DE4312088A1 - Membrangesteuertes Durchfluß-Regelventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein membrangesteuertes Durchfluß- Regelventil, insbesondere ein kombiniertes Durchfluß- Temperatur-Regelventil für Warmwasser-Heizungsanlagen, in dem ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkender Ventilteller über einen Membranantrieb für Durchflußregelung und einen beliebigen Stellantrieb für Temperaturregelung parallel und unabhängig voneinander betätigt wird.

Das erfindungsgemäße Regelventil ist anwendbar zur Durchflußregelung und Temperaturregelung von Flüssigkeiten und Gasen insbesondere in Heizungs- und Klimaanlagen.

Bei bekannten Durchfluß-Temperatur-Regelventilen arbeiten praktisch zwei Ventile auf ein Ventilgehäuse, das eine von oben und das andere von unten. Das Ventil weist zwei Ventilsitze auf, oder es wirken beide Stellantriebe in Serie geschaltet auf einen Ventilteller. Dabei ist auf dem Ventilteller ein konisch- parabolischer Ventilkegel angebracht, um die Proportionalität und die Stabilität der Regelung zu verbessern. Der Spalt zwischen dem Sitz und dem Kegel muß sehr eng sein (unter 0,1 mm).

Die Sollwertfedern für die Durchflußregelung werden so weit wie möglich weich (kleine Federkonstante), und die Arbeitsmembrane groß gestaltet, um die Regelabweichung klein zu halten. In der Impulsleitung ist wegen der möglichen Instabilität der Durchflußregelung eine Drossel eingebaut.

Der Druck für den Minus-Druck zur Durchflußregelung wird in dem Ventilgehäuse in der Mitte des Ventilsitzes oder am Ventilteller abgenommen.

Nachteilig dabei ist, daß sich im engen Spalt zwischen Sitz und Kegel gerne Schmutzteile festsetzen, die dann die Bewegung und die Funktion stören. Bei direkter Wirkung oder Serien-Wirkung des Stellantriebes für die Temperatur muß dieser ziemlich stark sein, um eine ausreichende Schließkraft in der Schließstellung zu gewährleisten. Je weicher die Sollwertfeder ist, desto größer ist die Neigung des Reglers zur Instabilität. Die Drossel in der Impulsleitung ist meistens empfindlich gegen Schmutz, und zwar je wirksamer, desto empfindlicher. Bei üblicher Druckentnahme für den Minus-Druck muß der Durchfluß stark abfallen, um das Ventil ganz zu öffnen, wenn vorübergehend weniger Druck in der Anlage zur Verfügung steht. Dies bedeutet aber eine größere Regelabweichung bei der Durchflußregelung.

Bei Ventilen mit zwei Ventiltellern besteht auch die Gefahr, daß bei dichtem Temperaturregel-Ventilteller und undichtem Durchflußregel-Ventilteller, der Temperaturregel-Ventilteller, wenn er sich einmal in der Schließstellung befindet, bei einem größerem Differenzdruck nicht mehr öffnet.

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, ein Regelventil eingangs erwähnter Art zu schaffen und so auszubilden, daß die Regelung mit einem einzigem Ventilteller ohne Ventilkegel, stabil und proportional wird, und die Temperaturregelung mit einem relativ schwachem Stellantrieb möglich wird, auch bei großen Differenzdrücken und großen Nennweiten des Ventils.

Die Regelabweichung der Durchflußregelung wird kleiner und dennoch wird dabei die Stabilität der Regelung besser, ohne Bedarf nach einer starken Drosselung in der Impulsleitung.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß anstatt des parabolischen Ventilkegels am Ventilteller im Wasser eine parabolische Kulisse in der Außenluft zwischen dem Temperaturstellantrieb und dem Kurvenstößel, der auf den Ventilteller wirkt, angebracht wird. Die Kulisse hat am Beginn bei Offen-Stellung des Ventils eine größere Steigung (Winkel gegenüber Achse) und am Ende, bei der Schließstellung eine erheblich kleinere Steigung. Dadurch erzielt man ein ähnliches Regelverhalten wie bei einem Ventilteller mit Ventilkonus, und zwar auch mit einem flachen Ventilteller. Und dies ohne Gefahr des Steckenbleibens wegen Schmutzes im Wasser, oder bei Undichtigkeit des Durchfluß-Ventiltellers. Bei flachem Ventilteller kann der Hubkleiner sein und dadurch ist auch die Regelabweichung kleiner (bei der gleichen Federkonstanten).

Gleichzeitig wird durch die kleine Steigung der Kulisse bei der Schließstellung eine zusätzliche Übersetzung zwischen dem Stellantrieb und dem Ventilteller geschaffen. Dadurch ist die Kraft des Stellantriebes vervielfacht. Bei Offen-Stellung des Ventils sind immer nur sehr kleine Kräfte nötig, nämlich nur um die Reibung in Führungen zu überwinden, und ist eine Übersetzung etwa eins zu eins ausreichend. Deswegen kann man einen mehrfach schwächeren Stellantrieb anwenden.

Weiter kann man die Regelabweichung durch eine gezielt ausgesuchte Stelle für das Abgreifen des Minus-Druckes für die Durchflußregelung erheblich verkleinern und dabei die Stabilität der Regelung vergrößern, und dies in folgender Weise. Die Sollwertfeder wird relativ hart ausgewählt, um eine gute Stabilität zu erreichen. Die Stabilitätsprobleme sind insbesondere groß in der Nähe der Schließstellung (etwa die ersten 10 - 20% des Hubes). Deswegen soll dort der Regler relativ hart sein.

Die durch diese harte Feder entstehende abnormal große Regelabweichung bei vollem Hub wird dann aber durch den Ort der Minus-Druck-Entnahme kompensiert. Die Entnahme muß bei Offen- Stellung des Ventils bei ungefähr gleichem Durchfluß im Bereich eines größeren Gesamtdruckes erfolgen, als der Druck in der Nähe der Schließstellung des Ventils beträgt. Dadurch muß der Durchfluß weniger abfallen, um eine kleinere Druckdifferenz an der Membrane zu leisten, die sonst für ein volles öffnen des Ventils erforderlich wäre. Ein kleinerer Durchflußabfall bedeutet mit anderen Worten eine kleinere Regelabweichung. Mit etwas Geduld läßt sich solch ein Bereich in jedem Regler finden, der diesen Anforderungen mehr oder weniger entspricht. Mit entsprechender Gestaltung der Höhe, Breite und Spaltweite der Impulsnase läßt sich diese genau dort anordnen, wo eine entsprechende Charakteristik der Veränderung des Druckes durch den Hub des Ventiltellers vorhanden ist. Jedenfalls dürfen aber im Bereich der ersten 10 bis 20% des Hubes die Änderungen des Druckes noch nicht auftreten, weil sonst eine unstabile Regelung entstehen könnte.

Bei diesem Vorschlag gemäß der Erfindung ist somit der Impuls- Entnahmespalt durch eine entsprechende Gestaltung der Breite und der Höhe und der Spaltweite und der Halsbreite der Impulsnase derart angeordnet, daß bei ungefähr gleichem Durchfluß im Bereich der Offen-Stellung des Ventiltellers ein höherer Druck abgenommen wird als im Bereich der ersten 10 bis 20% des Ventilhubes aus der Schließstellung des Ventiltellers heraus, wobei der Druckanstieg vorzugsweise so weit wie möglich proportional zu dem Hub ist. Wenngleich dieser Vorschlag gemäß der Erfindung auch bei Durchflußreglern ohne Temperatur- Stellantrieb oder bei Durchflußreglern mit einem zusätzlichen Stellantrieb für einen andere Parameter mit Vorteil angewendet werden kann, wird dieser Vorschlag bevorzugt mit einem zusätzlichen Temperaturstellantrieb angewendet.

Die Erfindung wird im folgendem anhand aus der Zeichnung ersichtlicher Ausführungsformen erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt eines erfindungsmäßen Durchfluß- Temperatur-Regelventils,

Fig. 2 ein Detail des Regelventils aus Fig. 1, nämlich die Anordnung von dessen Impulsnase, und

Fig. 3 ein Detail des Regelventils aus Fig. 1, nämlich die Ausbildung und Anordnung von dessen Kulisse.

Entsprechend Fig. 1 fließt das Medium aus der Richtung A in das Ventilgehäuse 1, durch den Spalt zwischen Drossel 2 und Ventilsitz 4, und dann durch den Spalt zwischen Ventilsitz 4 und Ventilteller 5, und tritt aus in Richtung B. Der Druck hinter der Drossel wirkt über die Impulsnase 3, die Impulsbohrung 6 und den Oberraum 22 in der Oberkammer 21 auf die Oberseite der Durchflußregelmembran 19 und versucht zusammen mit den Durchflußregelfedern 7 und 9 das Ventil zu öffnen. Die Membranteller 20 und 18 sind beweglich an der Federstange 8 angeordnet und über die Dichtung 15 abgedichtet. Die Feder 7 wirkt direkt auf die Federstange 8. Der Druck vor der Drossel 2 tritt durch die Plus-Impulsleitung 23 in Richtung C in den Raum 17 in der Unterkammer 18 und wirkt als Plus-Druck auf die Durchflußregelmembran 19 und versucht das Ventil zu schließen. Der Kurvenstößel 11 ist getrennt von der Federstange 8 und gegen Verdrehung durch die Sicherung 14 gesichert und über die Dichtung 10 abgedichtet. Die an dem Kurvenstößel 11 drehbar gelagerte Rolle 13 wird über die Kurvenkulisse 12 vom Temperatur-Stellantrieb 24 bewegt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, fließt das Medium zwischen der Drossel 2 und dem Ventilsitz 4 in den durch axiale Verlängerung des Ventilsitzes 4 gebildeten zylindrischen Sitzraum 201, wo der Minus-Druck für die Durchfluß-Regelung Mithilfe der Impulsnase 3 entnommen wird, an der Impulsnase 3 und Impuls- Entnahme-Spalt 202 vorbei, und dann durch den Spalt zwischen Ventilsitz 4 und Ventilteller 5 weiter. Der Hub ist mit 203 bezeichnet. Die Breite der Impulsnase ist mit D, die Anordnungshöhe über dem Ventilteller ist mit H, die Halsbreite der Impulsnase ist mit d und die Impulsbohrung ist mit 6 bezeichnet. Die Impulsnase 3 kann beispielsweise ein Rohrstück sein oder auch als radial durchbohrter Teller oder dergl. ausgebildet sein.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist der Kurvenstößel 11 in einer Verlängerung 301 der Unterkammer 18 beweglich gelagert. Die Sicherung gegen Verdrehung ist mit 14 bezeichnet und die Rolle 13 ist in dem Kurvenstößel 11 befestigt und stützt sich an der kurvenförmigen Kulisse 12, die durch die Achse 302 geführt wird. Die Mittellinie der Achse 302 ist mit 303 bezeichnet. Der Steigungswinkel der Kulisse im linken Bereich (das Ventil ist offen, wenn sich die Rolle an diesem Ende der Kulisse befindet) ist mit 304 bezeichnet. Der Steigungswinkel im rechten Bereich (das Ventil ist geschlossen, wenn sich die Rolle an diesem Ende der Kulisse befindet) ist mit 305 bezeichnet. Mit D ist die Richtung der axialen Bewegung der Achse 302 bezeichnet.

Claims (4)

1. Membrangesteuertes Durchfluß-Regelventil, das zusätzlich von einem Temperatur-Stellantrieb gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußregelmembran (19) und der Temperatur-Stellantrieb (24) auf einen gemeinsamen Ventilteller (5) wirken, wobei der Temperatur-Stellantrieb (24) über eine Kulisse (12) und einen Kurvenstößel (11) auf den Ventilteller (5) wirkt und die Kulisse (12) so ausgebildet ist, daß sie im Bereich der Offen-Stellung des Ventiltellers (5) einen relativ großen Steigungswinkel (304) gegenüber der horizontalen Achse (303) aufweist und im Bereich der Schließstellung des Ventiltellers (5) einen relativ viel kleineren Neigungswinkel (305) aufweist.

2. Membrangesteuertes Durchfluß-Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurvenstößel (11) ein getrenntes Element für sich ist und nicht ein Teil der Federstange (8), und daß der Kurvenstößel (11) gegen Verdrehung durch eine Sicherung (14) gesichert ist.

3. Membrangesteuertes Durchfluß-Regelventil insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls- Entnahme-Spalt (202) durch entsprechende Gestaltung der Breite (D) und der Höhe (H) und der Spaltweite (S) und der Halsbreite (d) der Impulsnase (3) derart angeordnet ist, daß bei ungefähr gleichem Durchfluß im Bereich der Offen-Stellung des Ventiltellers (5) ein größerer Druck abgenommen wird als im Bereich der ersten 10 bis 20% des Ventilhubes (203), wobei vorzugsweise der Druckanstieg so weit wie möglich proportional mit dem Hub (203) ist.

4. Membrangesteuertes Durchfluß-Temperatur-Regelventil, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußregelmembran (19) und der Temperatur-Stellantrieb (24) parallel und unabhängig voneinander auf einen gemeinsamen Ventilteller (5) wirken.