DE3733673C2 - Unterdruckregler - Google Patents

Unterdruckregler

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Description

Die Erfindung betriffte einen Unterdruckregler mit einem Gehäuse, einem ersten Anschluß für eine Unterdruckquelle, einem zweiten Anschluß für ein Unterdrucksystem, einer in dem Gehäuse angeordneten Steuerkolbeneinheit, die in einer mit einer Steuerdruckquelle verbundenen Kammer hin- und herbewegbar ist und vom durch die Steuerdruckquelle eingestellten Steuerdruck beaufschlagt ist, wodurch eine Kraft in Axialrichtung resultiert, und einem mit der Steuerkol­ beneinheit verbundenen Ventilkolben, der abhängig von der Stellung der Steuerkolbeneinheit den Strömungsdurchgang zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß 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 3 766 933.
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 4 413 644 zeigt ein Ventil, das eine Mehr­ zahl von Ventilkörpern in Tandemanordnung zeigt, um den Unterdruck in Saugkästen oder dergl. zu steuern.
Das US-Patent 4 390 036 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 4 466 455 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 abzudecken, 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, mit konstruktiv einfachen Mitteln einen Unterdruckregler mit schnellem An­ sprechverhalten und geringer Hysteres zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Unterdruckregler mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Unterdruck­ reglers sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 7.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Ventilkolbens übt der Unterdruck in dem ersten Anschluß keine Kraft in Richtung der Hin- und Herbewegung auf den Ventilkolben aus, so daß der erfindungsgemäße Unterdruckregler ein schnelles Ansprechver­ halten und eine geringe Hysterese aufweist.
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 (30A) 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 Hammer (30A) 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 Baden 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 verbunden 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 ausgeübt 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 U-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. 28 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 U-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
F1 die Fläche des Steuerkolbens (116)
P1 der in der Kammer (120) herrschende Druck (Atmosphären­ druck = 1.035 bar)
P2 der in der Kammer (122) herrschende Steuerdruck
F2 die Fläche der Oberseite des Ventilkolbens (114)
P3 der in der Kammer (132) wirkende Druck (Atmosphärendruck)
F3 die Fläche der Unterseite des Ventilkolbens (114)
P4 der Unterdruck der Unterdruckquelle
P5 Die Differenz zwischen Atmosphärendruck P1 und geregeltem Unterdruck Pv
G das Gewicht der Kolbeneinheit (Kolben (114) und (116) und Kolbenstange (128)).
Nach unten gerichtete Kräfte: P1F1 + P3F2 + G
Nach oben gerichtete Kräfte: P2F1 + P5F3 = P2F1 + F3(P1 - Pv)
Im Betrieb müssen die Kräfte ausgeglichen sein. Somit ist
Gleichung 1
P1F1 + P1F2 + G = P2F1 + F3 (p - Pv)
Wie ersichtlich, spielt der Druck P4 (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 P2, der für einen gegebenen geregelten Unterdruck Pv erforderlich ist, sei folgendes an­ genommen:
F1: 182,5 cm2
F2: 365,7 cm2
F3: 323,8 cm2
G: 3,6 kg
Geregelter Unterdruck: Pv = 0.172 bar (2,5 psi)
P5 = P1 - Pv = 0.862 bar (12,5 psia)
Aus Gleichung 1 folgt
P2 = 1.6 bar
Wenn sich der geregelte Unterdruck Pv von seiner Einstellung von 0.172 bar um 17 mbar, also auf 0.155 bar verringert, wird P5 zu 0.88 bar.
Gemäß Gleichung 1 ergibt sich die unausgeglichene oder korrigierende Kraft p aus
P1F1 + P2F2 + G + p = P2F1 + F3(P1-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 (154) mit dem Anschluß (104') verbunden ist.
Eine Berechnung der Vorteile der Tandemanordnung ergibt folgendes, wobei P1, P2, P3 und P4 die Drücke in den Kammern (120'), (122'), (150) und (152), PS der Druck in der Kammer (132'), P6 der Unterdruck der Unterdruckquelle und P7 der Unterdruck im Anschluß (104') ist. F1 ist die Kolbenfläche der Kolben (142) und (144), F2 ist die Fläche der Oberseite des Ventilkolbens (114') und F3 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:
P1F1 + P3F1 + P5F2 + G
Nach oben wirkende Kräfte:
P2F1 + P4F1 + P7F3 = P2F1 + (P1 - Pv) (F3 + F1)
P1 = P3 = P5 = Atmosphärendruck
P4 = P7 = P1 - 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 P2, der von dem Druckregler (108') eingeregelt werden muß, wenn der geregelte Unterdruck 0.172 mbar sein soll zu:
P2 = 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 P7 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 ver­ größert 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 je­ weiligen Anwendung zweckmäßiger sein.
Sowohl bei der Einzel- als auch bei der Doppelkolbenanord­ nung ist es wünschenswert, Luftzylinder mit geringer oder ohne Reibung zu verwenden, denn je größer die Reibung, desto geringer ist die erzielte Regelung. Anstelle der reibungs­ freien 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 Selbst­ korrektureffekt zwischen P4 und P7. Wenn P7 ansteigt, steigt auch P4, wodurch die Kolbeneinheit nach oben bewegt wird, was ein Absenken von P7 zur Folge hat.

Claims (7)

1. Unterdruckregler mit
  • 1. einem Gehäuse (12),
  • 2. einem ersten Anschluß (16, 106, 106') für eine Unterdruckquelle,
  • 3. einem zweiten Anschluß (18, 104, 104') für ein Unterdrucksystem,
  • 4. einer in dem Gehäuse (12) angeordneten Steuerkol­ beneinheit (20, 116, 142), die in einer mit einer Steuerdruckquelle (38, 108, 108') verbundenen Kammer (30, 122, 122') hin- und herbewegbar ist und vom durch die Steuerdruckquelle (38, 108) eingestellten Steuerdruck beaufschlagt ist, wodurch eine Kraft in Axialrich­ tung resultiert,
  • 5. einem mit der Steuerkolbeneinheit (20, 116, 142) verbundenen Ventilkolben (22, 114, 114'), der mit einem zwischen den beiden Anschlüssen angeordneten Ventilsitz (32) zusammenwirkt und so ein senkrech­ tes Fenster von konstantem Durchmesser und verän­ derlicher Höhe bildet und zwischen einer die Ven­ tilöffnung voll freigebenden und einer diese voll absperrenden Stellung bewegbar ist, um die Höhe des Unterdrucks in dem zweiten Anschluß (18, 104, 104') zu regeln,
  • 6. wobei der Ventilkolben (22, 114, 114') so ausgebil­ det ist, daß der Unterdruck in dem zweiten An­ schluß (18, 104, 104') den Ventilkolben (22, 114, 114') in Axialrichtung entgegengesetzt zur vom Steuerdruck ausgeübten Kraft zieht,
  • 7. und wobei Maßnahmen derart vorgesehen sind, daß der Ventilkolben nicht soweit in Richtung voll freige­ bender Stellung verschoben werden kann, daß die Querschnittsfläche des Fensters so groß wird wie die Querschnittsfläche des ersten Anschlusses (16, 106, 106').
2. Unterdruckregler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilsitz von einem Ring (32, 136) gebildet ist, dessen Öffnung mit dem unteren End­ abschnitt (40) des Ventilkolbens (22, 114, 114') zu­ sammenwirkt, wobei das Fenster zwischen dem Endab­ schnitt (40) und dem Ring (32, 136) gebildet ist.
3. Unterdruckregler nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Öffnung des Ventilsitzringes (136) zur Aufnahme des unteren Endabschnittes des Ventil­ kolbens (114) bestimmt ist und dieser Endabschnitt eine Mehrzahl von V-förmigen Nuten (138) aufweist.
4. Unterdruckregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkolbeneinheit von wenigstens einem in einem Luftzylinder (118) an­ geordneten Luftkolben (116) gebildet wird, welcher mit dem Ventilkolben (114) mittels einer Kolbenstange (128) verbunden ist, und die Steuerdruckquelle (38, 108) mit dem Luftzylinder (118) verbunden ist.
5. Unterdruckregler nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Luftzylinder (118') mindestens zwei tandemartig miteinander gekoppelte Luftkolben (142, 144) angeordnet sind.
6. Unterdruckregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Regelleitung (154) zur Beaufschlagung der Steuerkolbeneinheit (20, 116, 142) mit dem Druck in dem zweiten Anschluß (104').
7. Unterdruckregler nach den Ansprüchen 5 oder 6, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Luftkolben (144) einer­ seits von dem geregelten Unterdruck am zweiten An­ schluß (104') und andererseits von Atmosphärendruck und der andere Luftkolben (142) einerseits von dem regelbaren Steuerdruck und andererseits von Atmosphä­ rendruck beaufschlagt ist.
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