DE3733673A1 - Unterdruckregler zum regeln des unterdruckes in einem unterdrucksystem - Google Patents

Unterdruckregler zum regeln des unterdruckes in einem unterdrucksystem

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Unterdruckregler, welcher automatisch den Unterdruck in einem Unterdruck­ system regelt.
Es ist eine Vielzahl von verschiedenen Ventilen bekannt, die dazu dienen, den Unterdruck in einem bestimmten Unter­ drucksystem zu regeln. Insbesondere bei der Papierher­ stellung werden Unterdruck-Regelventile in großem Umfang verwendet, u. a. zur Regelung des Unterdrucks in sogenann­ ten Saugkästen, siehe beispielsweise US-PS 37 66 933. Ein bekanntes Ventil verwendet einen Doppelkolben mit Kolben unterschiedlicher Größe und mit Rollmembranen. Durch die Bewegung des Doppelkolbens wird eine kleine Membran dazu gebracht, Öffnungen in einem Zylinder abzu­ decken oder freizugeben, um entsprechend dem gewünschten Unterdruck eine Strömung durch die Öffnungen zuzulassen oder zu unterbinden.
Das US-Patent 44 13 644 zeigt ein Ventil, das eine Mehr­ zahl von Ventilkörpern in Tandemanordnung zeigt, um den Unterdruck in Saugkästen oder dergl. zu steuern.
Das US-Patent 43 90 036 zeigt einen Unterdruckregler, der mehrere Plunger aufweist, von denen einer mit mehreren Öffnungen in seiner Innenwand versehen ist und eine Roll­ membran besitzt, um die Verbindung mit der Unterdruck­ welle und/oder der Atmosphäre zu Drosselzwecken abzu­ sperren oder freizugeben.
Das US-Patent 44 66 455 bezieht sich auf einen Unterdruck­ regler, der einen verschiebbaren Kolben und eine biegsame Membran aufweist, die als Ventil arbeitet. Wenn der Kolben sich in der einen Richtung bewegt, sperrt die Membran die Öffnung in der Seitenwand des Kolbens, während sie in der anderen Bewegungsrichtung des Kolbens die Öffnung freigibt.
In den Fällen, in denen Membranen verwendet werden, um Öffnungen in einer Drosselvorrichtung freizugeben oder anzudecken, sind schwere Membranen erforderlich. Die schweren Membranen haben eine geringere Biegsamkeit und dadurch ein schlechteres Ansprechverhalten mit entsprechend höherer Hysterese. Zudem steht in bestimmten Anwendungs­ fällen, insbesondere bei der Papierherstellung, die Mög­ lichkeit einer Verschmutzung der notwendigerweise kleinen Öffnungen, die für die Drosselung verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Unterdruck­ regler zu schaffen, bei dem auf die Verwendung von schweren Membranen und kleinen Drosselöffnungen verzichtet wird und der dadurch ein schnelleres Ansprechverhalten und eine verringerte Hysterese sowie eine erhöhte Funktionsfähigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Der erfindungsgemäße Unterdruckregler weist eine Kolben­ einheit auf zum Regeln des Unterdrucks in einem Unter­ drucksystem, beispielsweise einem Saugkasten einer Papier­ maschine. In einer Ausführung ist eine Kammer zwischen einem großen oberen Kolben und einer Membran an einem kleinen unteren Kolben vorgesehen. Die Membran wird mit Druckluft beaufschlagt, welche bestrebt ist, aufgrund der Unterschiede der Kolbenflächen die Kolbeneinheit anzuheben. Der Boden des unteren Kolbens ist dem geregelten Unter­ druck ausgesetzt, der bestrebt ist, die Kolbeneinheit nach unten zu ziehen. Die Höhe der Druckluft wird so einge­ stellt, daß sie eine Kraft erzeugt, die gleich der Kraft ist, die von dem geregelten Unterdruck auf den Boden des unteren Kolbens ausgeübt wird. Die gesamte Kolbeneinheit kann sich senkrecht in eine Stellung bewegen, in welcher die auftretenden Kräfte ausgeglichen sind.
Die Drosselung wird mit Hilfe eines senkrechten Fensters mit konstantem Durchmesser und veränderlicher Höhe erreicht.
Der Boden des unteren Kolbens ist nur dem geregelten Unter­ druck ausgesetzt und nicht dem Mittel zwischen dem Unter­ druck der Unterdruckquelle und dem geregelten Unterdruck. Durch die Verwendung einer großen, veränderlichen Drossel­ öffnung wird ein Verstopfen vermieden. Außerdem kann eine leichtere Membran verwendet werden, die flexibler ist und schneller anspricht.
Die Form des unteren Kolbens kann verändert werden, solange die Steuerfläche, d. h. die Fläche, auf welche der geregel­ te Unterdruck wirkt, durch die Geometrie des Ventils so gehalten ist, daß der Quellen-Unterdruck nicht unter den Kolben wandern und dadurch die Regelung beeinflussen kann. Die Kolbeneinheit kann eine Mehrzahl von Kolben aufweisen, die für bestimmte Ausgleicherfordernisse zwischen dem ge­ regelten Unterdruck und dem Steuerdruck in Tandem arbeiten. Außerdem können Rückkopplungsmittel vorgesehen werden, um eine Selbsteinstellung des Ventils zu erreichen.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt eines Unterdruckreglers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2A ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Unterdruckreglers, teilweise geschnitten, wobei sich die Kolbeneinheit in einer Mittel­ stellung befindet,
Fig. 2B einen Schnitt ähnlich Fig. 2A, wobei die Kolben­ einheit in der Schließstellung ist,
Fig. 2C einen Schnitt ähnlich Fig. 2A und 2B, wobei sich die Kolbeneinheit in der Offenstellung befindet und
Fig. 3 einen Schnitt ähnlich Fig. 2A bis 2C eines Unter­ druckreglers gemäß einem dritten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung.
Es sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in welcher ein Unter­ druck-Regelventil (10) dargestellt ist, das ein äußeres zylindrisches Gehäuse (12) aufweist, in welchem eine Ventileinheit (14) hin- und herbewegbar ist. Das Gehäuse (12) ist durch einen Anschluß (16) mit einer Unterdruck­ quelle und durch einen Anschluß (18) mit einem Unter­ drucksystem, beispielsweise den Saugkästen einer Papier­ maschine verbunden.
Die Ventileinheit (14) weist einen Steuerkolben (20) auf, der durch eine Kolbenstange (24) mit einem kleineren Ventilkolben (22) verbunden ist. Die Kolben (20) und (22) sind mit Rollmembranen (26) bzw. (28) versehen, welche Kammern (30) und (30 A) begrenzen. Die untere Rollmembrane (26) liegt zwischen dem Ventilkolben (22) und einer sich nach unten erstreckenden Hülse (34).
Der Ventilkolben (22) ist oberhalb eines kreisförmigen Ventilsitzringes (32) angeordnet, der mit dem Ventilkol­ ben (22) eine Kammer (36) begrenzt, die mit dem Anschluß (16) in Verbindung steht.
Die Kammer (30 A) ist zur Atmosphäre offen, während die Kammer (30) durch eine Leitung (38) mit einer Steuerdruck­ quelle in Verbindung steht. Ein erhöhter Druck in der Kammer (30) ist bestrebt, auf Grund der Unterschiede der Kolbenflächen der Kolben (20) und (22) die Ventileinheit (14) nach oben zu bewegen. Der Boden (40) des unteren Kolbens (22) ist dem geregelten Unterdruck ausgesetzt, welcher bestrebt ist, die Ventileinheit (14) nach unten zu ziehen. Der in der Kammer (30) wirkende Steuerdruck kann so eingestellt werden, daß er eine Kraft ausübt, die gleich der Kraft ist, die durch den gewünschten, auf den Boden (40) des Ventilkolbens (22) wirkenden Unterdruck erzeugt wird. Die Ventileinheit (14) kann sich senkrecht frei in eine Lage bewegen, in welcher die auf sie ausge­ übten Kräfte ausgeglichen sind.
Die Drosselung wird durch ein senkrechtes Fenster von konstantem Durchmesser und veränderlicher Höhe bewirkt. Der Durchmesser des Fensters entspricht dem Durchmesser der kreisförmigen Öffnung in dem Ring (32) und die Höhe entspricht dem Abstand des Ventilsitzringes (32) vom Boden (40) des Ventilkolbens (22). Der Ventilkolben (22) sollte nicht so weit nach oben verschoben werden können, daß der Drosselquerschnitt, d. h. der Querschnitt des genannten Fensters so groß wird wie der Querschnitt des Unterdruck- Anschlusses (16), da sonst der höhere Unterdruck der Unter­ druckquelle auf den Boden (40) des Kolbens (22) wirken kann. Wenn dies eintritt, würde der Quellen-Unterdruck die Regelung durch die Ventileinheit (14) beeinflussen.
Während ein zylindrischer Ventilkolben (22) mit ebenem Boden dargestellt ist, wobei die Drosselung zwischen dem Ventilsitzring (32) und der Kante (42) des Kolbens (22) eintritt, sei bemerkt, daß auch andere Formen und Größen von Kolben verwendet werden können, solange die Drosselzone derart gesteuert wird, daß der Quellen-Unterdruck die Be­ wegung der Ventileinheit (14) nicht beeinflußt. Konische Kolben und konische Ventilsitze könnten ebenfalls verwen­ det werden, wenn sie sich als geeignet erweisen.
Es sei nun auf Fig. 2A bis 2C Bezug genommen, in denen ein Unterdruckregler (100) dargestellt ist, der über ein Standrohr (104) mit einem Separator (102) verbunden ist, der seinerseits mit einem Saugkasten einer Papiermaschine in Verbindung steht. Der Regler (100) ist außerdem über einen Anschluß (106) mit einer Unterdruckquelle verbunden.
Der Unterdruckregler (100) weist eine Kolbeneinheit (112) mit zwei durch eine Kolbenstange (128) miteinander verbundenen Kolben (114) und (116) auf. Der Steuerkolben (116) ist verschiebbar in einem Zylinder (118) angeordnet und bildet in diesem zwei Kammern (120) und (122), von denen die obere Kammer (120) durch eine Öffnung (124) mit der At­ mosphäre in Verbindung steht, während die untere Kammer (122) durch einen Anschluß (126) über einen Druckregler (108) mit einer Druckluftquelle verbunden ist. Durch Ver­ änderung des Drucks in der Kammer (122) mittels des Reglers (108) wird auf den Steuerkolben (116) eine einstellbare Kraft augeübt und dadurch in später zu beschreibender Weise der Unterdruck im Standrohr (104) geändert. Der Ventilkolben (114) ist senkrecht verschiebbar in einem Zylinder (130) angeordnet und begrenzt mit seiner Oberseite eine Kammer (132), die durch Öffnungen (134) mit der At­ mosphäre in Verbindung steht. Das untere Ende des Ventil­ kolbens (114) wirkt mit einem Ventilsitzring (136) zusammen. Die Kammer (137) zwischen der Zylinderwand (130) und dem Ventilsitzring (136) steht mit dem Unterdruckanschluß (106) in Verbindung. Die Lage des Ventilkolbens (114) re­ lativ zu dem Ventilsitzring (136) bestimmt die Strömung von dem Saugkasten über den Separator (102), das Standrohr (104) und den Ventilsitzring (136) zum Unterdruckanschluß (106). Der untere Abschnitt des Ventilkolbens (114) ist an seinem Umfang mit V-förmigen Nuten (138) versehen, durch welche die Strömung verläuft. Wie vorher erwähnt, können jedoch auch anders geformte Kolben verwendet werden. In Fig. 2A ist der Ventilkolben (114) in seiner halboffe­ nen Stellung gezeigt.
Fig. 2B zeigt den Ventilkolben (114) in seiner Schließ­ stellung, so daß keine Strömung vom Standrohr (104) zum Unterdruckanschluß (106) erfolgen kann. In Fig. 2C ist der Ventilkolben (114) in seiner offenen Endstellung, in welcher die größtmögliche Strömung stattfindet.
Die grundsätzliche Arbeitsweise des Unterdruckreglers (100) ist folgende:
Der Druckregler (108) wird in Verbindung mit dem Luftzylin­ der (118) und dem Steuerkolben (116) dazu benutzt, der auf den Ventilkolben (114) nach unten wirkenden Kraft entgegen­ zuwirken, um den Unterdruck im Standrohr (104) konstant zu halten oder dessen Stellung zu verändern, um den Unter­ druck in dem Standrohr (104) und in dem Saugkasten zu ver­ ändern. Die nach unten auf den Ventilkolben (114) wirkende Kraft entsteht durch den Unterschied der auf ihn wirkenden Drücke mit Atmosphärendruck in der Kammer (120) und dem ge­ regelten Unterdruck in der Kammer (140), die mit dem Stand­ rohr (104) gekoppelt ist.
Um den Unterdruck in dem Standrohr (104) und damit in dem angeschlossenen Saugkasten zu erhöhen, wird der Luftdruck in der Kammer (122) erhöht, wodurch die auf den Steuer­ kolben (116) und damit auch auf dem Ventilkolben (114) wirkende, nach oben gerichtete Kraft erhöht wird.
Dadurch bewegt sich der Ventilkolben (114) nach oben, so daß die freiwerdenden Querschnittsflächen der V-Nuten (138) vergrößert und der Druckgradient über dem Ventilkolben (114) verringert wird, wodurch ein höherer Unterdruck in dem Stand­ rohr (104) entsteht. Der Ventilkolben (114) bewegt sich nach oben, bis die auf ihn wirkende, nach unten gerichtete Kraft, die durch den geregelten Unterdruck in der Kammer (140) erzeugt wird, die nach oben gerichtete Kraft auf­ hebt, die durch den Druck in der Kammer (122) erzeugt wurde. Wenn umgekehrt der Unterdruck verringert werden soll, wird der Luftdruck in der Kammer (122) gesenkt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2B werden im folgenden die Kräfte, die im Betrieb auftreten, erklärt. Die druck- oder unter­ druckbeaufschlagten Flächen sind mit F und die auf diesen Flächen wirkenden Drücke mit P bezeichnet.
Dabei ist
F 1 die Fläche des Steuerkolbens (116)
P 1 der in der Kammer (120) herrschende Druck (Atmosphären­ druck = 1,035 bar)
P 2 der in der Kammer (122) herrschende Steuerdruck
F 2 die Fläche der Oberseite des Ventilkolbens (114)
P 3 der in der Kammer (132) wirkende Druck (Atmosphärendruck)
F 3 die Fläche der Unterseite des Ventilkolbens (114)
P 4 der Unterdruck der Unterdruckquelle
P 5 die Differenz zwischen Atmosphärendruck P 1 und geregeltem Unterdruck Pv
G das Gewicht der Kolbeneinheit (Kolben (114) und (116) und Kolbenstange (128)).
Nach unten gerichtete Kräfte:
P 1 F 1 + P 3 F 2 + G
Nach oben gerichtete Kräfte:
P 2 F 1 + P 5 F 3 = P 2 F 1 + F 3 (P 1 - Pv)
Im Betrieb müssen die Kräfte ausgeglichen sein. Somit ist
Gleichung 1
P 1 F 1 + P 1 F 2 + G = P 2 F 1 + F 3 (p; - Pv)
Wie ersichtlich, spielt der Druck P 4 (Unterdruck der Unter­ druckquelle) bei der Regelung keine Rolle. Dies ist wesent­ lich, da sich der geregelte Unterdruck sonst ändern würde, wenn sich der Unterdruck der Unterdruckquelle verändert.
Zur Berechnung des Steuerdruckes P 2, der für einen gegebenen geregelten Unterdruck Pv erforderlich ist, sei folgendes an­ genommen:
F 1: 182,5 cm2
F 2: 365,7 cm2
F 3: 323,8 cm2
G:   3,6 kg
Geregelter Unterdruck:
Pv = 0,172 bar (2,5 psi)
P 5 = P 1 - Pv = 0,862 bar (12,5 psia)
Aus Gleichung 1 folgt
P 2 = 1,6 bar.
Wenn sich der geregelte Unterdruck Pv von seiner Einstellung von 0,172 bar um 17 mbar, also auf 0,135 bar verringert, wird P 5 zu 0,88 bar.
Gemäß Gleichung 1 ergibt sich die unausgeglichene oder korrigierende Kraft p aus
P 1 F 1 + P 2 F 2 + G + p = P 2 F 1 + F 3 (P 1 - Pv) zu
p = 5,07 kp
Diese Kraft p schiebt den Ventilkolben (114) nach oben, wodurch der freigegebene Querschnitt vergrößert wird mit dem Bestreben, den Unterdruck auf seinen eingestellten Wert von 0,172 bar zu bringen.
Um die korrigierende Kraft zu berechnen, muß die Annahme gemacht werden, daß eine gleiche, aber entgegengesetzt wirkende Kraft p ausgeübt wurde, um das Ventil im Gleich­ gewicht zu halten.
In Fig. 3 enthält der Luftzylinder (118′) eine Tandem- oder Doppelkolbeneinheit (112′) mit zwei Kolben (142) und (144), die miteinander durch eine Kolbenstange (146) und mit dem Ventilkolben (114′) durch eine Kolbenstange (148) ver­ bunden sind. Dadurch werden in dem Luftzylinder (118′) vier Kammern (120′), (150), (122′) und (152) gebildet, von denen die Kammern (120′) und (150) durch Bohrungen (124′) mit der Atmosphäre in Verbindung stehen, während die Kammer (122′) mit der Steuerdruckquelle und die Kammer (152) über eine Rückkopplungsleitung (152) mit dem Anschluß (104′) verbunden ist.
Eine Berechnung der Vorteile der Tandemanordnung ergibt folgendes, wobei P 1, P 2, P 3 und P 4 die Drücke in den Kammern (120′), (122′), (150) und (152), P 5 der Druck in der Kammer (132′), P 6 der Unterdruck der Unterdruckquelle und P 7 der Unterdruck im Anschluß (104′) ist. F 1 ist die Kolbenfläche der Kolben (142) und (144), F 2 ist die Fläche der Oberseite des Ventilkolbens (114′) und F 3 ist die Fläche der Unter­ seite des Ventilkolbens (114′). G ist wiederum das Gewicht der Kolbeneinheit aus den Kolben (142), (144), (114′) und den Kolbenstangen (146) und (148), in diesem Fall 5 kg.
Nach unten wirkende Kräfte:
P 1 F 1 + P 3 F 1 + P 5 F 2 + G
Nach oben wirkende Kräfte:
P 2 F 1 + P 4 F 1 + P 7 F 3 = P 2 F 1 + (P 1 - Pv) (F 3 + F 1)
P 1 = P 3 = P 5 = Atmosphärendruck
P 4 = P 7 = P 1 -pv
Im Betrieb müssen sich die nach oben und die nach unten wirkenden Kräfte aufheben. Bei Verwendung der gleichen Werte wie im ersten Beispiel ergibt sich der Steuerdruck P 2, der von dem Druckregler (108′) eingeregelt werden muß, wenn der geregelete Unterdruck 0.172 mbar sein soll, zu: P 2=1.77 bar gegenüber 1.6 bar im vorhergehenden Beispiel. Wenn der geregelte Unterdruck von 2.5 psi=0.172 bar wiederum um 0.25 psi=17 mbar auf 0.155 bar absinkt, wird P 7 zu 0.88 bar und die korrigierende Kraft p zu 13.2 kp.
Mit dieser Kraft wird der Ventilkolben (114′) nach oben geschoben, wodurch sich die freie Durchtrittsfläche vergrößert und der Unterdruck auf seinen eingestellten Wert ansteigen kann, während bei dem vorhergehenden Beispiel nur eine korrigierende Kraft 5.07 kp festgestellt wurde. Demzufolge kann die Tandemanordnung abhängig von der jeweiligen Anwendung zweckmäßiger sein.
Sowohl bei der Einzel- als auch bei der Doppelkolbenanordnung ist es wünschenswert, Luftzylinder mit geringer oder ohne Reibung zu verwenden, denn je größer die Reibung, desto geringer ist die erzielte Regelung. Anstelle der reibungsfreien Zylinder können auch Faltenbalge verwendet werden zusätzlich zu anderen geeigneten Anordnungen.
Die Kammer (152) ist, wie erwähnt, durch eine Leitung (154) mit dem Standrohr (104′) (oder auch mit der Kammer (140′)) verbunden. Dies ergibt einen Rückkopplungs- oder Selbstkorrektureffekt zwischen P 4 und P 7. Wenn P 7 ansteigt, steigt auch P 4, wodurch die Kolbeneinheit nach oben bewegt wird, was ein Absenken von P 7 zur Folge hat.

Claims (7)

1. Unterdruckregler zum Regeln des Unterdruckes in einem Unterdrucksystem, mit einem Gehäuse (12), das einen ersten Anschluß (16, 106, 106′) für eine Unterdruckquelle und einen zweiten Anschluß (18, 104, 104′) für das Unterdrucksystem aufweist, und in der eine Kolbeneinheit (14) angeordnet ist, die einen Steuerkolben (20, 116, 142) aufweist, der in einer mit einer Steuerdruckquelle verbindbaren Kammer (30, 112, 112′) hin- und herbewegbar ist und mit einem Ventilkolben (22, 114, 114′) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben (22, 114, 114′) mit einem zwischen den beiden Anschlüssen angeordneten Ventilsitz (32) zusammen­ wirkt und zwischen einer die Ventilöffnung voll freigeben­ den und einer diese voll absperrenden Stellung bewegbar ist, um die Höhe des geregelten Unterdrucks in dem zweiten An­ schluß zu regeln, wobei eine solche Drosselung des Unter­ drucks zwischen dem Ventilkolben und dem Ventilsitz statt­ findet, daß eine Beeinflussung der Bewegung des Ventilkolbens durch den Quellenunterdruck ausgeschlossen ist.
2. Unterdruckregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz von einem Ring (32, 136) gebildet ist, dessen Öffnung mit dem unteren Endabschnitt (40) zusammen­ wirkt, wobei die Drosselung durch ein senkrechtes Fenster von variabler Höhe zwischen dem Endabschnitt und dem Ring (32, 136) stattfindet.
3. Unterdruckregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des Ventilsitzringes (136) zur Aufnahme des unteren Endabschnittes des Ventilkolbens (114) bestimmt ist und dieser Endabschnitt eine Mehrzahl von V-förmigen Nuten (138) aufweist.
4. Unterdruckregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Luftzylinder (118), der mindestens einen Luftkolben (116) enthält, welcher mit dem Ventilkolben (114) mittels einer Kolbenstange (128) verbunden ist, und Mittel (108) zur Regulierung der auf den Luftkolben (116) wirkenden Druckdifferenz zwecks Erreichen der gewünschten Drosselung durch den Ventilkolben (114).
5. Unterdruckregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftzylinder (118′) mindestens zwei tandemartig mit­ einander gekoppelte Luftkolben (142, 144) enthält.
6. Unterdruckregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ge­ kennzeichnet durch eine Rückkopplungsleitung (154) zwischen der Kolbeneinheit und dem zweiten Anschluß (104′).
7. Unterdruckregler nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Tandemkolben (144) einerseits von dem geregelten Unterruck am zweiten Anschluß (104′) und anderer­ seits von Atmosphärendruck und der andere Tandemkolben (142) einerseits von dem regelbaren Steuerdruck und andererseits von Atmosphärendruck beaufschlagt ist.
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