DK174076B1 - Reguleringsindsats til anbringelse i ventiler og ventilenhed - Google Patents

Description

! DK 174076 B1

REGULERINGSINDSATS TIL ANBRINGELSE I VENTILER OG VENTILENHED

Opfindelsen angår en reguleringsindsats til anbringelse i ventiler og omfattende en dynamisk flowregulerende patron, hvilken patron omfatter et første hus med 5 en akseparallel spiralfjeder, hvilken spiralfjeder i den første ende har anlæg mod en forskydelig bundkop, i hvis væg mindst én indløbsåbning for væske er beliggende, hvilken åbning har et regulerbart gennemstrømningsareal, hvilken spiralfjeder i den anden ende modsat første enden har anlæg mod en delvist lukket ende i første huset.

10

Opfindelsen angår også en ventilenhed for dynamisk fiowregulering omfattende en reguleringsindsats, hvilken reguleringsindsats omfatter en dynamisk flowregulerende patron, hvilken patron omfatter et første hus med en akseparallel spiralfjeder, hvilken spiralfjeder i den første ende har anlæg mod en forskydelig 15 bundkop, i hvis væg mindst én indløbsåbning for væske er beliggende, hvilken åbning har et regulerbart gennemstrømningsareal, hvilken spiralfjeder i den anden ende modsat første enden har anlæg mod en delvist lukket ende i første huset.

20 I forbindelse med regulering af flow og temperatur i lukkede systemer er det kendt at have en flowreguleringsventil anbragt for sig og en termostatventil anbragt for sig. Således kendes eksempelvis ved airconditionanlæg et sådant system, hvor der forud for hver enhed, der skal have reguleret varmen, er anbragt en termostat, og efter hver enkelt enhed er der anbragt en reguleringsventil.

25

Ligeledes er det i forbindelse med radiatorer til bygninger kendt, at der forud for hver radiator er anbragt en termostat, medens der et sted i systemet er anbragt en enkelt reguleringsventil til regulering af det totale flow.

30 Flowreguleringspatroner, som fungerer efter statiske principper, er kendte fra eksempelvis US 4.611.629, der omhandler en termostatisk ventil, som indehol- 2 DK 174076 B1 der en indstillelig begrænsning af ventilstyringen, således at der fås en statisk begrænsning af flowet gennem ventilen. Ved en sådan termostat fås en regulering af flowet gennem ventilen ved, at termostatfunktionen som autoritet fungerer i et vist interval, hvorefter den mister sin autoritet, og flowet begrænses til et 5 maksimalt flow, som kun vil være afhængigt af trykdifferensen og ventilen, men vil dog stadig variere ved varierende trykdifferens.

Ligeledes kendes reguleringsindsatser, som arbejder efter dynamiske flowregu-leringsprincipper, med andre ord, hvor flowet styres via en fjeder ved et diffe-10 renstryk, der måles som forskellen mellem ind- og udløb i patronen. Stiger trykket i patronen, falder differenstrykket

Det er formålet med nærværende opfindelse at tilvejebringe en indsats samt en ventil, hvor der sker en regulering af flowet, således at dette er konstant ved at 15 enheden omfatter såvel en reguleringspatron, der reguleres over differenstrykket, men som tillige via sit sædeparti har en yderligere regulering via temperaturen, således at flowet reguleres dels ved differenstrykket og dels ved temperaturen.

20 Der opnås herved, at man ved en enkelt udskiftning af den fjeder, der regulerer differenstrykket, kan få et stort virkningsinterval for i øvrigt det samme produkt, og hvor det er nemt at integrere et sådant produkt i flowsystemer, såsom i air conditionanlæg og regulering af gulvvarme, idet det er nemmere at få plads til og giver færre rørsamlinger, hvorfor der er mindre risiko for lækage. Endvidere er 25 det naturligvis billigere at installere.

Som yderligere fordele skal nævnes, at ved at have et konstant flow i et stort system, eksempelvis i et hotelkompleks, hvor temperaturreguleringen foretages af flere separate enheder, stjæles komforten ikke fra de øvrige enheder, hvis en 30 enkelt enhed vil have optimeret sit komfortområde nu og her.

3 DK 174076 B1

Dette formål opnås med en reguleringsindsats samt en ventilenhed af den i indledningen angivne type, og hvor tillige en ventilkegle yderligere har anlæg mod den delvist lukkede ende, hvilken ventilkegle er beliggende i et andet hus, hvilket andet hus omfatter en trykfjeder, der omslutter en spindel/stempelstang, hvilken 5 spindel/stempelstang forbinder ventilkeglen med et aktiveringsorgan og hvilken ventilkegles position reguleres af første midler via aktiveringsorganet.

Produktet fungerer således ved, at patronen reguleres via differenstrykket med påvirkning af en bevægelig del, der indstiller sig til et bestemt niveau, hvorved 10 patronens åbninger for mediegennemstrømning mere eller mindre afskæres, ved hvilket indløbsåbningen reguleres som højeste prioritet med det formål at begrænse flowet på en dynamisk måde til et maksimalt flow gennem ventilen. Idet patronens udløbsåbning ligeledes fungerer som sæde for en termostataktiveret ventilkegle, opnås en yderligere reguleringsmulighed med en lavere prioritet af 15 eksempelvis komforttemperaturen i et opholdsrum.

Hvad der er bestemmende for ventilens aktivitetsniveau, bestemmes af termostatfunktionen og trykforholdene i anlægget, hvor ventilen er anbragt. Hvis termostaten kalder på mere flow og differenstrykket over ventilen samtidig er så 20 stort, at det uden den flowregulerende patron vil resultere i et for stort flow, vil autoriteten udelukkende blive varetaget af den flowregulerende patron. Hvis termostaten kalder på en flowstørrelse, der er mindre end det maksimale flow, der er defineret for den flowregulerende patron, vil autoriteten udelukkende blive varetaget af termostaten.

25

Ved at tilvejebringe en reguleringsindsats ifølge opfindelsen og som yderligere angivet i krav 2 og 3 og krav 7 og 8 opnås mulighed for et integreret system ved påvirkning af ventilkeglen.

4 DK 174076 B1

Ved at tilvejebringe en reguleringsindsats ifølge opfindelsen og som yderligere angivet i krav 4 og 9 opnås en tæt samling mellem patronen og selve indsatshuset, hvorfor lækage undgås.

5 Ved at tilvejebringe en reguleringsindsat ifølge opfindelsen og som yderligere angivet i krav 5 og 10 opnås, at patronen indsættes i ventilen på entydig vis, hvilken springring fortrinsvis fremstilles i fjederstål og således fastholder patronens position i indsatshuset.

10 Opfindelsen vil nu blive forklaret nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1A viser et delvist eksploderet plan af hovedbestanddel til reguleringsindsatsen, inklusiv en springring, ifølge opfindelsen, 15 fig. 1B i plan viser den i figur 1A viste springring, fig. 1C viser placering af ventilenheden til airconditionsystem, fig. 2 viser reguleringsindsatsen i en ikke-aktiveret/åben 20 tilstand, indsat i en ventil, og fig. 3 viser reguleringsindsatsen i en aktiveret/lukket tilstand, indsat i en ventil.

25 Figur 1A-1C viser hovedbestanddelene til reguleringsindsatsen 1 ifølge opfindelsen, og hvorledes reguleringsindsatsen 1, efter at denne er samlet til en komplet plug-in enhed, efterfølgende placeres i en ventil 2 til regulering af et flow.

Set i en eksploderet tegning omfatter reguleringsindsatsen 1 i fig. 1A en dyna-30 misk flowregulerende patron 3 til placering i ventilenheden 2.

5 DK 174076 B1

En statisk begrænsning af flowet igennem en restriktion kan beskrives ved at analysere den matematiske sammenhæng, der er gældende for strømmende medier: 5 Q = Kv · DP* hvor Q er flowet. Kv er en ventilkoefficient, der overvejende er givet med det mindste restriktionsareal, som det strømmende medie skal passere igennem i en ventil. DP er trykdifferencen over ventilen.

10

Hvis Kv-værdien i en termostatventil begrænses til en forudsat maksimal værdi, betegnet Kvs-værdi, vil der opnås, at flowet igennem ventilen bliver reguleret med termostatfunktionen som autoritet indtil udstyringen af ventilen bliver så stor, at Kv-værdien har opnået sin forudbestemte maksimale Kvs-værdi. Termostat-15 funktionen har herefter mistet sin autoritet og flowet er begrænset til et maksimalt flow, som nu kun vil være afhængig af trykdifferencen over ventilen, men dog stadig variere ved varierende trykdifferens.

En tilsvarende dynamisk begrænsning af flowet, som er indfattet i nærværende 20 opfindelse, er karakteristisk ved, at Kvs-værdien er en selvregulerende parameter, som er afhængig af trykdifferencen over ventilen på en sådan måde, at flowet gennem ventilen forbliver konstant ved varierende trykdifference.

Kvs-værdiens afhængighed af trykdifferencen kan findes ved at udtrykke den 25 differentielle størrelse af flowet ved Kvs-værdien og trykdifferencen. Følgende er givet: Q = Kvs DP* dQmax = · Kvs · DP* · dDP + DP* · dKvs λ dQmax = 0 30 1/2 · Kvs · DPVl dDP = - DP% · dKvs 6 DK 174076 B1

Den dynamiske flowreguleringspatron 3, som vil blive yderligere beskrevet i fig. 2 og 3, har det karakteristika, at en stigende trykdifference over patronen 3 vil påvirke denne til sammentrykning af en fjederpåvirket bevægelig del, som indeholder en eller flere restriktionsarealer, der ved afskæring med den faste del for-5 mindskes, hvorved Kvs-værdien varierer i respons til trykdifferencen.

Resultatet af dette bliver, at flowet forbliver konstant i et af fjederen givet reguleringsområde.

10 Det essentielle i nærværende opfindelse er således en dynamisk flowreguleringspatron 3, der i det væsentlige er kendt og anvendt til alene det formål at begrænse flowet i et system med et strømmende medium, foruden dette også anvendes til at regulere flowet under autoritet af en elektrisk aktuator 15 og/eller et termostatisk element 14.

15

Som yderligere vist i figur 1A-1C omfatter ventilenheden 2 et indsatshus 19, i hvilket og akseparallelt med er anlagt et andet hus 11.1 den midterste øvre del af andet huset 11 er anbragt en ventilkegle 10, der er fremstillet i et elastomermateriale. I forlængelse af ventilkeglen 10 og i opadgående retning er placeret en 20 spindel/stempelstang 17, der med sin anden ende er forbundet til et aktiveringsorgan 13. Ved hjælp af aktiveringsorganet 13 kan ventilkeglen 10 antage en vilkårlig aksial position mellem normal ikke-aktiveret/åben position og en aktive-ret/lukket position.

25 Andet huset 11 omfatter en springring 18 samt en trykfjeder 16, der omslutter spindel/stempelstangen 17. Springringen 18 (se fig. 1B) kan ved sammentrykning i endedannelserne indsættes i bunden af andet huset 11 modsat trykfjederen 16 i ventilenheden 2, hvor den efter indsættelsen vil åbne sig til en større diameter og derved blive fastholdt i en position, hvor den er omgivet af en udven- 30 dig reces i andet huset 11 (se fig. 2).

7 DK 174076 B1

Efter at reguleringsindsatsen 1 er samlet til en komplet plug-in enhed, og efterfølgende er indsat i forskellige varianter af ventiler 2, placeres ventil 2 til regulering af et strømningsflow, eksempelvis til airconditionsystemer, som angivet i figur 1C, og/eller gulvvarmesystemer. Som det fremgår af figur 1C, indgår flowre-5 guleringsventilen og termostatventilen som en integreret enhed 2.

Figur 2 og 3 viser reguleringsindsatsen 1 indsat i ventilenheden 2, hvor denne ved hjælp af den flowregulerede patron 3 kan antage to positioner: ikke-aktive-ret/åben position og en aktiveret/lukket position.

10

Den flowregulerede patron 3 omfatter et første hus 4, der er aksialt fikseret i andet huset 11, og har en delvis lukket ende 22, som udgør en anlægsflade for spiralfjederens anden ende 9. Enden 22 er kun delvis lukket, idet den er aksecentreret udformet med en cylindrisk åbning, der normalt tillader mediet at strømme 15 frit til ventilenhedens udløb, men som i denne udførelsesform anvendes som sæde for ventilkeglen 10. Ventilkeglen 10 er udført I et elastomermateriale og vil frembringe en elastisk klemning omkring den ende af spindlen/stempelstangen 17, som omsluttes af ventilkeglen 10.

20 Et aktiveringsorgan 13 vil ved en ekstern trykpåvirkning aktivere spindlen/stempelstangen 17 i nedadgående retning ved en samtidig sammentrykning af spiralfjederen 5 med det resultat, at ventilkeglen aktiveres i samme retning og reducerer åbningen mellem ventilkeglen 10 og sædet. Derved kan åbningsgraden moduleres som resultat af en varierende udstyring af aktiveringsorganet 13.

25 Udstyringen af aktiveringsorganet 13 kan bibringes fra et ikke vist selvvirkende termostatisk element 14 eller en elektronisk aktiveret motoraktuator 15.

Første huset 4 har i den nedre ende 23 anlæg mod en forskydelig bundkop 7, som omsluttes afen restriktionsskive 21, hvilken restriktionsskive 21 er mekanisk 30 fikseret til første huset 4 ved en 3-punktsbertling.

8 DK 174076 B1

Den forskydelige bundkop 7 har mindst én indløbsåbning 8, hvor denne/disse er placeret/fordelt på bundkoppens cylinderflade. Den åbne ende 7’ af den forskydelige bundkop 7 danner en anlægsflade for spiralfjederens første ende 6, mens den delvis lukkede ende 22 af første huset 4 danner den anden anlægsflade for 5 spiralfjederen 5. Delene i den flowregulerede indsats sammenholdes ved 3-punktsbertlingen af restriktionsskiven 21 i første huset 4.

Bundkoppen 7 kan påvirkes til en aksial bevægelse (udstyring) indeni første huset 4 ved en difference i trykkene P1 og P2. P1 er trykket målt ved indløb til re-10 guleringsindsatsen 1, P2 er trykket målt inde i selve første huset 4, mens P3 er trykket målt efter passage af første huset 4. Denne trykdifference (P1-P2) vil under virkning på det projicerede areal af cylinderens endebund udøve en aksial-kraft på bundkoppen 7, der vil modsvares af den fjederkraft, der fremkommer ved sammentrykning af spiralfjederen 5. Bundkoppen 7 vil således stille sig i en ak-15 sial position i forhold til første huset 4, hvor der vil være en kraftligevægt. Yderpositionerne for den aksiale bevægelse af bundkoppen 7 er bestemt af dennes anlæg mod restriktionsskiven 21 (se fig. 3) og modsat ved dennes anslag mod den indvendige reces 4’ i første huset 4.

20 Under varierende udstyringer af bundkoppen 7 vil indløbsåbningen 8 blive afskåret af den omkransende restriktionsskive 21, og det frilagte indløbsareal gennem indløbsåbningen 8 vil således variere i afhængighed af den geometriske udformning og bundkoppens udstyring. For at opnå, at flowet skal være selvregulerende konstant, skal den geometriske udformning af indløbsåbningen 8 designes såle-25 des, at Kvs-værdien varierer i respons til trykdifferencen, det vil sige som et differentielt tryk mellem ændringen i trykdifferencen og ændringen i patronens Kvs-værdi, hvor den differentielle arealændring er proportional med den differentielle ændring af Kvs-værdien (dKvs), og hvor ændringen i udstyringen af bundkoppen 7 er proportional med ændringer i trykdifferencen (P1-P2), (dDP).

30 9 DK 174076 B1 I en normal ikke-aktiveret/åben position (fig. 2) vil trykfjederen 16 påvirke spin-del/stempelstang 17 i en opadgående retning. Ved hjælp af de elastomere deformationskræfter, som fastholder ventilkeglen 10 i en fastlåst kontakt med spindlen/stempelstangen 17, vil ventilkeglen 10 positioneres til anslag mod ind-5 satshuset 19.1 denne tilstand vil der være fri gennemstrømning af mediet mellem ventilkeglen 10 og første husets delvise lukkede ende 22. Trykdifferencen P1-P2 vil derfor være stor og nærme sig den totale trykdifference P1-P3. Trykdifferencen P1-P2 vil påvirke bundkoppen 7 til en aksial udstyring, hvorved trykfjederen 5 sammentrykkes, indtil der opnås en kraftligevægt mellem trykfjederens tryk-10 kraft, som angriber bundkoppen 7 i nedadgående retning, og den kraft, der som resultatet af trykdifferencen P1-P2 angriber bundkoppen 7 i opadgående retning.

Under forudsætning af, at den geometriske udformning af indløbsåbningen 8 er designet som tidligere beskrevet, vil det frilagte indløbsareal være afskåret af den omkransende restriktionsskive 21 til netop den størrelse, der ved den givne 15 trykdifference P1-P2 resulterer i, at flowet fastholdes konstant.

Den flowregulerende patron 3 vil således have fuld autoritet til at fastholde et konstant maksimalt flow i ventilen.

20 I en aktiveret/iukket position (fig. 3) vil et ikke vist eksternt termostatisk element 14 eller elektrisk aktuator 15 aktivere aktiveringsorganet 13 i nedadgående retning, som derved trykker på spindlen/stempelstangen 17 og sammentrykker trykfjederen 16, indtil ventilkeglen 10 opnår en position, hvor den mekanisk stoppes af første husets delvise lukkede ende 22.1 denne tilstand vil der være lukket for 25 mediegennemstrømning i ventilen 2, og trykkene P1 og P2 vil antage samme værdi, hvorfor der således ikke vil være en trykdifference P1-P2. Trykfjederen 5 vil påvirke bundkoppen 7 i en nedadgående retning, indtil denne er helt åben i den yderstilling med anslag mod restriktionsskiven 21. Dette vil frilægge hele indløbsåbningen 8 med det maksimale indløbsareal til rådighed, indtil aktive-30 ringsorganet 13 igen har åbnet den temperaturregulerende del til den udstyring, hvor trykdifferencen P1-P2 er steget så meget, at den kan overvinde den kraft, 10 DK 174076 B1 som spiralfjederen 5 er forspændt til. I denne position vil den temperaturregulerende del altså have fuld autoritet.

Autoriteten skifter brat mellem den flowregulerende patron 3 og den temperatur-5 regulerende del.

Begge regulerende dele mister dog autoriteten, hvis trykdifferencen P1-P2 stiger ud over en maksimal størrelse, der er bestemt af den situation, hvor bundkoppen 7 opnår anslag mod den indvendige reces 4’ i første huset 4. Herefter er der ikke 10 en dynamisk kompensering af flowet ved yderligere stigninger i trykdifferencen.

Forat hindre intern lækage mellem reguleringsindsatsen 1 og indsatshuset 19 er indsat tætningsringe 20’, og til hindring af ekstern lækage mellem samme er indsat O-ring 20, og for at modvirke ukontrollerbar lækage mellem den flowregule-15 rende patron 3 og andet huset 11 er tætnet med O-ring 20’” indsat på indsatshusets 19 nederste del akseparallelt med springfjederen 18.

Claims (10)

11 DK 174076 B1

1. Reguleringsindsats (1) til anbringelse i ventiler (2) og omfattende en dynamisk flowregulerende patron (3), hvilken patron (3) omfatter et første hus (4) med en 5 akseparallel spiralfjeder (5), hvilken spiralfjeder (5) i den første ende (6) har anlæg mod en forskydelig bundkop (7), i hvis væg mindst én indiøbsåbning (8) for væske er beliggende, hvilken åbning (8) har et regulerbart gennemstrømningsareal, hvilken spiralfjeder (5) i den anden ende (9) modsat første enden har anlæg mod en delvist lukket ende (22) i første huset (4), kendetegnet ved, at 10 en ventilkegle (10) yderligere har anlæg mod den delvist lukkede ende (22), hvilken ventilkegle (10) er beliggende i et andet hus (11), hvilket andet hus (11) omfatter en trykfjeder (16), der omslutter en spindel/stempelstang (17), hvilken spindel/stempelstang (17) forbinder ventilkeglen (10) med et aktiveringsorgan (13) og hvilken ventilkegles (10) position reguleres af første midler (12) via akti-15 veringsorganet (13).

2. Reguleringsindsats (1) ifølge krav 1, kendetegnet ved, at første midlerne (12) omfatter en termostat (14).

3. Reguleringsindsats (1) ifølge krav 1, kendetegnet ved, at første midlerne (12) omfatter en aktuator (15).

4. Reguleringsindsats (1) ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at første huset (4) er anlagt akseparallelt med og i andet huset (11), mel- 25 lem hvilke mindst én tætningsring (20) er beliggende.

5. Reguleringsindsats (1) ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at andet huset (11) omfatter en springring (18) i bunden af andet huset (11) og modsat trykfjederens (16) beliggenhed. 30

12 DK 174076 B1

6. Ventilenhed for dynamisk flowregulering omfattende en reguleringsindsats (1), hvilken reguleringsindsats (1) omfatter en dynamisk flowreguierende patron (3), hvilken patron (3) omfatter et første hus (4) med en akseparallel spiralfjeder (5), hvilken spiralfjeder (5) i den første ende (6) har anlæg mod en forskydelig bund-5 kop (7), i hvis væg mindst én indløbsåbning (8) for væske er beliggende, hvilken åbning (8) har et regulerbart gennemstrømningsareal, hvilken spiralfjeder (5) i den anden ende (9) modsat første enden har anlæg mod en delvist lukket ende (22) i første huset (4), kendetegnet ved, at en ventilkegle (10) yderligere har anlæg mod den delvist lukkede ende (22), hvilken ventilkegie (10) er beliggende 10 i et andet hus (11), hvilket andet hus (11) omfatter en trykfjeder (16), der omslut ter en spiral/stempelstang (17), hvilken spiral/stempelstang (17) forbinder ventilkeglen (10) med et aktiveringsorgan (13) og hvilken ventilkegles (10) position reguleres af første midler (12) via aktiveringsorganet (13).

7. Ventilenhed ifølge krav 6, kendetegnet ved, at første midlerne (12) omfat ter en termostat (14).

8. Ventilenhed ifølge krav 6, kendetegnet ved, at første midlerne (14) omfatter en aktuator (15). 20

9. Reguleringsindsats (1) ifølge krav 6-8, kendetegnet ved, at første huset (4) er anlagt akseparallelt med og i andet huset (11), mellem hvilket mindst én tætningsring (20) er beliggende.

10. Ventiienhed ifølge krav 6-9, kendetegnet ved, at andet huset (11) om fatter en springring (18) i bunden af dette og modsat trykfjederen (16). 30