersten Schenkel 14. Beide Schenkel 14 und 16 sind durch ein
Basisteil 17 miteinander verbunden,von dessen Enden Laschen 18 in den Bereich des
von den Klappenschenkeln 14 und 16 oberbegrenzten Winkels abstehen. Die Gelenkachse
19, die in den Laschen 18 an der oberen Gehäusewand 20 bzw. der unteren Gehäusewand
21 gelagert ist, schneidet die Winkelhalbierende der Klappenschenkel 14 und 16 rechtwinklig.
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Durch eine Öffnung im Basisteil 17 ragt der Arm 22 der Stützvorrichtung
23 hindurch. Der Arm 22 ist an einer koaxial zur Gelenkachse 19 verlaufenden (nicht
dargestellten) Schwenkachse am Gehäuse 10 gelagert.
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Sein äußeres Ende ist über ein Gelenk 24 mit einer Stellvorrichtung,
im vorliegenden Fall einer pneumatischen Kolben-Zylindereinheit 25, verbunden. Die
im Gehäuse 10 befindliche Stützvorrichtung 23 ist abgewinkelt und als Halter 26
für die Druckvorrichtung 27 und die Dämpfungsvorrichtung 28 ausgebildet. In der
dargestellten Position verläuft der Halter 26 nahezu parallel zum zweiten Klappenschenkel
16. Die Druckvorrichtung 27 und die Dämpfungsvorrichtung 28 sind jeweils mit ihrem
einen Ende an dem zweiten Klappenschenkel 16 und mit ihrem anderen Ende an dem Halter
26 befestigt. Die Dämpfungsvorrichtung 28 besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen
Faltenbalg, dessen Dämpfungskammer nur über eine Drosselöffnung 29 des Halters 26
mit der Außenluft in Verbindung steht, und zwar mit der Anströmseite des Reglers.
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Die Klappenschenkel 14 und 16 sind jeweils ebene Blechplatten, die
sich über die gesamte Höhe des Gehäuses 10 erstrecken. Das freie Ende des Klappenschenkels
16 bewegt sich auf einem Kreisbogen um die Gelenkachse 19. Im vorderen Abschnitt
(Einlaßabschnitt) des Gehäuses 10 ist eine bogenförmige Begrenzungswand 30 befestigt,
deren Verlauf der Bewegungsbahn des Endes des zweiten Klappenschenkels 16 folgt.
Die Begrenzungswand 30 steht über eine Verbindungswand 31 mit der der Düsenwand
12 abgewandten Seitenwand 32 des Gehäuses 10 in Verbindung. Das der Düsenwand 12
zugewandte Ende der Trennwand 30 begrenzt den Einlaß des Strömungskanals 11 und
ist mit einem Flansch 33 zum Anschluß des Zuströmkanals 34 versehen. Dieses Ende
der Begrenzungswand 30 ist etwa in der Ebene der Winkelhalbierenden zwischen den
Klappenschenkeln 14 und 16 bei mittiger Klappenstellung angeordnet.
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Wenn der erste Klappenschenkel 14 innerhalb des Strömungskanals 11
eine große Öffnungsstellung einnimmt, bewegt sich das Ende des zweiten Klappenschenkels
16 über das Ende der Begrenzungswand 30 hinaus, so daß ein Nebenweg vom Strömungskanal
11 in den hinter dem zweiten Klappenschenkel 16 liegenden Raum 34 gebildet wird,
der mit dem Auslaß 35 des Volumenstromreglers in Verbindung steht.
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Anstelle des dargestellten kreisbogenförmigen Verlaufs der Begrenzungswand
30 kann diese Begrenzungswand auch den gestrichelt dargestellten Verlauf 30' haben.
Hierbei vergrößert sich der Querschnitt des Nebenweges mit zunehmender Öffnungsstellung
des Regelorgans.
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Der erste Klappenschenkel 14 weist ein in Richtung auf die Düsenwand
12, also nach außen, abgewinkeltes Endteil 14a auf.
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Der dargestellte Volumenstromregler arbeitet wie folgt: Zur Einstellung
des Soll-Volumenstromes wird die Stellvorrichtung 25 betätigt. Soll der Volumenstrom
gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Stellung vergrößert werden, wird der Kolben
der Stellvorrichtung 25 ausgefahren, so daß der Arm 22 im Uhrzeigersinn verschwenkt
wird. Dadurch wird auch die Klappe 13 im Uhrzeigersinn verschwenkt und der Durchlaß
15 vergrößert. Soll der Volumenstrom verkleinert werden, dann wird der Arm 22 im
Gegenuhrzeigersinn verschwenkt, wodurch der Klappenschenkel 14 zur Düsenwand 12
hin geschwenkt wird. Die anströmende Luft trifft auf den Klappenschenkel 14. In
Abhängigkeit von der zwischen Einlaß und Auslaß des Volumenstromreglers herrschenden
Druckdifferenz wird der erste Klappenschenkel 14 entgegen der Wirkung der Druckvorrichtung
27 auf die Düsenwand 12 zubewegt, wodurch sich der Durchlaß 15 in Abhängigkeit von
der Druckdifferenz verkleinert. Die Düsenwand 12 ist derart geformt, daß die auf
den zweiten Klappenschenkel 14 einwirkende Strömungskraft in Abhängigkeit von dem
Schwenkweg des ersten Klappenschenkels 14 im wesentlichen exponentiellen Verlauf
hat. Dem Verlauf dieser Charakteristik ist die Kennlinie der Feder, aus der die
Druckvorrichtung 27 besteht, angepaßt. Je größer die Druckdifferenz ist, umso mehr
wird der erste Klappenschenkel 14 an die Düsenwand 12 angenähert. Die Länge des
Klappenschenkels 14, einschließlich des Endteils 14a, ist größer als die Länge des
zweiten Klappenschenkels 16, so daß die auf den Klappenschenkel 14 ausgeübte Druckkraft
die auf den Klappenschenkel 16 durch die Luft ausgeübte Druckkraft überwiegt. Auf
den Klappenschenkel 14 wirkt statischer und dynamischer Druck ein, während auf den
Klappenschenkel 16 vorwiegend statischer Druck einwirkt.
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Bei niedrigem eingestellten Volumenstrom und hoher Druckdifferenz
nimmt die Klappe 13 die in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Position ein, in der
der Durchlaß 15 sehr klein wird. Bei hohem eingestellten Volumenstrom und niedriger
Druckdifferenz gibt der zweite Klappenschenkel 14 den Strömungskanal 11 nahezu vollständig
frei. Außerdem wird der Nebenweg um den zweiten Klappenschenkel 16 herum geöffnet.
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Fig. 3 zeigt die Form der die Druckvorrichtung 27 bildenden Feder.
Die Schraubenfeder hat an den Enden eine geringe Steigung. Dagegen ist die Steigung
im mittleren Bereich am größten. Die Feder besteht durchge-
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aus einem Federdraht konstanter Stärke und mit konstanten Eigenschaften. Im Anfangsbereich
der Zusammendrückung der Feder legen sich die äußeren Windungen bei relativ geringer
Kraft schnell aneinander an. Die mittleren Windungen bieten einen größeren Widerstand
gegen axiales Zusammendrükken der Feder, so daß die Federcharakteristik exponentiell
ansteigt. Die Feder ist in Längsrichtung symmetrisch, so daß sie auch bei Durchbiegung
ihrer Längsachse die genannte Federcharakteristik im wesentlichen beibehält.
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In Fig.4 ist das Betriebsverhalten eines bekannten Volumenstromreglers
dargestellt. Die Kurven 36a, 36b und 36c zeigen den Verlauf des Volumenstromes VL(m3/h)
über der Druckdifferenz dP zwischen Einlaß und Auslaß des Reglers. Den Verlauf der
Kurve 36a erhält man bei einem kleinen eingestellten Volumenstrom und die Kurve
36c bei einem großen eingestellten Volumenstrom. Die Punkte 37a, 37b und 37c kennzeichnen
jeweils die Mindest-Druckdifferenz, die erforderlich ist, damit der Regler den Soll-Volumenstrom
erreicht.
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Man erkennt, daß die Mindest-Druckdifferenz insbesondere für große
eingestellte Volumenströme relativ groß ist.
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Kurve 38 zeigt den Verlauf der Regelkurve bei dem erfindungsgemäßen
Volumenstromregler. Da hier ein Druckrückgewinn 39 auftritt, ist für alle eingestellten
Volumenströme der Mindestdruck kleiner als bei den Volumenstromreglern nach dem
Stand der Technik. Der eingestellte Sollwert des Volumenstroms wird, wie bereits
erwähnt, bei einer sehr geringen Druckdifferenz zlPerreicht.
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Die Verstellung der Stützvorrichtung muß nicht notwendigerweise über
eine Kolben-Zylinder-Einheit 25 erfolgen. Hierfür können auch andere Stelleinrichtungen
oder eine manuelle Verstellmöglichkeit vorgesehen sein, beispielsweise ein in einer
bodenförmigen Schlitzführung des Gehäuses 10 geführtes Klemmteil.
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