EP4433729A1 - Armaturanordnung mit einem drosselmodul - Google Patents

Armaturanordnung mit einem drosselmodul

Info

Publication number
EP4433729A1
EP4433729A1 EP22818366.1A EP22818366A EP4433729A1 EP 4433729 A1 EP4433729 A1 EP 4433729A1 EP 22818366 A EP22818366 A EP 22818366A EP 4433729 A1 EP4433729 A1 EP 4433729A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
fitting arrangement
arrangement according
throttle
throttle module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22818366.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gregor RAUCH
Dieter Hanewald
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KSB SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB SE and Co KGaA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KSB SE and Co KGaA filed Critical KSB SE and Co KGaA
Publication of EP4433729A1 publication Critical patent/EP4433729A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K27/00—Construction of housing; Use of materials therefor
    • F16K27/02—Construction of housing; Use of materials therefor of lift valves
    • F16K27/0209—Check valves or pivoted valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K15/00—Check valves
    • F16K15/02—Check valves with guided rigid valve members
    • F16K15/04—Check valves with guided rigid valve members shaped as balls
    • F16K15/042—Check valves with guided rigid valve members shaped as balls with a plurality of balls

Definitions

  • the invention relates to a fitting arrangement with a housing with at least two openings and a duct, wherein at least one throttle module through which a flow can flow in one direction is arranged in the duct.
  • Fitting arrangements of this type are usually used in systems for transporting fluids, such as liquids, vapors or gases, in order to be able to regulate or control the transport in a targeted manner. At the same time, the fitting arrangement can also be completely shut off, as a result of which the transport of the respective fluid is interrupted.
  • valve arrangements are designed on the one hand on the basis of safety-relevant aspects and on the other hand on the basis of fluidic considerations.
  • the flow should only be influenced as little as possible in a fully open operating state.
  • the influence is generally given in the form of a resistance coefficient or pressure loss coefficient.
  • This coefficient is a measure of the pressure loss in a component through which flow occurs and is usually represented by the dimensionless code zeta, which puts the pressure difference between the inlet and outlet of the fitting arrangement in relation to the dynamic pressure. Any disruption to the flow, for example in the form of a deflection or blockage of the channel, leads to a loss of pressure and consequently to an increase in the drag coefficient.
  • the drag coefficient is not the only criterion on the basis of which a valve arrangement is designed.
  • the fitting arrangement is primarily used for control purposes, it is necessary for a specific pressure difference to be brought about between the inlet and outlet of the fitting arrangement when it is not fully open.
  • This pressure difference is achieved in that the throttle module limits the cross-section of the channel depending on the position. The limitation leads to a reduction in pressure.
  • the limitation of the cross section and thus also the influencing of the flow is therefore largely dependent on the position of the throttle module and is usually described using characteristic curves that map the flow rate over the position of the throttle module.
  • the characteristic curves used as standard are linear characteristic curves, in which the same, relative changes in path lead to the same changes in the relative flow rate.
  • equal-percentage characteristics are known, in which equal, relative changes in displacement lead to an equal percentage change in the relative flow. Both linear and equal percentage characteristics are standard. Both are equal.
  • fittings with defined characteristic curves are used to regulate or control flow-guiding systems.
  • a fitting can only assume a regulating function in a system if the authority is high. This means that the fitting largely determines the pressure loss in a flow-carrying system. Accordingly, the greater the pressure loss that can be achieved across the fitting, the greater the authority.
  • valve arrangements which, although they have great authority, still have very high drag coefficients even in a fully open operating state.
  • a flap, a gate valve or a tap for example, does not have great authority, ie it is difficult to regulate with them, but when they are fully open they only lead to a small pressure loss.
  • the selected resistance coefficient and thus the resulting required authority decide on the design of the valve.
  • the chosen drag coefficient defines the authority.
  • DE 10 2018 209 166 A1 presents a fitting with a shut-off body, the shut-off body having an element which is provided with a plurality of holes through which a medium flows.
  • the flow cross-sectional areas vary within the holes. This variation in the flow cross section of the passage designed as a hole allows the flow to be directed in a targeted manner. As a result, damage to the walls of the fitting or the shut-off body due to cavitation or a departing flow or turbulent turbulence, which is also referred to as abrasion, is specifically prevented.
  • DE 10 2020 003 753 A1 discloses a valve with a valve housing with a throttle section in a channel, which is arranged to be movable. At least in the throttle section, the channel has no angling. The lack of deflection in the throttle section ensures that there is no significant deflection of the flow.
  • DE 10 2020 003 756 A1 describes a fitting arrangement with a throttle section in a duct.
  • the channel has a primary and a secondary choke module.
  • the secondary throttle module consists of at least a first and a second throttle element, wherein the throttle elements can be moved relative to one another in such a way that in an operational state the flow resistance of a fluid flowing through changes depending on the position of the throttle elements. As a result, a variable adjustment of the resistance can be achieved independently of the valve lift.
  • Check valves are used to ensure directional dependency in fluid flows.
  • a check valve is a component that allows a fluid to flow in only one direction without fulfilling any other function.
  • the closing element In the case of spring-loaded check valves, the closing element is closed in one direction by the spring, while in the other direction it is released by the pressure of the flowing fluid.
  • a ball, a cone, a flap or a membrane is pressed into the respective seal seat. If there is pressure in the flow direction that can overcome the restoring force of the spring, the sealing element is lifted off the seat and the flow is free.
  • the sealing element In check valves without a spring, the sealing element is pressed into the seal seat either by gravity or by the flow pressure of the flowing fluid.
  • the present invention is based on the object of specifying a fitting arrangement that enables universal use, including backflow prevention, in flow-guiding systems.
  • the throttle module has at least one flow space in which at least one backflow preventer is arranged, the backflow preventer having at least one element and a stop for the element counter to the direction of flow.
  • a flow space is to be understood as a space through which a fluid can flow, which in the simplest case resembles a channel-shaped line.
  • the flow space is preferably designed for the throttling task to be performed, so that the flow space is adapted to this task in terms of cross-section, length, shape and surface finish.
  • the throttle module with the flow space is a complex component which is preferably produced additively and can therefore have shapes that were previously difficult or impossible to produce using conventional production.
  • the throttle module has a large number of flow chambers.
  • the throttle module can be designed as a structure with an extremely large number of flow spaces, for example small and complexly intertwined.
  • more flow spaces can be released for flow through partially and step by step, as a result of which the intended throttling task can be efficiently fulfilled.
  • a non-return valve is particularly preferably arranged in each flow space. This ensures that the throttle module can ensure a fluid flow in only one flow direction.
  • a throttle module that can set a pressure difference over a large range and at the same time can avoid reversing the direction of flow can only be produced in a conventional manner with great effort or is not previously known.
  • a favorable option is offered by generative production and the associated advantage of being able to manufacture a large number of extremely filigree channels.
  • a complex throttle module with a large number of flow chambers, including the non-return valve in each flow chamber, can be achieved and at the same time an exact setting of the pressure difference can be achieved over a large area.
  • each flow space is designed as a flow-through channel.
  • the flow space can be designed as a channel-like line.
  • the flow space can have a round or rectangular or square or trapezoidal or polygonal or cloverleaf-shaped or a complex shaped cross-section.
  • the or each flow space is designed as a flow-through channel, with the flow space preferably having a honeycomb structure.
  • a honeycomb shape of the flow space can preferably have a hexagonal cross section.
  • the hexagonal cross-sectional design offers an arrangement without gaps, as a result of which a maximum of fluid flow area and thus also a maximum of fluid flow can be realized.
  • cross-sectional shapes can advantageously be produced additively, since only round cross-sections can be produced with conventional tools, such as drills.
  • the cross-sectional shapes of the flow space can vary over the length of the duct to design the throttling task.
  • each flow space is designed as a curved channel.
  • the flow chamber has a radial entry opening and an axial exit opening.
  • the fluid flows in radially and out axially.
  • the flow space preferably has a complex shape, which can preferably be generated generatively. Curved canals cannot be produced conventionally, for example with drills.
  • the backflow preventer ideally includes all components that are involved and necessary in preventing and avoiding a flow reversal.
  • a central part of the backflow preventer is an element.
  • the element is preferably designed as a body.
  • This body preferably takes the form of a sphere.
  • the ball has an at least slightly larger diameter than the diameter of the flow chamber, which means that sealing can be ensured in the event of a flow reversal.
  • the element of the non-return valve can be designed as a flap which interacts with a stop for sealing and for preventing a flow reversal of the fluid.
  • the element of the backflow preventer can additionally comprise a spring element.
  • the element is preferably combined with a spring element. Such a combination is preferably implemented as a connection.
  • the element, including the spring element can be produced additively and at the same time.
  • the element is formed in one piece with the spring element.
  • the spring element can advantageously be designed as a spiral spring or as a leaf spring.
  • the spring element preferably has a connection to the wall of the flow space or to the wall of the cavity. This gives the element a guide and is no longer freely movable within the flow space.
  • the element can advantageously move with the flow exclusively on a guided path between the stop in the direction of flow and the stop against the direction of flow.
  • the element can be designed as a cube or as a cuboid or as a truncated cone or as a pyramid or as a complex body so that it advantageously interacts with the cross section of the flow space to seal and prevent backflow of the fluid.
  • the non-return valve preferably has a stop for the element counter to the direction of flow in order to seal and prevent a back flow.
  • the stop for the upstream element includes a Contact surface that is formed as a negative of the element.
  • the surface around the stop can be shaped in such a way that the element preferentially finds a position on the stop and efficiently prevents backflow.
  • the backflow preventer has a stop for the element in the direction of flow.
  • the element is positioned in such a way that the fluid flow can flow around the element without flow separation and turbulence.
  • the stop for the element in the direction of flow preferably has a centering, for example in the form of a bulge in the direction of flow.
  • the curvature is advantageously of convex design, as a result of which the element experiences a defined position within the stop solely as a result of the flow of the fluid.
  • the element is designed as a spherical body and is positioned by the fluid in the most outwardly curved part of the stop as long as the fluid flows in the direction of flow.
  • the stop has strut-like elements in the flow direction, which connect in a star shape at a center and thus form a flow divider.
  • six struts with a convex curvature and the same distance from one another can also form the stop in the direction of flow.
  • the backflow preventer preferably has a cavity.
  • the cavity is a flow-through cavity that is delimited by the two stops.
  • the cavity encloses the element such that the element is located within the cavity.
  • the shape or structure of the flow-through cavity is adapted to the throttling task, in particular to the setting of the pressure difference, by the preferred, generative design.
  • the cavity thus preferably extends from the stop against the direction of flow to the stop in the direction of flow.
  • the flow space opens into the non-return valve or originates from the non-return valve or the non-return valve is arranged at a position within the flow space.
  • the flow space and the non-return valve form a flow-through unit.
  • the backflow preventer is arranged at the end of the flow space when viewed in the direction of flow. If necessary, the backflow preventer is thus also accessible for post-processing.
  • the element is enclosed in the cavity by integrative and thus generative manufacturing.
  • a cavity with two stops and a complex shape adapted to the throttling task is formed around the element that is formed at the same time.
  • the wall of the backflow preventer is made in one piece and the element inside the housing of the cavity has a larger diameter than the two stops, which can preferably be produced generatively, in contrast to conventional production, in which the element is subsequently introduced into the housing of the cavity is not possible.
  • the throttle module is designed in one piece with at least one flow chamber, each of which includes a non-return valve.
  • the throttle module advantageously has a large number of flow chambers.
  • the walls of the flow spaces, including the respective elements, are formed into a one-piece throttle module through integrative, additive manufacturing.
  • the cavity or the flow space is preferably formed by a one-piece wall and the element is integrated in the cavity in a form-fitting manner.
  • This form-fitting integration is created by fitting the element into the cavity.
  • the element cannot leave the cavity.
  • the element could also not be subsequently inserted into the cavity.
  • the wall of the cavity stands in the way of the element at least so far that the element cannot leave the cavity.
  • This special, form-fitting integration can preferably be achieved with the help of additive manufacturing.
  • the element and the wall of the cavity are formed simultaneously in one work step, which means that it is not possible to remove and/or later insert the element.
  • the wall of the cavity including the stops, is formed in one piece at the same time.
  • the wall and each individual stop are preferably created generatively, in one operation and inseparably.
  • a cavity through which flow can take place for example in the form of an oval bubble, delimited by a stop against the direction of flow into which the flow space opens, and further delimited by a stop in the direction of flow in the form of a flow divider with three star-shaped struts, embedded a spherical element.
  • the entire throttle module with the multiplicity of flow chambers, each of which includes a non-return valve is produced additively.
  • the complex design of the throttle module for the integration of the non-return valve can be implemented particularly advantageously through additive manufacturing.
  • the element and the wall of the flow space including at least one stop, have a metallic surface.
  • the metallic surfaces have an average roughness value with regard to the avoidance of a backflow, which can achieve a seal.
  • the spherical element rests so smoothly and tightly against the stop that an excellent seal can be achieved.
  • the mean roughness value Ra is less than 6.4 ⁇ m, preferably less than 3.2 ⁇ m, in particular less than 1.6 ⁇ m.
  • the particularly smooth metallic surfaces are preferably achieved by electropolishing.
  • the average roughness of the surfaces is reduced by electropolishing. Roughness peaks are removed more quickly than roughness valleys, since electropolishing in mineral acid mixtures forms a transport-limiting polishing layer in front of the surface, which promotes the removal of roughness peaks.
  • the nanoroughness is also reduced. In this case, electrochemical brightening takes place. Glossiness is a result of roughness in the fractional wavelength range of visible light.
  • the mean roughness value of the metal surfaces can be specifically adjusted using the duration of the electropolishing and thus adapted to the task of the choke module.
  • the element is produced in a cavity, simultaneously with the cavity, by the selective action of radiation on a structural material in the method for producing a fitting arrangement with a flow-through throttle module.
  • the throttle module is preferably manufactured additively.
  • This special manufacturing technique enables a flexible structure to be produced very quickly and with extremely little use of material.
  • the element within the cavity, wherein the element is designed to be movable within the cavity to ensure the fluid flow in only one preferred flow direction can be ideally achieved by additive manufacturing technology.
  • An additively manufactured throttle module has been produced using an additive manufacturing process.
  • additive manufacturing process includes all manufacturing processes in which material is applied layer by layer, thus creating three-dimensional elements, cavities and flow spaces.
  • the layered structure is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes. During construction, physical or chemical hardening or melting processes take place.
  • Typical materials for 3D printing are plastics, synthetic resins, ceramics, metals, carbon and graphite materials.
  • Generative or additive manufacturing processes are processes in which material is applied layer by layer in order to create a large number of three-dimensional flow spaces in a throttle module.
  • the backflow preventer is preferably made additively.
  • selective laser melting and cladding also known as build-up welding, are used to form the throttle module.
  • extrusion in combination with the application of meltable plastic is also an applicable method.
  • a flow chamber with a backflow preventer is produced within the throttle module using a process in which a layer of a construction material is first applied to a base.
  • the structural material for producing the flow space is preferably metallic powder particles.
  • iron-containing and/or cobalt-containing powder particles are used for this purpose. These can contain additives such as chromium, molybdenum or nickel.
  • the metallic structure material is applied in powder form in a thin layer to a plate.
  • the powdered material is then completely melted locally at the desired points by means of radiation and a solid layer of material is formed after solidification.
  • the base is then lowered by the amount of one layer thickness and powder is applied again. This cycle is repeated until all layers have been produced and the finished flow chamber or throttle module has been created.
  • a laser beam for example, can be used as radiation, which generates the throttle module from the individual powder layers.
  • the data for the management of Laser beams are generated based on a 3D CAD body using software.
  • an electron beam EBN can also be used.
  • the choke module is manufactured using a process that coats a starting piece by welding.
  • the build-up welding uses a welding filler material in the form of a wire or powder to create a volume that creates a particularly filigree and optimized shape for the choke module.
  • the throttle module with flow spaces and backflow preventers is made from a structural material by means of successive melting and solidification of layers by means of radiation.
  • the different properties of the flow space, the cavity and the element as well as the stops are generated by variations in the radiation.
  • a modification of the material properties is already carried out during construction. This makes it possible to create zones and microstructures of different material states of a chemically homogeneous material and thus different properties in one area of the throttle module.
  • the throttle module can be formed from different structural materials.
  • the structural material preferably comprises metallic powder particles, in particular low-alloy and/or high-alloy steel powder particles and/or meltable plastic and/or a metal-polymer hybrid material.
  • the throttle module is preferably produced using an additive manufacturing process, in which a grid of points is applied to a surface from meltable plastic.
  • a load-bearing structure is created by extrusion using a nozzle and subsequent hardening by cooling at the desired position.
  • the structure of the throttle module is usually carried out by repeatedly traversing a working level line by line and then the working level is stacked and shifted upwards so that the choke module is created.
  • the fitting arrangement can simultaneously fulfill a necessary control task by means of a primary throttle module.
  • the primary throttle module is preferably designed as a valve with a shut-off body and a valve seat, with the shut-off body moving in the flow direction or against the flow direction when the valve is opened and closed.
  • the primary throttle module could also be designed as a shut-off body with a ball valve, a flap or a slide, in which case the shut-off body preferably moves perpendicularly to the direction of flow.
  • the fitting arrangement is used for throttling a fluid with an integrated backflow prevention in a flow-through system.
  • 3 is a view of the stop in the direction of flow with the element in position. 1 shows an exemplary embodiment of the fitting arrangement, which is expressly not limited thereto, as a valve with a control task and throttle function, the throttle function being performed by a primary throttle module 6 and a secondary throttle module 12 .
  • the fitting arrangement has a housing 1, which can be installed at both ends via a flange 9 in a flow-carrying system, e.g. pipelines.
  • the flanges 9 have holes for receiving fasteners. These are preferably screw connections.
  • a channel 4 is provided in the housing 1 and opens into a first and a second opening 2, 3 at the ends of the housing 1.
  • the fitting arrangement is operated in such a way that the first opening 2 is set up as an inlet opening and the second opening 3 is set up as an outlet opening for the flow. Accordingly, an operating medium flows in the opposite direction to the channel direction L shown.
  • the channel 4 has no angling along the channel direction L. This means that a flow does not have any deflection caused by the housing, or that the center points of a cross-sectional area of the channel 4 along the longitudinal direction L are arranged at the same height.
  • the consequence of this configuration is that when the fitting arrangement is in a fully open state, there is only a very small pressure loss between the openings 2, 3.
  • the channel 4 is designed without a bend, it widens starting from the second opening 3 along the channel direction L until just before the first opening 2 , with the channel 4 then narrowing down to the first opening 2 .
  • a primary throttle module 6 consisting of a throttle head 7 and a drive rod 8 is arranged in a throttle section 5 of the channel 4 and can be moved parallel to the throttle section 5 along the channel direction L.
  • the throttle section 5 is designed without any angling, with the fitting arrangement shown having no angling along the entire duct 4, as already explained above.
  • the throttle head 7 is designed in the form of a parabolic cone and, when the fitting arrangement is in a completely closed state, forms a seal with a valve seat.
  • This valve seat is formed on a separate valve seat part 10 , the valve seat part being arranged in the first opening 2 .
  • Between the throttle head 7 and the valve seat part 10 is always the narrowest point of the armature arrangement through which flow can take place, so that the required pressure loss across the armature arrangement depending on the position of the primary throttle module 6 can be determined by the specific design of these components.
  • the throttle head 7 is arranged at one end of the drive rod 8 and a section of the drive rod 8 is designed as lifting kinematics 11 .
  • the drive rod 8 also forms the common primary throttle guide rail and the secondary throttle guide rail.
  • the lifting kinematics 11 has three displaceable, arranged components. This lifting kinematics 11 interacts with a rod drive 16, which is slidably arranged in the channel 4 and can be actuated from the outside. As a result, an external movement leads to a linear movement of the primary throttle module 6 along or counter to the channel direction L. The direction of the movement is dependent on the direction of rotation of the rod drive 16.
  • the rod drive 16 To actuate the rod drive 16 , it is connected to a drive (not shown), the primary throttle module 6 being moved between a fully closed and a fully open position by rotating the rod drive 16 .
  • the drive rod 8 is arranged completely inside the channel 4 and is guided linearly along or counter to the channel direction L via a secondary throttle module 12 and the throttle head 7 .
  • the secondary throttle module 12 can basically be designed in different ways, with the example shown the secondary throttle module 12 being movable relative to one another in the channel direction L via two Throttle elements 13, 14 are realized, the second throttle element 14 being fixedly attached to the channel wall 15 and the first throttle element 13 being formed on a section of the drive rod 8.
  • the flow chambers 19 are partially released or blocked in the secondary throttle module 12, so that the flow resistance changes depending on the position of the drive rod 8.
  • the throttle module 12 has a large number of flow spaces 19, with a large part of the flow spaces 19 having a radial inlet opening and an axial outlet opening.
  • the flow chambers 19 are thus designed as channels through which flow can take place, which are mostly designed as curved channels, and in some cases are also designed as channels through which flow can flow horizontally.
  • a backflow preventer 20 is arranged in each flow space 19 .
  • FIG. 2 shows a section through an exemplary non-return valve 20 .
  • the non-return valve 20 comprises a cavity 21 as a hollow space that can be flowed through, in which the element 23 is arranged.
  • the element 23 is designed as a sphere.
  • the flow chamber 19 opens out via the stop 22 against the flow direction in the backflow preventer 20.
  • the cavity 21 extends from the stop 22 against the flow direction to the stop 25 in the flow direction.
  • the stop 25 in the direction of flow is formed from strut-like elements 24 which have a curvature in the direction of flow and thus hold the element 23 in a flow-optimized position if fluid flows through it.
  • a flow outlet 26 adjoins the stop 25 in the direction of flow.
  • the non-return valve 20 is arranged at the end of the flow space 19 and thus at the flow outlet of the throttle module 12 .
  • the element 23 is enclosed in the cavity 21 by additive manufacturing.
  • the cavity 21 is formed with two stops 22, 25 while the element 23 is formed at the same time and has a shape that is adapted to the throttling task. Subsequent introduction of the element 23 into the cavity 21 is not possible since the diameter of the element 23 is larger than the diameter of the two stops 22, 25, with which the non-return valve 20 in its complex form can easily be produced by additive manufacturing.
  • the element 23 In the event of a flow reversal of the fluid, the element 23 is moved from the position in the stop 25 in the direction of flow through the cavity 21 to the stop 22 against the direction of flow and thereby closes the path for the fluid into the flow chamber 19. A backflow of the fluid is thereby prevented prevented.
  • FIG 3 shows an exemplary view of the stop 25 in the flow direction with the element 23 positioned.
  • the stop 25 in the flow direction has three strut-like elements 24 which connect in a star shape at a center and thus form a flow divider.
  • the three strut-like elements 24 have a convex curvature in the direction of flow and are each offset by 120°. This positions element 23 centrally within stop 25 and allows fluid to flow around element 23 without significant turbulence and pressure loss.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Check Valves (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Armaturanordnung mit einem Gehäuse (1) mit mindestens zwei Öffnungen (2, 3) und einem Kanal (4). In dem Kanal (4) ist mindestens ein in einer Strömungsrichtung durchströmbares Drosselmodul (12) angeordnet. Das Drosselmodul (12) weist mindestens einen Strömungsraum (19) auf, in dem mindestens ein Rückflussverhinderer angeordnet ist. Der Rückflussverhinderer weist dabei mindestens ein Element und einen Anschlag für das Element entgegen der Strömungsrichtung auf.

Description

Armaturanordnung mit einem Drosselmodul
Die Erfindung betrifft eine Armaturanordnung mit einem Gehäuse mit mindestens zwei Öffnungen und einem Kanal, wobei in dem Kanal mindestens ein in einer Strömungsrichtung durchströmbares Drosselmodul angeordnet ist.
Derartige Armaturanordnungen werden üblicherweise in Anlagen zum Transport von Fluiden, wie Flüssigkeiten, Dämpfen oder Gasen, eingesetzt, um den Transport gezielt regeln bzw. steuern zu können. Zugleich kann auch eine vollständige Absperrung der Armaturanordnung erfolgen, wodurch der Transport des jeweiligen Fluids unterbrochen wird.
Die Auslegung derartiger Armaturanordnungen erfolgt einerseits anhand sicherheitsrelevanter Aspekte und andererseits anhand strömungstechnischer Überlegungen. So soll beispielsweise die Strömung in einem vollständig geöffneten Betriebszustand nur so gering wie möglich beeinflusst werden. Die Beeinflussung wird allgemein in Form eines Widerstandsbeiwertes bzw. Druckverlustbeiwertes angegeben. Dieser Beiwert ist ein Maß für den Druckverlust in einem durchströmten Bauteil und wird üblicherweise über die dimensionslose Kennzahl Zeta dargestellt, die den Druckunterschied zwischen Eintritt und Austritt der Armaturanordnung in das Verhältnis zu dem dynamischen Druck setzt. Jede Störung der Strömung, z.B. in Form einer Umlenkung oder Versperrung des Kanals, führt demnach zu einem Druckverlust und folglich zu einer Erhöhung des Widerstandsbeiwertes. Bekannte Armaturanordnungsbauformen wie Kugelhähne weisen in einem vollständig geöffneten Betriebszustand aufgrund des geraden Durchgangs sehr kleine Widerstandsbeiwerte auf (Zeta = 0,11 ). Andere Bauformen wie das Hubventil haben durch die Strömungsumlenkung wesentlich größere Widerstandsbeiwerte (Zeta = 8,5).
Der Widerstandsbeiwert ist allerdings nicht das einzige Kriterium, anhand dessen die Auslegung einer Armaturanordnung erfolgt. Insbesondere wenn die Armaturanordnung vornehmlich zu Regelungszwecken eingesetzt wird, ist es erforderlich, dass in einem nicht vollständig geöffneten Zustand eine bestimmte Druckdifferenz zwischen Eintritt und Austritt der Armaturanordnung herbeigeführt wird. Diese Druckdifferenz wird dadurch erzielt, dass das Drosselmodul je nach Stellung den Querschnitt des Kanals begrenzt. Die Begrenzung führt zu einer Reduzierung des Druckes.
Die Begrenzung des Querschnittes und damit auch die Beeinflussung der Strömung ist somit maßgeblich von der Stellung des Drosselmoduls abhängig und wird üblicherweise über Kennlinien beschrieben, die den Durchfluss über die Stellung des Drosselmoduls abbilden. Standardmäßig eingesetzte Kennlinien sind lineare Kennlinien, bei denen gleiche, relative Wegänderungen zu gleichen Änderungen des relativen Durchflusses führen. Alternativ sind gleichprozentige Kennlinien bekannt, bei denen gleiche, relative Wegänderungen zu einer gleichen prozentualen Änderung des relativen Durchflusses führen. Sowohl lineare als auch gleichprozentige Kennlinien sind Standard. Beide sind gleichgestellt.
Diese Armaturen mit definierten Kennlinien werden dazu genutzt, um strömungsführende Systeme zu regeln bzw. zu steuern. Eine Armatur kann aber nur dann in einem System eine regelnde Funktion einnehmen, wenn die Autorität hoch ist. Dies bedeutet, dass die Armatur maßgeblich den Druckverlust in einem strömungsführenden System bestimmt. Demnach ist die Autorität umso größer, je größer der über die Armatur erzielbare Druckverlust ist. Hierbei ist allerdings problematisch, dass Armaturanordnungen, die zwar eine große Autorität aufweisen, auf der anderen Seite auch in einem vollständig geöffneten Betriebszustand noch sehr große Widerstandsbeiwerte mit sich bringen. Andererseits weisen beispielsweise eine Klappe, ein Schieber oder ein Hahn keine große Autorität auf, d.h. es lässt sich nur schlecht mit ihnen regeln, doch dafür führen sie im voll geöffneten Zustand auch nur zu einem geringen Druckverlust.
Je nach Anwendungsfall und Einsatzzweck entscheiden daher der gewählte Widerstandsbeiwert und damit die daraus resultierende, erforderliche Autorität über die Bauform der Armatur. Der gewählte Widerstandsbeiwert definiert die Autorität.
In der DE 10 2018 209 166 A1 wird eine Armatur mit einem Absperrkörper vorgestellt, wobei der Absperrkörper ein Element aufweist, das mit einer Mehrzahl von Löchern, die von einem Medium durchströmt werden, versehen ist. Dabei variieren innerhalb der Löcher die Strömungsquerschnittsflächen. Durch diese Variation des Strömungsquerschnitts von dem als Loch ausgeführten Durchgang, kann die Strömung gezielt gelenkt werden. Dadurch werden Schäden an den Wänden der Armatur bzw. des Absperrkör- pers durch Kavitation bzw. eine abreisende Strömung, bzw. turbulente Verwirbelungen, die auch als Abrasion bezeichnet werden, gezielt verhindert.
Die DE 10 2020 003 753 A1 offenbart ein Ventil mit einem Ventilgehäuse mit einem Drosselabschnitt in einem Kanal, der verfahrbar angeordnet ist. Der Kanal weist zumindest im Drosselabschnitt keine Abwinklung auf. Durch die fehlende Abwinklung im Drosselabschnitt wird gewährleistet, dass dort keine wesentliche Umlenkung der Strömung erfolgt.
In der DE 10 2020 003 756 A1 wird eine Armaturanordnung mit einem Drosselabschnitt in einem Kanal beschrieben. Der Kanal weist ein primäres und ein sekundäres Drosselmodul auf. Das sekundäre Drosselmodul besteht aus zumindest einem ersten und einem zweiten Drosselelement, wobei die Drosselelemente derart relativ zueinander bewegt werden können, dass sich in einem betriebsgemäßen Zustand der Strömungswiderstand eines durchströmenden Fluids in Abhängigkeit von der Stellung der Drosselelemente verändert. Dadurch kann eine variable Einstellung des Widerstandes unabhängig vom Ventilhub erzielt werden. Um bei Fluidströmungen eine Richtungsabhängigkeit zu gewährleisten, werden Rückschlagarmaturen eingesetzt. Eine Rückschlagarmatur ist ein Bauteil, das die Strömung eines Fluids in nur einer Richtung zulässt, ohne dabei weitere Funktionen zu erfüllen.
Bei federbelasteten Rückschlagarmaturen wird das Schließelement in einer Richtung durch die Feder geschlossen, in der anderen Richtung dagegen vom Druck des strömenden Fluids freigegeben. Hierbei wird entweder eine Kugel, ein Kegel, eine Klappe oder eine Membran in den jeweiligen Dichtungssitz gedrückt. Steht in der Durchlassrichtung ein Druck an, der die Rückstellkraft der Feder überwinden kann, wird das dichtende Element vom Sitz abgehoben und der Durchfluss ist frei.
Bei Rückschlagarmaturen ohne Feder wird das Dichtelement entweder durch die Schwerkraft oder den Fließdruck des strömenden Fluids in den Dichtungssitz gedrückt.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Armaturanordnung anzugeben, die einen universellen Einsatz, inklusive einer Rückflussvermeidung, in strömungsführenden Systemen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Armaturanordnung mit einem Gehäuse gelöst. Bevorzugte Varianten sind nebengeordneten Hauptansprüchen, den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung selbst zu entnehmen.
Erfindungsgemäß weist das Drosselmodul mindestens einen Strömungsraum auf, in dem mindestens ein Rückflussverhinderer angeordnet ist, wobei der Rückflussverhinderer mindestens ein Element und einen Anschlag für das Element entgegen der Strömungsrichtung aufweist.
Als Strömungsraum ist ein von einem Fluid durchström barer Raum zu verstehen, der im einfachsten Fall einer kanalförmigen Leitung gleicht. Dabei ist der Strömungsraum vorzugsweise für die zu erfüllende Drosselaufgabe ausgestaltet, so dass der Strömungs- raum hinsichtlich des Querschnitts, der Länge, der Form und der Oberflächenbeschaffenheit an diese Aufgabe angepasst ist. Das Drosselmodul mit dem Strömungsraum ist ein komplexes Bauteil, welches vorzugsweise generativ erzeugt wird und dadurch Formen aufweisen kann, die durch konventionelle Fertigung bisher schwer oder nicht erzeugt werden konnten.
Bei einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung weist das Drosselmodul eine Vielzahl an Strömungsräumen auf. Dabei kann das Drosselmodul als Struktur mit äußerst vielen, beispielsweise kleinen und komplex verschlungenen Strömungsräumen ausgebildet sein. Vorzugsweise können durch das Verfahren von ineinander beweglichen Teilen der Armaturanordnung partiell und schrittweise mehr Strömungsräume zum Durchströmen frei gegeben werden, wodurch die bestimmungsgemäße Drosselaufgabe effizient erfüllt werden kann.
Bei der Variante mit einer Vielzahl von Strömungsräumen ist besonders bevorzugt in jedem Strömungsraum ein Rückflussverhinderer angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass das Drosselmodul eine Fluidströmung in nur eine Strömungsrichtung gewährleisten kann. Ein Drosselmodul, das eine Druckdifferenz über einen großen Bereich einstellen kann und gleichzeitig die Umkehr der Strömungsrichtung vermeiden kann, ist auf konventionelle Weise nur sehr aufwändig herzustellen oder bisher nicht bekannt. Eine günstige Möglichkeit bietet die generative Erzeugung und dem damit einhergehenden Vorteil, eine Vielzahl äußerst filigraner Kanäle zu fertigen. Ein komplexes Drosselmodul mit einer Vielzahl von Strömungsräumen, inklusive der Rückflussverhinderer in jedem Strömungsraum, kann dadurch erzielt werden und gleichzeitig eine exakte Einstellung der Druckdifferenz über einen großen Bereich realisieren.
Idealerweise ist dazu jeder Strömungsraum als durchström barer Kanal ausgebildet. Der Strömungsraum kann dazu als kanalartige Leitung ausgeführt sein. Dabei kann der Strömungsraum einen runden oder rechteckigen oder quadratischen oder trapezförmigen oder vieleckförmigen oder kleeblattförmigen oder einen komplex geformten Querschnitt aufweisen. Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist der oder jeder Strömungsraum als durchström barer Kanal ausgeführt, wobei der Strömungsraum vorzugsweise eine wabenförmige Struktur aufweist. Eine solche Wabenform des Strömungsraums kann vorzugsweise einen sechseckigen Querschnitt aufweisen. Bei einer Anordnung vieler Strömungsräume nebeneinander bietet die sechseckige Querschnittsausführung eine Anordnung ohne Lücken, wodurch ein Maximum an Fluiddurchflussfläche und somit auch ein Maximum an Fluiddurchfluss realisiert werden kann.
Solche Querschnittsformen lassen sich vorteilhaft generativ fertigen, da mit konventionellen Werkzeugen, wie z.B. Bohrern, nur runde Querschnitte erzeugt werden können. In einer Variante der Erfindung können die Querschnittsformen des Strömungsraumes über die Kanallänge zur Ausgestaltung der Drosselaufgabe variieren.
In einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist jeder Strömungsraum als gekrümmter Kanal ausgebildet. Dabei weist der Strömungsraum eine radiale E intrittsöff- nung und eine axiale Austrittsöffnung auf. Vorzugsweise strömt das Fluid radial ein und axial aus. Der Strömungsraum weist vorzugsweise eine komplexe Form auf, die bevorzugt generativ erzeugt werden kann. Gekrümmte Kanäle lassen sich konventionell, beispielsweise mit Bohrern, nicht herstellen.
Der Rückflussverhinderer umfasst idealerweise alle Bauteile, die an der Verhinderung und Vermeidung einer Strömungsumkehr beteiligt und nötig sind.
Ein zentraler Bestandteil des Rückflussverhinderers ist ein Element. Dabei ist das Element vorzugsweise als Körper ausgebildet. Dieser Körper nimmt bevorzugt die Form einer Kugel an. Vorteilhafterweise weist die Kugel einen zumindest geringfügig größeren Durchmesser als der Durchmesser des Strömungsraums auf, wodurch eine Abdichtung im Falle einer Strömungsumkehr gewährleistet werden kann.
Bei einer weiteren Variante der Erfindung kann das Element des Rückflussverhinderers als Klappe ausgeführt sein, die mit einem Anschlag zur Abdichtung und zur Vermeidung einer Strömungsumkehr des Fluids zusammenwirkt. Bei einer alternativen Variante der Erfindung kann das Element des Rückflussverhinderers zusätzlich ein Federelement umfassen. Vorzugsweise wird das Element mit einem Federelement kombiniert. Eine solche Kombination ist bevorzugt als Verbindung ausgeführt. Dazu kann das Element inklusive dem Federelement generativ und gleichzeitig gefertigt werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist das Element mit dem Federelement einstückig ausgebildet.
Vorteilhafterweise kann das Federelement als Spiralfeder oder als Blattfeder ausgeführt sein.
Vorzugsweise weist das Federelement eine Verbindung zur Wandung des Strömungsraumes bzw. zur Wandung der Kavität auf. Dadurch erhält das Element eine Führung und ist nicht mehr frei beweglich innerhalb des Strömungsraumes. Vorteilhafterweise kann sich das Element mit der Strömung ausschließlich auf einem geführten Weg zwischen dem Anschlag in Strömungsrichtung und dem Anschlag gegen die Strömungsrichtung bewegen.
Idealerweise können mithilfe der generativen Fertigung unterschiedliche und dabei an die Aufgabe des Rückflussverhinderers angepasste Federsteifigkeiten generiert werden.
Bei einer alternativen Variante der Erfindung kann das Element als Würfel oder als Quader oder als Kegelstumpf oder als Pyramide oder als komplexer Körper ausgebildet sein, so dass er vorteilhaft mit dem Querschnitt des Strömungsraums zur Abdichtung und zur Vermeidung eines Rückflusses des Fluids zusammenwirkt.
Vorzugsweise weist der Rückflussverhinderer zur Abdichtung und Vermeidung eines Rückflusses einen Anschlag für das Element entgegen der Strömungsrichtung auf. Idealerweise umfasst der Anschlag für das Element entgegen der Strömungsrichtung eine Anlagefläche, die als Negativ des Elements ausgeformt ist. Darüber hinaus kann die Fläche um den Anschlag so geformt sein, dass das Element bevorzugt am Anschlag eine Position findet und einen Rückfluss effizient verhindert.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung weist der Rückflussverhinderer einen Anschlag für das Element in Strömungsrichtung auf. Idealerweise wird das Element so positioniert, dass die Fluidströmung ohne Strömungsablösung und -Verwirbelung das Element umströmen kann.
Bevorzugt weist der Anschlag für das Element in Strömungsrichtung eine Zentrierung beispielsweise in Form einer Wölbung in Strömungsrichtung auf. Dabei ist die Wölbung vorteilhafterweise konvex ausgebildet, wodurch das Element allein durch die Strömung des Fluids eine definierte Position innerhalb des Anschlags erfährt. Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung ist das Element als kugelförmiger Körper ausgebildet und wird vom Fluid in den am weitest nach außen gewölbtem Teil des Anschlags positioniert, solange das Fluid in Strömungsrichtung fließt.
Idealerweise weist der Anschlag in Strömungsrichtung strebenartige Elemente auf, die sich in einem Mittelpunkt sternförmig verbinden und somit einen Strömungsteiler formen. Vorzugsweise bilden drei Streben mit einer konvexen Wölbung, jeweils um 120 ° versetzt angeordnet, den Anschlag in Strömungsrichtung. Dadurch wird das Element mittig innerhalb des Anschlags positioniert und das Fluid kann ohne signifikante Turbulenzen sowie Druckverluste um das Element strömen.
Bei einer alternativen Variante der Erfindung können auch sechs Streben mit konvexer Wölbung und gleichem Abstand zueinander den Anschlag in Strömungsrichtung bilden.
Bevorzugt weist der Rückflussverhinderer eine Kavität auf. Dabei ist die Kavität ein durchström barer Hohlraum, der von beiden Anschlägen begrenzt wird. Die Kavität umschließt das Element, so dass das Element innerhalb der Kavität angeordnet ist. Die Form bzw. das Gebilde des durchström baren Hohlraums ist durch die bevorzugte, generative Ausbildung an die Drosselaufgabe, insbesondere an die Einstellung der Druckdifferenz, angepasst.
Die Kavität reicht somit vorzugsweise vom Anschlag gegen die Strömungsrichtung bis zum Anschlag in Strömungsrichtung. Je nach Anordnung des Rückflussverhinderers mündet der Strömungsraum im Rückflussverhinderer oder entspringt dem Rückflussverhinderer oder der Rückflussverhinderer ist an einer Position innerhalb des Strömungsraums angeordnet. Dadurch bilden der Strömungsraum und der Rückflussverhinderer eine durchström bare Einheit.
Bei einer besonders bevorzugten Variante ist der Rückflussverhinderer bei der Betrachtung in Strömungsrichtung am Ende des Strömungsraums angeordnet. Gegebenenfalls ist der Rückflussverhinderer somit auch für eine Nachbearbeitung zugänglich.
Idealerweise ist das Element in der Kavität durch eine integrative und somit generative Fertigung eingeschlossen. Dabei werden im Rahmen einer additiven Fertigung eine Kavität mit zwei Anschlägen und in komplexer, an die Drosselaufgabe angepassten Form um das gleichzeitig gebildete Element formiert.
Bei einer bevorzugten Variante ist die Wandung des Rückflussverhinderers einteilig hergestellt und das Element im Inneren des Gehäuses der Kavität hat einen größeren Durchmesser als die beiden Anschläge, was sich vorzugsweise generativ herstellen lässt, im Gegensatz zu einer konventionellen Fertigung, bei der ein nachträgliches Einbringen des Elements in das Gehäuse der Kavität so nicht möglich ist.
Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist das Drosselmodul mit mindestens einem Strömungsraum, der jeweils einen Rückflussverhinderer umfasst, einstückig ausgebildet. Vorteilhafterweise weist das Drosselmodul eine Vielzahl von Strömungsräumen auf. Dabei werden die Wände der Strömungsräume inklusive den jeweiligen Elementen durch integrative, generative Fertigung zu einem einstückigen Drosselmodul formiert. Bevorzugt wird die Kavität bzw. der Strömungsraum von einer einstückigen Wand gebildet und dabei wird das Element formschlüssig in der Kavität integriert.
Diese formschlüssige Integration entsteht durch das Ineinanderfügen des Elements in die Kavität. Dadurch kann das Element die Kavität nicht verlassen. Des Weiteren könnte das Element auch nicht nachträglich in die Kavität eingefügt werden. Insofern steht die Wand der Kavität dem Element zumindest so weit im Weg, so dass das Element die Kavität nicht verlassen kann.
Diese besondere, formschlüssige Integration kann vorzugsweise mithilfe der generativen Fertigung erzielt werden. Dabei werden das Element und die Wand der Kavität gleichzeitig in einem Arbeitsschritt gebildet, wodurch die Entnahme und/oder das spätere Einfügen des Elements nicht möglich sind.
Idealerweise wird gleichzeitig die Wandung der Kavität inklusive der Anschläge einstückig ausgebildet. Dadurch sind die Wand und jeder einzelne Anschlag bevorzugt generativ, in einem Arbeitsgang und untrennbar erzeugt.
Bei einer besonders bevorzugten Variante ist innerhalb eines durchström baren Hohlraums, beispielsweise in Form einer ovalen Blase, begrenzt durch einen Anschlag gegen die Strömungsrichtung, in die der Strömungsraum mündet, und weiterhin begrenzt durch einen Anschlag in Strömungsrichtung in Form eines Strömungsteilers mit drei sternförmigen Streben, ein kugelförmiges Element eingebettet.
Bei einer günstigen Variante der Erfindung ist das gesamte Drosselmodul mit der Vielzahl an Strömungsräumen, die jeweils einen Rückflussverhinderer umfassen, generativ gefertigt. Durch die additive Fertigung ist die komplexe Ausbildung des Drosselmoduls zur Integration des Rückflussverhinderers besonders vorteilhaft realisierbar.
Idealerweise weist das Element und die Wand des Strömungsraums inklusive mindestens eines Anschlags eine metallische Oberfläche auf. Die metallischen Oberflächen weisen hinsichtlich der Vermeidung einer Rückströmung einen Mittenrauwert auf, der eine Abdichtung erzielen kann. Das kugelförmige Element liegt dabei so glatt und dichtend im Anschlag auf, so dass eine hervorragende Abdichtung realisiert werden kann. Dabei beträgt der Mittenrauwert Ra weniger als 6,4 pm, vorzugsweise weniger als 3,2 pm, insbesondere weniger als 1 ,6 pm.
Die besonders glatten metallischen Oberflächen werden vorzugsweise durch das Elektropolieren erreicht. Der Mittenrauwert der Oberflächen wird durch das Elektropolieren verringert. Rauheitsspitzen werden schneller abgetragen als Rauheitstäler, da sich beim Elektropolieren in Mineralsäuregemischen vor der Oberfläche eine transportlimitierende Polierschicht bildet, die den Abtrag an Rauheitsspitzen begünstigt. Die Nanorauheit wird ebenso reduziert. In diesem Fall wird elektrochemisch geglänzt. Der Glanz ist ein Resultat der Rauheit im Bereich von Bruchteilen der Wellenlänge des sichtbaren Lichts.
Idealerweise kann der Mittenrauwert der metallischen Oberflächen mithilfe der Dauer des Elektropolierens gezielt eingestellt werden und so an die Aufgabe des Drosselmoduls angepasst werden.
Gemäß der Erfindung wird bei dem Verfahren zur Herstellung einer Armaturanordnung mit einem durchström baren Drosselmodul das Element in einer Kavität, gleichzeitig mit der Kavität, durch selektives Einwirken einer Strahlung auf ein Aufbaumaterial erzeugt.
Erfindungsgemäß ist das Drosselmodul vorzugsweise additiv gefertigt. Diese besondere Fertigungstechnik ermöglicht eine flexible Struktur, unter äußerst geringem Matenaleinsatz und sehr schnell zu erzeugen. Insbesondere das Element innerhalb der Kavität, wobei das Element beweglich innerhalb der Kavität zur Gewährleistung der Fluidströmung in nur eine bevorzugte Strömungsrichtung ausgeführt ist, kann ideal durch die additive Fertigungstechnik erzielt werden.
Ein additiv gefertigtes Drosselmodul ist mit einem additiven Fertigungsverfahren erzeugt worden. Die Bezeichnung additive Fertigungsverfahren umfasst alle Fertigungsverfah- ren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und somit dreidimensionale Elemente, Kavitäten und Strömungsräume erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, Metalle, Carbon- und Graphitmatenalien.
Unter generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren versteht man Verfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, um eine Vielzahl dreidimensionaler Strömungsräume in einem Drosselmodul zu erzeugen. Gemäß der Erfindung ist der Rückflussverhinderer bevorzugt additiv gefertigt ausgebildet. Für die Ausbildung des Drosselmoduls werden insbesondere das selektive Laserschmelzen und das Cladding, auch bekannt als Auftragsschweißen, angewandt. Bei einer alternativen Variante der Erfindung ist auch das Extrudieren in Kombination mit dem Aufträgen von schmelzfähigem Kunststoff ein anwendbares Verfahren.
Beim selektiven Laserschmelzen wird ein Strömungsraum mit Rückflussverhinderer innerhalb des Drosselmoduls nach einem Verfahren hergestellt, bei dem zunächst eine Schicht eines Aufbaumaterials auf eine Unterlage aufgebracht wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufbaumaterial zur Herstellung des Strömungsraums um metallische Pulverteilchen. Bei einer Variante der Erfindung werden dazu eisenhaltige und/oder kobalthaltige Pulverpartikel eingesetzt. Diese können Zusätze wie Chrom, Molybdän oder Nickel enthalten. Der metallische Aufbauwerkstoff wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Dann wird der pulverförmige Werkstoff mittels einer Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und es bildet sich nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Unterlage um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis alle Schichten hergestellt sind und der fertige Strömungsraum bzw. das fertige Drosselmodul entstanden ist.
Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher das Drosselmodul aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Führung des Laserstrahls werden auf der Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Software erzeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektronenstrahl (EBN) zum Einsatz kommen.
Beim Auftragsschweißen oder Cladding wird das Drosselmodul nach einem Verfahren hergestellt, das ein Anfangsstück durch Schweißen beschichtet. Das Auftragsschweißen baut dabei durch einen Schweißzusatzwerkstoff in Form von einem Draht oder einem Pulver ein Volumen auf, das eine besonders filigrane und optimierte Form des Drosselmoduls realisiert.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird das Drosselmodul mit Strömungsräumen und Rückflussverhinderer aus einem Aufbaumaterial durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Erstarren von Schichten mittels Strahlung hergestellt. Die unterschiedlichen Eigenschaften des Strömungsraums, der Kavität und des Elements sowie der Anschläge werden dabei durch Variationen der Strahlung generiert. Durch gezielte Steuerung der lokalen Wärmeeinbringung wird bereits beim Bau eine Modifizierung der Werkstoffeigenschaften vorgenommen. Dadurch gelingt es in einem Bereich des Drosselmoduls Zonen und Gefüge unterschiedlicher Werkstoffzustände eines chemisch-homogenen Werkstoffs und damit unterschiedlicher Eigenschaften zu erzeugen.
Das Drosselmodul kann in einer Variante der Erfindung aus unterschiedlichem Aufbaumaterial gebildet werden. Das Aufbaumaterial umfasst vorzugsweise metallische Pulverteilchen, insbesondere niedriglegierte und/oder hochlegierte Stahlpulverteilchen und/oder schmelzfähigen Kunststoff und/oder einen Metall-Polymer-Hybridwerkstoff.
In einer Variante der Erfindung wird das Drosselmodul vorzugsweise mit einem additiven Fertigungsverfahren erzeugt, bei dem aus schmelzfähigem Kunststoff ein Raster von Punkten auf eine Fläche aufgetragen wird. Durch Extrudieren mittels einer Düse sowie einer anschließenden Erhärtung durch Abkühlung an der gewünschten Position wird ein tragfähiger Aufbau erzeugt. Der Aufbau des Drosselmoduls erfolgt üblicherweise, indem wiederholt jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abgefahren und dann die Arbeitsebene stapelnd nach oben verschoben wird, so dass das Drosselmodul entsteht.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung kann die Armaturanordnung mittels eines primären Drosselmoduls gleichzeitig eine erforderliche Regelaufgabe ausfüllen.
Das primäre Drosselmodul ist vorzugsweise als Ventil mit einem Absperrkörper und einem Ventilsitz ausgebildet, wobei sich der Absperrkörper beim Öffnen und Schließen des Ventils in Strömungsrichtung, bzw. entgegen der Strömungsrichtung bewegt.
Alternativ könnte das primäre Drosselmodul auch mit einem Kugelhahn, einer Klappe oder einem Schieber als Absperrkörper ausgebildet sein, wobei sich in diesem Fall der Absperrkörper vorzugsweise senkrecht zur Strömungsrichtung bewegt.
Erfindungsgemäß wird die Armaturanordnung zur Drosselung eines Fluids mit integrierter Rückflussverhinderung in einem durchström baren System verwendet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt einer beispielhaften Ausführung der Armaturanordnung,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Rückflussverhinderer,
Fig. 3 eine Ansicht des Anschlags in Strömungsrichtung mit positioniertem Element. Fig. 1 zeigt eine beispielhafte, ausdrücklich nicht darauf begrenzte Ausführung der Armaturanordnung als Ventil mit Regelaufgabe und Drosselfunktion, wobei die Drosselfunktion von einem primären Drosselmodul 6 und einem sekundären Drosselmodul 12 ausgeführt wird.
Die Armaturanordnung weist ein Gehäuse 1 auf, das an beiden Enden über jeweils einen Flansch 9 in einer strömungsführenden Anlage, z.B. Rohrleitungen, verbaut werden kann. Die Flansche 9 weisen Bohrungen für die Aufnahme von Befestigungsmitteln auf. Hierbei handelt es sich bevorzugt um Schraubverbindungen.
In dem Gehäuse 1 ist ein Kanal 4 vorgesehen, der an den Enden des Gehäuses 1 in eine erste und in eine zweite Öffnung 2, 3 mündet. Die Armaturanordnung wird in einem betriebsgemäßen Zustand derart betrieben, dass die erste Öffnung 2 als Eintrittsöffnung und die zweite Öffnung 3 als Austrittsöffnung für die Strömung eingerichtet ist. Demnach strömt ein Betriebsmedium entgegen der dargestellten Kanalrichtung L.
Der Kanal 4 weist entlang der Kanalrichtung L keine Abwinklung auf. Dies bedeutet, dass eine Strömung keine gehäusebedingte Umlenkung aufweist, bzw. dass die Flächenmittelpunkte einer Querschnittsfläche des Kanals 4 entlang der Längsrichtung L auf einer Höhe angeordnet sind. Diese Ausgestaltung hat zur Folge, dass sich in einem vollständig geöffneten Zustand der Armaturanordnung ein nur sehr geringer Druckverlust zwischen den Öffnungen 2, 3 ausbildet. Wenngleich der Kanal 4 ohne Abwinklung ausgebildet ist, so weitet sich dieser dennoch ausgehend von der zweiten Öffnung 3 entlang der Kanalrichtung L bis kurz vor der ersten Öffnung 2 auf, wobei dann bis zur ersten Öffnung 2 eine Verjüngung des Kanals 4 erfolgt.
Zur Drosselung der Armaturanordnung ist ein primäres Drosselmodul 6 bestehend aus einem Drosselkopf 7 und einer Antriebsstange 8 in einem Drosselabschnitt 5 des Kanals 4 angeordnet und gegenüber dem Drosselabschnitt 5 parallel entlang der Kanalrichtung L verfahrbar. Der Drosselabschnitt 5 ist ohne Abwinklung ausgebildet, wobei die dargestellte Armaturanordnung, wie bereits zuvor erläutert, entlang des gesamten Kanals 4 keine Abwinklung aufweist. Der Drosselkopf 7 ist in Form eines Parabolkegels ausgebildet und schließt in einem vollständig geschlossenen Zustand der Armaturanordnung dichtend mit einem Ventilsitz ab. Dieser Ventilsitz ist an einem separaten Ventilsitzteil 10 gebildet, wobei das Ventilsitzteil in der ersten Öffnung 2 angeordnet ist. Zwischen dem Drosselkopf 7 und dem Ventilsitzteil 10 bildet sich stets die engste durchströmbare Stelle der Armaturanordnung aus, so dass durch die konkrete Ausgestaltung dieser Bauteile der erforderliche Druckverlust über die Armaturanordnung in Abhängigkeit der Stellung des primären Drosselmoduls 6 bestimmt werden kann.
Um die Stellung des primären Drosselmoduls 6 einstellen, bzw. um das primäre Drosselmodul 6 verfahren zu können, ist der Drosselkopf 7 an einem Ende der Antriebsstange 8 angeordnet und ein Abschnitt der Antriebsstange 8 als Hebekinematik 11 ausgebildet. Die Antriebsstange 8 bildet zugleich die gemeinsame Primärdrosselführungsschiene und die Sekundärdrosselführungsschiene. Die Hebekinematik 11 weist drei verschiebbare, angeordnete Bauelemente auf. Diese Hebekinematik 11 wirkt mit einem Stangenantrieb 16 zusammen, die verschiebbar im Kanal 4 angeordnet ist und von außen betätigt werden kann. Dadurch führt eine äußere Bewegung zu einer linearen Bewegung des primären Drosselmoduls 6 entlang oder entgegen der Kanalrichtung L. Die Richtung der Bewegung ist hierbei abhängig von der Rotationsrichtung des Stangenantriebs 16.
Zur Betätigung des Stangenantriebs 16 ist dieser mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden, wobei das primäre Drosselmodul 6 zwischen einer vollständig geschlossenen und einer vollständig geöffneten Stellung durch eine Drehung des Stangenantriebs 16 bewegt wird.
Die Antriebsstange 8 ist vollständig innerhalb des Kanals 4 angeordnet und wird über ein sekundäres Drosselmodul 12 und den Drosselkopf 7 linear entlang oder entgegen der Kanalrichtung L geführt. Das sekundäre Drosselmodul 12 kann grundsätzlich in unterschiedlicher Art und Weise ausgebildet sein, wobei in dem gezeigten Beispiel das sekundäre Drosselmodul 12 über zwei relativ zueinander in Kanalrichtung L verfahrbare Drosselelemente 13,14 realisiert ist, wobei das zweite Drosselelement 14 fest an der Kanalwandung 15 befestigt und das erste Drosselelement 13 auf einem Abschnitt der Antriebsstange 8 gebildet ist. Durch Verfahren der Antriebsstange 8 werden die Strömungsräume 19 teilweise in dem sekundären Drosselmodul 12 freigegeben oder versperrt, so dass sich in Abhängigkeit der Stellung der Antriebsstange 8 der Strömungswiderstand ändert.
Das Drosselmodul 12 weist eine Vielzahl an Strömungsräumen 19 auf, wobei ein Großteil der Strömungsräume 19 eine radiale Eintrittsöffnung und eine axiale Austrittsöffnung aufweist. Die Strömungsräume 19 sind somit als durchströmbare Kanäle ausgebildet, die größtenteils als gekrümmte Kanäle ausgeführt sind, in einigen Fällen auch als waagrecht durchströmbare Kanäle ausgeführt sind. In jedem Strömungsraum 19 ist ein Rückflussverhinderer 20 angeordnet.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen beispielhaften Rückflussverhinderer 20 dargestellt. Der Rückflussverhinderer 20 umfasst eine Kavität 21 als durchström baren Hohlraum, in dem das Element 23 angeordnet ist. In dieser beispielhaften Ausführungsvariante ist das Element 23 als Kugel ausgeführt.
Der Strömungsraum 19 mündet über den Anschlag 22 entgegen der Strömungsrichtung im Rückflussverhinderer 20. Die Kavität 21 erstreckt sich vom Anschlag 22 entgegen der Strömungsrichtung bis zum Anschlag 25 in Strömungsrichtung. Der Anschlag 25 in Strömungsrichtung wird aus strebenartigen Elementen 24 gebildet, die eine Wölbung in Strömungsrichtung aufweisen und somit das Element 23, im Falle einer Durchströmung mit Fluid, in einer strömungsoptimierten Position halten.
An den Anschlag 25 in Strömungsrichtung schließt sich ein Strömungsauslass 26 an. In der dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung ist der Rückflussverhinderer 20 am Ende des Strömungsraums 19 und somit am Strömungsauslass des Drosselmoduls 12 angeordnet. Das Element 23 ist durch generative Fertigung in der Kavität 21 eingeschlossen. Im Rahmen einer additiven Fertigung ist die Kavität 21 mit zwei Anschlägen 22, 25 bei gleichzeitiger Formierung des Elements 23 ausgebildet und weist dabei eine an die Drosselaufgabe angepasste Form auf. Eine nachträgliche Einbringung des Elements 23 in die Kavität 21 ist nicht möglich, da der Durchmesser des Elements 23 größer ist als die Durchmesser der beiden Anschläge 22, 25, womit der Rückflussverhinderer 20 in seiner komplexen Form gut durch generative Fertigung erzeugt werden kann.
Im Falle einer Strömungsumkehr des Fluids wird das Element 23, von der Position im Anschlag 25, in Strömungsrichtung durch die Kavität 21 zum Anschlag 22 entgegen der Strömungsrichtung bewegt und verschließt dabei den Weg für das Fluid in den Strömungsraum 19. Ein Rückfluss des Fluids wird dadurch verhindert.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ansicht des Anschlags 25 in Strömungsrichtung mit positioniertem Element 23. Der Anschlag 25 in Strömungsrichtung weist drei strebenartige Elemente 24 auf, die sich in einem Mittelpunkt sternförmig verbinden und somit einen Strömungsteiler formen. Die drei strebenartigen Elemente 24 weisen eine konvexe Wölbung in Strömungsrichtung auf und sind jeweils um 120 ° versetzt angeordnet. Dadurch wird das Element 23 mittig innerhalb des Anschlags 25 positioniert und das Fluid kann ohne signifikante Turbulenzen sowie Druckverluste um das Element 23 strömen.

Claims

Patentansprüche
Armaturanordnung mit einem Drosselmodul Armaturanordnung mit einem Gehäuse (1 ) mit mindestens zwei Öffnungen (2, 3) und einem Kanal (4), wobei in dem Kanal (4) mindestens ein in einer Strömungsrichtung durchströmbares Drosselmodul (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselmodul (12) mindestens einen Strömungsraum (19) aufweist, in dem mindestens ein Rückflussverhinderer (20) angeordnet ist, wobei der Rückflussverhinderer (20) mindestens ein Element (23) und einen Anschlag (22) für das Element (23) entgegen der Strömungsrichtung aufweist. Armaturanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselmodul (12) eine Vielzahl an Strömungsräumen (19) aufweist. Armaturanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Strömungsraum (19) ein Rückflussverhinderer (20) angeordnet ist. Armaturanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsräume (19) zur parallelen Durchströmung angeordnet sind. Armaturanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strömungsraum (19) als durchström barer Kanal ausgebildet ist. Armaturanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strömungsraum (19) als gekrümmter Kanal ausgebildet ist. Armaturanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (23) als Körper, insbesondere als Kugel, ausgebildet ist. Armaturanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückflussverhinderer (20) einen Anschlag (25) für das Element (23) in Strömungsrichtung aufweist. Armaturanordnung nach einem der Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (25) eine Zentrierung in Strömungsrichtung aufweist. Armaturanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (25) strebenartige Elemente (24) aufweist. Armaturanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückflussverhinderer (20) eine Kavität (21 ) aufweist. Armaturanordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Element (23) in der Kavität (21 ) durch integrative Fertigung eingeschlossen ist. Armaturanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselmodul (12) generativ gefertigt zur Integration des Rückflussverhinderers (20) ausgebildet ist. Armaturanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (23) und der Strömungsraum (19) mit dem Anschlag (22) eine metallische Oberfläche aufweisen, deren Mittenrauwert Ra weniger als 6,4 pm, vorzugsweise weniger als 3,2 pm, insbesondere weniger als 1 ,6 pm, beträgt. Verfahren zur Herstellung einer Armaturanordnung mit einem durchström baren Drosselmodul (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Element (23) in einer Kavität (21 ) durch selektives Einwirken einer Strahlung auf ein Aufbaumaterial erzeugt wird. Verwendung einer Armaturanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Drosselanordnung mit integrierter Rückflussverhinderung in einem fluiddurch- strömten System.
EP22818366.1A 2021-11-17 2022-11-17 Armaturanordnung mit einem drosselmodul Pending EP4433729A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021129947 2021-11-17
DE102022101922 2022-01-27
DE102022101917 2022-01-27
PCT/EP2022/082287 WO2023089034A1 (de) 2021-11-17 2022-11-17 Armaturanordnung mit einem drosselmodul

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4433729A1 true EP4433729A1 (de) 2024-09-25

Family

ID=84421343

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22818366.1A Pending EP4433729A1 (de) 2021-11-17 2022-11-17 Armaturanordnung mit einem drosselmodul

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20250012372A1 (de)
EP (1) EP4433729A1 (de)
JP (1) JP2024540496A (de)
KR (1) KR20240095512A (de)
DE (1) DE102022130456A1 (de)
WO (1) WO2023089034A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102024124942A1 (de) 2024-08-30 2026-03-05 Samson Aktiengesellschaft Armatur

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2620190B1 (fr) * 1987-03-31 1989-12-22 Renault Clapet anti-retour
CN204267800U (zh) * 2014-09-16 2015-04-15 成都迅航机电有限公司 一种球形止回阀
DE102016113146B4 (de) * 2016-07-15 2022-03-03 Murtfeldt Additive Solutions GmbH Vakuumgreifvorrichtung mit Greifblock
DE102018209166A1 (de) 2018-06-08 2019-12-12 KSB SE & Co. KGaA Armatur
DE102020003753A1 (de) 2019-07-12 2021-01-14 KSB SE & Co. KGaA Ventil
DE102020003756A1 (de) 2019-07-12 2021-01-14 KSB SE & Co. KGaA Armaturanordnung
CN212131437U (zh) * 2020-05-06 2020-12-11 高拓石油天然气技术（上海）有限责任公司 一种防回火式天然气安全阀

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023089034A1 (de) 2023-05-25
JP2024540496A (ja) 2024-10-31
KR20240095512A (ko) 2024-06-25
US20250012372A1 (en) 2025-01-09
DE102022130456A1 (de) 2023-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3256738B1 (de) Strömungsführendes bauteil
AT521402B1 (de) Hubkolben-kompressorventilkörper aus additiver fertigung
DE102016102756A1 (de) Regelzylinder für eine Regelarmatur und Regelarmatur mit einem derartigen Regelzylinder
EP1717497A1 (de) Gasarmatur
DE102018209166A1 (de) Armatur
WO2018177581A1 (de) Verfahren zum herstellen eines strangpresswerkzeugs
WO2023089034A1 (de) Armaturanordnung mit einem drosselmodul
EP4334614B1 (de) Drosselelement zur druckreduzierung eines prozessfluides
DE102018122252B4 (de) Rückschlagventilvorrichtung und Herstellung davon
WO2023089040A1 (de) Anordnung zur rückflussverhinderung
WO2020074382A1 (de) Sitzventil, ventilkomponenten eines sitzventils, sowie verfahren zum herstellen von ventilkomponenten eines sitzventils
DE102006024841A1 (de) Elktromagnetische Stellvorrichtung
EP3997367B1 (de) Armaturanordnung
DE102016214959A1 (de) Temperiereinheit für ein elektronisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102016122506A1 (de) Durchflussbegrenzungsventil und Hydraulikanordnung
WO2025031792A1 (de) Ineinander verfahrbare dynamische widerstände
DE10340932B4 (de) Schieberventil und Verfahren zum Herstellen eines Schieberventils
EP4264059A1 (de) Herstellung eines diffusors als gruppe von kanälen
DE102022120115A1 (de) Ventilanordnung und elektrohydraulisches Ventil
EP4386240A1 (de) Rückschlagklappe ptfe
DE102021206510A1 (de) Gehäuse für ein Ventil, Verfahren zur Fertigung eines Gehäuses und Ventil mit einem Gehäuse
CN118355220A (zh) 具有节流模块的管接头组件
DE102024124942A1 (de) Armatur
DE102022131151A1 (de) Drosselkörper und Vorrichtungen mit einem Drosselkörper sowie Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen eines Drosselkörpers
EP4361476A1 (de) Rückschlagventil

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20240429

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)