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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Regelorgan für die Durchflussregelung
eines Mediums, wie zum Beispiel ein Ventil.
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Genauer
gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Regelorgan
für die
kontinuierliche Durchflussregelung eines Mediums. In der Druckschrift
US-A-5 342 025 ist
eine Vorrichtung beschrieben, die der Präambel zu Anspruch 1 entspricht.
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Ventile
als Regelorgane des Durchflusses eines Mediums werden in allen Arten
von Pneumatik- und Hydraulikkreisläufen verwendet. Sie ermöglichen
die Regelung der Durchflussmenge eines Mediums durch Erzeugung eines
Druckabfalls in diesem Medium mittels eines beweglichen Verschlusskörpers. Je
nach Position dieses beweglichen Verschlusskörpers kann ein mehr oder weniger
großer Druckabfall
erzeugt werden.
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Wenn
eine kontinuierliche Regelung der Durchflussmenge erreicht werden
soll, werden solche beweglichen Verschlusskörper durch einen Stellantrieb
gesteuert, der ein Elektromotor oder ein Zylinder sein kann und
durch dessen Steuerung eine stabile Position des besagten Verschlusskörpers erreicht
werden kann, unabhängig
von der gewünschten
Bewegung.
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Üblicherweise
bestehen Regelorgane zur kontinuierlichen Durchflussregelung eines
Mediums aus einem Element, auch als Strömungskanal bezeichnet, das
den Durchfluss dieses Mediums ermöglicht und in das der bewegliche
Verschlusskörper eingebaut
ist, aus einem Stellantrieb, der die Steuerung dieses beweglichen
Verschlusskörpers
ermöglicht
sowie aus einem Kupplungselement zwischen dem Stellantrieb und dem
besagten Element, das den Durchfluss dieses Mediums ermöglicht.
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Diese
Kupplung besteht normalerweise aus mehreren Verbindungsteilen, die
eine Einwirkung auf den Verschlusskörper ermöglichen. Dichtungen sind ebenfalls
vorgesehen, um den Einschluss des Mediums bei diesem Verschlusskörper zu
gewährleisten. Diese
Dichtungen müssen
auch mit der Bewegung der einzelnen Verbindungsteile vereinbar sein.
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Das
Vorhandensein solcher Dichtungen zur Abdichtung der beweglichen
Kupplungsteile führt
zu teilweise hohen Reibungskräften,
mit der Folge, dass die Genauigkeit des Regelorgans abnimmt oder
ein leistungsstärkerer
Stellantrieb verwendet werden muss.
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Außerdem können solche
Dichtungen auch Leckverluste des Mediums hervorrufen oder sogar durch
ihr Vorhandensein ein Ausfallrisiko darstellen. Die Lebensdauer
eines Ventils, in dem solche Dichtungen eingesetzt werden, ist oft
begrenzt.
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Außerdem führt die
erforderliche Kupplung zwischen Elektromotor und beweglichem Verschlusskörper oft
zu einer Positionsungenauigkeit des Verschlusskörpers und daher zu einer schlechteren
Kontrolle der Durchflussregelung des Mediums.
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Schließlich wird
die Kupplung oft aus kostenintensiven Verbindungsteilen hergestellt.
Außerdem erhöht sich
durch diese Verbindungsteile die Größe und die Masse dieses Regelorgans
oder Ventils.
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In
der Druckschrift WO-A-99/56 061 ist ein Ventil mit zyklischem Durchfluss
zur Speisung einer Verbrennungskammer mit Kraftstoffgemisch beschrieben.
Der Strömungskanal
enthält
einen Drehverschlusskörper.
Dieser schließt
sich, wenn zwei Öffnungen
im festen Teil des Verschlusskörpers durch
ein Bauteil vom Typ Rotor mit Flügeln
verschlossen werden, wobei das Bauteil seinerseits über eine
Welle durch einen Elektromotor angetrieben wird, der sich ebenfalls
in diesem Kanal befindet. Durch diese Vorrichtung wird ein zyklischer
Strom zwischen zwei extremen Strömungswerten – einem hohen
und einem niedrigen – erreicht.
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In
der Druckschrift US-A-4 328 831 wird eine ähnliche Ventilvorrichtung zum
Einspritzen von Schlamm vorgeschlagen, bei der ein Drehverschlusskörper über eine
Welle mit einem Stellantrieb im Strömungskanal verbunden ist. Bei
diesem speziellen Fall handelt es sich um einen pneumatischen Drehantrieb.
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In
den beiden beschriebenen Fällen
ist der Stellantrieb als abgedichtete Einheit, die in das Medium
eintaucht, normalerweise in der Strömungsachse angeordnet und stört diese
daher. Außerdem
sind diese Vorrichtungen kaum mit den Anforderungen in Bezug auf
Festigkeit und Robustheit in Verbindung mit hohen Drücken und
der Verwendung von Medien mit sehr tiefer oder hoher Temperatur
vereinbar. In der Tat tauchen elektrische Leitungen oder Druckluftzuführleitungen
in das Medium ein und durchqueren das Ventilgehäuse an dessen Seitenwand. Zudem
ist der Stellantrieb mit dem Verschlusskörper durch eine mehr oder weniger
lange Welle verbunden, was der Verschlussgenauigkeit abträglich sein
kann.
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In
der Druckschrift DE-A-196 19 755 wird ein Drosselventil vorgeschlagen,
das vorzugsweise für die
Vergasung in einem Verbrennungsmotor bestimmt ist. Das Drosselventil,
das die Regelung des Einlasses eines Mediums durch einen Kanal ermöglicht,
wird über
eine Welle gesteuert, die quer zum Kanal angeordnet ist. Die Welle
wird durch einen elektrischen Drehmotor mit Permanentmagneten angetrieben,
der in einer Aufnahme gelagert ist, die an den Kanal angrenzt. Der
Rotor dieses Motors ist eine vierpolige Magnetscheibe, wodurch eine
präzise
Positionierung des Verschlusskörpers
erreicht wird. Um den Kontakt des Kraftstoffgemischs mit dem Stellantrieb
zu verhindern, muss dieser durch eine oder mehrere Dichtungen an
der Welle gegenüber
dem Kanal isoliert werden.
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Beim
Stand der vorstehend beschriebenen Technik wurde oft Wert darauf
gelegt, die Form des Verschlusskörpers
zu beschreiben, um sehr spezifische Funktionen des Ventils zu ermöglichen,
anstatt die im übrigen
genannten Probleme zu lösen.
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Das
Patent US-A-5 342 025 beschreibt ein Ventil zur Strömungskontrolle
vom Typ magnetische Kontrolle, das einen sogenannten gesteuerten
magnetischen Drehring umfasst, der sich in einem Metallrohr befindet
und mit dem beweglichen Teil des Ventilverschlusskörpers verbunden
ist. Der feste Teil des Verschlusskörpers ist mit einem zweiten
Metallrohr verbunden, das am ersten Rohr befestigt ist. Ein zweiter
magnetischer Ring, der sogenannte Steuerring, ist drehbar auf einem
Flansch außerhalb
des zweiten Metallrohres angebracht, und seine Betätigung führt seinerseits
zur Drehung des gesteuerten Rings und folglich des beweglichen Teils
des Verschlusskörpers.
Diese Vorrichtung ermöglicht
es, Lecks zu unterbinden, die durch das Vorhandensein von Dichtungen
zum Durchfluss durch die Steuerorgane in herkömmlichen Ventilen bedingt sind.
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In ähnlicher
Weise beschreibt das Patent US-A-2
589 188 ein Ventil mit magnetischer Steuerung, bei dem der Verschlusskörper über eine
Welle mit einem im Ventilgehäuse
befindlichen, drehbar montierten Permanentmagneten verbunden ist,
der durch einen ebenfalls drehbar montierten Permanentmagneten außerhalb
des Gehäuses
angetrieben wird.
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In
der Druckschrift "Remotely-Controlled
Variable-Orifice Valve",
NTIS Tech Notes, US Department of Commerce, Springfield, VA, US
(1990) October, wird ein Ventil mit variabler, ferngesteuerter Öffnung beschrieben.
Der Verschlusskörper
besteht aus einer festen Scheibe mit Öffnungen, die mit einer Drehscheibe
mit analog angeordneten Öffnungen gekoppelt
ist. Die Drehscheibe wird durch einen hydraulischen Drehantrieb
gesteuert. Die Winkelposition des Antriebs und der Drehscheibe wird
durch einen Winkelkodierer mit Welle gemessen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Lösung vorzuschlagen,
mit der die verschiedenen, vorstehend aufgeführten Nachteile bei Regelorganen
für die
kontinuierliche Durchflussregelung eines Mediums oder Ventilen nach
dem Stand der Technik beseitigt werden.
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Genauer
gesagt, hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Regelorgan
zur kontinuierlichen Durchflussregelung eines Mediums vorzuschlagen,
das durch eine begrenzte Masse und Größe gekennzeichnet ist und außerdem eine
optimale Betriebssicherheit und Genauigkeit ermöglicht.
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Ergänzend hat
die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Regelorgan zur kontinuierlichen
Durchflussregelung eines Mediums vorzuschlagen, das sich im Vergleich
zum Stand der Technik durch eine höhere Lebensdauer und geringere
Kosten auszeichnet.
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Diese
Erfindung hat ebenfalls die Aufgabe, ein Regelorgan zur kontinuierlichen
Durchflussregelung eines Mediums vorzuschlagen, das einen begrenzten
Stromverbrauch aufweist.
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Schließlich hat
diese Erfindung die Aufgabe, ein Regelorgan zur kontinuierlichen
Durchflussregelung eines Mediums vorzuschlagen, das ebenso gut bei
schwachen wie auch bei hohen oder sehr hohen Drücken sowie bei extremen Temperaturbedingungen
eingesetzt werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Regelorgan für die kontinuierliche
Durchflussregelung eines Mediums, vorzugsweise unter Druck, das
mindestens folgende Elemente umfasst:
- – einen
Mantel, der den Durchfluss des Mediums ermöglicht und eine Einströmöffnung und
eine Ausströmöffnung aufweist,
- – einen
beweglichen Verschlusskörper,
- – einen
Stellantrieb mit einem beweglichen, drehbaren Teil, der als Rotor
bezeichnet wird und der im Inneren des Mantels mechanisch mit dem
Verschlusskörper
ohne Abdichtungselemente verbunden ist und in der Mitte mindestens
eine Öffnung
aufweist, damit das Medium durch das Regelorgan strömen kann,
wenn sich der Verschlusskörper
zwischen der Einströmöffnung und der
Ausströmöffnung in
geöffneter
Stellung befindet,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb
einen bürstenlosen
Elektromotor umfasst, dessen feststehender, als Stator bezeichneter
Teil mit dem Rotor zusammenwirkt, um den Verschlusskörper in
Drehung zu versetzen, wobei der Rotor und der Stator im wesentlichen
die Form von koaxialen Zylindern haben, deren Achse mit der Strömungsachse
des Mediums übereinstimmt;
dabei ist der Stator in direktem Kontakt mit der Innenwand des Mantels.
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Auf
besonders vorteilhafte Weise ist das bewegliche Element des Verschlusskörpers ohne
Dichtungen in direktem Kontakt mit dem Stellantrieb.
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Ebenfalls
gemäß der Erfindung
ist der Verschlusskörper
mit einem Getriebe verbunden, das seinerseits durch den Stellantrieb
gesteuert wird. Das Getriebe kann entweder ein Untersetzungsgetriebe
sein oder Elemente umfassen, die für eine lineare Axialbewegung
des Verschlusskörpers
sorgen.
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In
vorteilhafter Weise besteht der bewegliche Verschlusskörper aus
einer beweglichen Lochscheibe, die sich vor einer festen Lochscheibe
bewegt, oder aus einer Drosselklappe, die eine Öffnung allmählich verschließt.
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Vorzugsweise
enthält
der Mantel mindestens einen Lagesensor, der vorzugsweise in das
Medium eintaucht und die Messungenauigkeit bezüglich der Lage des Verschlusskörpers beträgt höchstens
1 Grad.
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Ein
anderer Aspekt dieser Erfindung betrifft die Verwendung eines Regelorgans
für die
kontinuierliche Durchflussregelung eines Mediums nach den vorstehend
beschriebenen Merkmalen im Falle von sehr tiefen oder sehr hohen
Temperaturen oder sehr hohen Drücken
des Mediums.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
eines Regelorgans für
die kontinuierliche Durchflussregelung eines Mediums gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 zeigt
einen Detailquerschnitt gemäß Ebene
C-C aus 1.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist in 1 und 2 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
umfasst das Regelorgan für
die kontinuierliche Durchflussregelung eines Mediums ein Element
für den
Durchfluss des Mediums oder Strömungskanal 11.
Dieser ermöglicht
es, den Strom des Mediums zwischen einer Einströmöffnung 16 und einer
Ausströmöffnung 17 zu
leiten und entspricht einem Mantel, in dessen Inneren sich ein elektrischer,
bürstenloser
Drehmotor 13 und ein beweglicher, direkt – ohne Welle
oder mit einer sehr kurzen Welle – an den Motor 13 angebauter
Verschlusskörper 12 befinden.
Die Originalität
der Erfindung liegt unter anderem darin begründet, dass sich der bürstenlose
Drehantrieb direkt in dem Medium befindet, wodurch keine Dichtungen
benötigt
werden, um das Medium beim Verschlusskörper in dem Strömungskanal
zu halten.
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In 2 ist
der Aufbau des besagten beweglichen Verschlusskörpers 12 detailliert
im Querschnitt nach Ebene C-C dargestellt. Dieser bewegliche Verschlusskörper besteht
aus einer beweglichen Lochscheibe 14 und einer festen Lochscheibe 15, wobei
die bewegliche Lochscheibe 14 sich vor der festen Lochscheibe 15 bewegen
kann. Die bewegliche Lochscheibe 14 ist auf dem Rotor 18 des
Drehantriebs befestigt, während
die feste Lochscheibe 15 am Ventilgehäuse 11 befestigt ist,
das den Strömungskanal
bildet. Der Durchflussquerschnitt des Mediums ist daher entsprechend
der Winkelposition der beweglichen Lochscheibe 14 variabel.
Die Drehbewegung der beweglichen Lochscheibe 14 wird daher
direkt durch die Bewegung des Rotors 18 gesteuert, wodurch
sich eine größere Genauigkeit
und größere Betriebssicherheit
bei der kontinuierlichen Regelung der Durchflussmenge des Mediums
im Vergleich zu den Lösungen
gemäß dem Stand
der Technik ergibt. Eine Untersuchung hat gezeigt, dass die Position
des Verschlusskörpers 12 auf
ein Grad genau bekannt sein sollte, was bei Verwendung eines Lagefühlers möglich ist.
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Das
Durchflussregelorgan gemäß der vorliegenden
Erfindung kann bei allen beliebigen Bedingungen in Bezug auf Druck
und Temperatur verwendet werden. Jedoch ist das erfindungsgemäße Konzept
natürlich
nur anwendbar, wenn die Umgebungsbedingungen des Mediums (chemischer
Typ, Sauberkeit usw.) mit den Grenzen des Motors vereinbar sind.
Vorteilhafterweise kann das Regelorgan bei besonders hohen Drücken (bis
zu einigen Dutzend MPa) eingesetzt werden. Da nämlich der Motor, den dieses
Ventil enthält,
dem gleichen Druck ausgesetzt ist wie das Medium, garantiert das
Durchflussregelorgan gemäß der Erfindung
eine hohe Sicherheit, vor allem bei Druckbedingungen, bei denen
die Abdichtung des Systems besonders schwer durchzuführen ist.
Insbesondere haben Erfahrungen gezeigt, dass das Regelorgan gemäß der Erfindung
einem Druck von 20 MPa standhalten kann.
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Die
typischerweise mit dieser Art von Ventil verwendeten Medien sind
kryogene Medien wie Wasserstoff bei niedriger Temperatur (z.B. –150°C) oder flüssiger Wasserstoff
(z.B. –250°C) oder aber extrem
heiße
Medien wie Wasserstoff oder Wasserdampf bei einer Temperatur in
der Größenordnung von
zum Beispiel 200°C.
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Die
Lebensdauer des Organs ist auch nicht von der Lebensdauer der Dichtungen
abhängig,
die ja nicht mehr benötigt
werden, sondern eher von der Lebensdauer des Motors. Da der Motor
nun eine Lebensdauer von mehreren Millionen Zyklen aufweist, während die üblicherweise
verwendeten Dichtungen eine Lebensdauer haben, die höchstens
auf einige Tausend Zyklen begrenzt ist, kann die Gesamtlebensdauer
des Ventils in vorteilhafter Weise erhöht werden, besonders, wenn
die Einsatzbedingungen für
den Motor nicht zu hart sind.
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Ebenso
kann bei der vorgeschlagenen Lösung
gemäß dieser
Erfindung die Masse und die Größe des Organs
um den Faktor zwei bis drei im Vergleich zu den Lösungen gemäß dem Stand
der Technik gesenkt werden. Beispielsweise beträgt die Masse einer gemäß der bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung hergestellten Vorrichtung 8 kg und die
Länge des
Ventils beträgt
160 mm.
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Schließlich liegt
ein weiterer Vorteil des Regelorgans für die kontinuierliche Durchflussregelung eines
Mediums gemäß dieser
Erfindung darin, dass bei seinem Einsatz nur ein geringer Stromverbrauch erforderlich
ist. Der Stromverbrauch für
ein Regelorgan, das nach der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
hergestellt ist, beträgt
nur 20 W.
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Die
Erfindung ist selbstverständlich
nicht auf dieses spezielle Ausführungsbeispiel
beschränkt. Viele
andere Anwendungen sind möglich,
wenn Verschlusskörper
unterschiedlicher Formen verwendet werden, die Drehbewegungen oder
lineare Bewegungen ausführen.