EP4433730A1 - Anordnung zur rückflussverhinderung - Google Patents

Anordnung zur rückflussverhinderung

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Publication number
EP4433730A1
EP4433730A1 EP22818370.3A EP22818370A EP4433730A1 EP 4433730 A1 EP4433730 A1 EP 4433730A1 EP 22818370 A EP22818370 A EP 22818370A EP 4433730 A1 EP4433730 A1 EP 4433730A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
arrangement
space
stop
arrangement according
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
EP22818370.3A
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 EP4433730A1 publication Critical patent/EP4433730A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for preventing backflow with at least one element which releases flow in one flow direction and prevents flow in the opposite direction of flow, the element being arranged in a space and having at least one stop.
  • Backflow preventers only allow fluids to flow in pipes, fittings and pumps in one direction. When the direction of flow is reversed, they close automatically and also open automatically when the direction of flow is permitted.
  • a non-return valve is intended to prevent higher-lying pipelines and containers from running empty during downtimes or to protect pumps from backflow and reverse pressure waves. They are also used in the field of heating technology to prevent unwanted heat build-up and to separate different heating circuits.
  • non-return valves examples are non-return valves and flaps as well as membrane non-return valves.
  • the non-return valves are mainly used for medium and large nominal diameters; check valves are more common with smaller nominal diameters.
  • the check valve is a fitting and prevents e.g. B. after switching off the pump, the suction line runs empty, which is why it is not necessary to fill the pump before restarting it.
  • DE 10 2020 113 290 A1 describes a valve with a non-return valve, the main valve and the non-return valve being arranged in a flow channel and the non-return valve having a valve seat and a closing element for opening and closing the valve seat.
  • the valve causes an enormous flow deflection, which creates a particularly high pressure loss.
  • Spring-loaded check valves can be used in practically any installation position. Compared to the non-return valve, they have greater head losses because the flow is deflected more. Spring-loaded check valves are usually preferred for smaller nominal diameters.
  • a backflow preventer for gaseous and liquid media with a housing, a nozzle body arranged centrally in the housing and a nozzle ring coaxially surrounding the nozzle body, with an annular flow channel formed between the housing and the nozzle body being closable via an annular blocking element is mounted via at least one spring element in the housing such that the blocking element can be displaced due to the flow of the medium between an open position releasing the flow channel and a blocking position closing the flow channel.
  • Known backflow preventers generally have spring elements that seal the backflow in the opposite direction to the direction of flow. Such spring elements are subject to the well-known hysteresis phenomena and wear out with increasing service life. In particular, for fluids that may contain solids, such backflow preventers are less suitable, since this can promote blockages.
  • the present invention is based on the object of specifying an arrangement for preventing backflow that can be used universally and at the same time reliably prevents backflow.
  • the arrangement should produce the smallest possible pressure loss and, at best, rectify the flow.
  • the Arrangement should be as compact as possible and ensure high reliability.
  • the arrangement should allow easy assembly and be easily accessible for maintenance work.
  • the arrangement should be characterized by the lowest possible production costs and be able to be individually adapted.
  • the space is formed by a one-piece wall and the element is integrated in the space with a form fit.
  • This form-fitting integration is created by the interlocking of the elements in the room. As a result, the element cannot leave the room. Furthermore, the element could also not be subsequently inserted into the room. In this respect, the wall of the room is at least in the way of the element so that the element cannot leave the room.
  • the element is introduced into the room so that it cannot be lost. This means that the element cannot be added later, nor can the element be removed from the room.
  • This special, form-fitting integration can preferably be achieved with the help of additive manufacturing.
  • the element and the wall of the room are formed simultaneously in one work step, which means that the element cannot be removed and/or later inserted.
  • the wall including the stops, is designed in one piece at the same time.
  • the wall and each individual stop are preferably created generatively, in one operation and inseparably.
  • the space has two openings for a fluid to flow through. The fluid flows through the space and inevitably flows around the element at the same time.
  • the wall of the space around the openings delimits the element in a form-fitting manner, as a result of which a fluid flow is realized without great resistance or pressure loss, but the element cannot leave the space through any opening.
  • the arrangement is in the form of a disk or plug-in disk for mounting between flanges, which has at least one space with an element for preventing backflow.
  • Such a disk can have at least one space for flow in one direction, with its axis of rotation being aligned parallel to the axis of symmetry of the disk cylinder.
  • the arrangement for preventing backflow comprises a multiplicity of spaces, as a result of which the arrangement has a high proportion of cross-sectional area through which flow can take place and thus produces a low pressure loss.
  • An element is integrated in each room that blocks a flow in the opposite direction to the desired flow.
  • the rooms are flown through in parallel in the sense of simultaneously and not serially for the purpose of differentiation.
  • the arrangement for preventing backflow has a symmetrical positioning of the spaces.
  • the openings of the rooms are arranged symmetrically in a plan view of the arrangement. This can be, for example, a circular or rectangular or square positioning of the rooms.
  • the space or each space has a honeycomb structure. Such a honeycomb shape may preferably be in the form of a hexagonal cross section. When many rooms are arranged side by side, 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.
  • the space is preferably arranged in or on a flow-through channel.
  • the arrangement of the room can thus be carried out at the beginning or in the middle or at the end or at any position between the beginning and the end of the channel.
  • the length of the channel is limited by the thickness of the arrangement.
  • the space is designed as a flow-through channel.
  • the space can be designed as a channel-like line.
  • the space can have a round or rectangular or square or trapezoidal or polygonal or cloverleaf-shaped or a complex shaped cross-section.
  • such cross-sectional shapes can 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 channel length.
  • a channel and/or each channel particularly preferably has elements for varying the pressure, in particular the static pressure. These elements can, for example, vary the cross-section of the channel by opening up additional cross-sections or preferably affecting the flow through special roughness.
  • the space is designed as a curved channel.
  • the channel has a course that is advantageous for generating a desired flow regime.
  • the space preferably has a complex shape, which ideally can be generated generatively. Curved canals cannot be produced conventionally, for example with drills.
  • the element is preferably designed as a body, in particular as a sphere.
  • the element is to be seen as a central part of the arrangement for preventing backflow.
  • the ball has a diameter that is at least slightly larger than the diameter of the openings in the space, as a result of which sealing can be ensured in the event of a flow reversal.
  • the element can be in the form of a cube, or a parallelepiped, or a truncated cone, or a pyramid, or a complex body, so that it advantageously cooperates with the cross-section of the opening into the space to seal and prevent fluid backflow.
  • the element 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 room. This gives the element a guide and is no longer freely movable within the room.
  • the element can move with the flow only move on a guided path between the upstream stop and the upstream stop.
  • the arrangement for preventing backflow in the space has a stop for the element against the flow direction for sealing and preventing backflow.
  • the stop for the element comprises a contact surface counter to the direction of flow, which 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 space in the arrangement for preventing backflow 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 has strut-like elements in the flow direction, which connect in a star shape at a center and thus form a flow divider.
  • the space preferably has a cavity.
  • the cavity is a cavity through which a flow can take place, which is delimited by the two stops and the one-piece wall of the space.
  • the cavity encloses the element such that the element is located within the cavity.
  • the shape or the structure of the flow-through cavity is adapted to the setting of the pressure difference or the flow regime by the generative formation.
  • 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 arrangement.
  • the element is integrated into the room in a form-fitting manner through integrative and thus generative production.
  • the room is preferably formed with a one-piece wall and two stops in a complex shape around the element that is formed at the same time.
  • the housing of the room is made in one piece and the element inside the housing has a larger diameter than the two stops, which can be produced generatively, in contrast to conventional production, in which the element is subsequently introduced into the housing not possible.
  • the space within the cavity is delimited by a stop against the direction of flow into which a channel opens and further delimited by a stop in the direction of flow in the form of a flow divider with three star-shaped struts spherical element embedded.
  • the entire arrangement with the multitude of rooms, each comprising an element is additively manufactured.
  • the complex design of the arrangement for preventing backflow can be advantageously implemented through additive manufacturing.
  • individually adapted individual pieces can also be manufactured extremely quickly as required.
  • the element in the method of manufacturing an anti-backflow device, is formed in a space simultaneously with the integral wall by selectively exposing a construction material to radiation.
  • additive manufacturing processes includes all manufacturing processes in which material is applied layer by layer, thus creating three-dimensional elements and one-piece walls.
  • the layered structure is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes. Physical or chemical hardening or melting processes take place during construction.
  • Typical materials for 3D printing are plastics, synthetic resins, ceramics, metals, carbon and graphite materials.
  • the arrangement for preventing backflow is produced using a method in which a layer of a construction material is first applied to a substrate.
  • the building material for producing the arrangement 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 the layers are made and the final assembly is formed.
  • a laser beam for example, can be used as the radiation, which generates the arrangement from the individual powder layers.
  • the data for guiding the laser beam are generated using software on the basis of a 3D CAD body.
  • an electron beam EBN can also be used.
  • the arrangement is produced using an additive manufacturing process in which a grid of dots 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 arrangement is usually built up by repeatedly moving along a working plane line by line and then shifting the working plane upwards in stacks, so that the arrangement with at least one room is created.
  • the arrangement is used as a throttle module and/or as a flow divider in a system through which fluid flows.
  • the arrangement is designed as a plug-in insert for flange mounting.
  • the arrangement can be assembled and disassembled particularly quickly and safely.
  • the arrangement is used to bridge pressure drops and/or to generate turbulence-free, symmetrical flow profiles in the pipeline.
  • 3 is a view of the stop in the direction of flow with the element in position.
  • the pipes 1 and 5 each have a flow-through pipe cross-section 2 and 3, which end at a flange 4 and 6 each.
  • the backflow prevention assembly 30 is mounted between the flanges 4 and 6 .
  • the sectioned assembly 30 has five spaces 20 in the cross-sectional area shown, which are centrally and symmetrically positioned.
  • a space 20 is arranged at the end of a short channel 19 that can be flowed through.
  • the arrangement 30 ensures the flow of a fluid in only one direction.
  • the symmetrical arrangement of the spaces 20 leads to a uniform and turbulence-free flow regime of the fluid flowing through.
  • FIG. 2 shows a section through a space 20 which is designed to prevent backflow.
  • the space 20 includes a cavity 21 as a flow-through cavity in which the element 23 is arranged.
  • the element 23 is designed as a sphere.
  • the line-like channel 19 opens via the stop 22 against the flow direction in the space 20.
  • the cavity 21 extends from the stop 22, which surrounds the inflow opening, against the flow direction to the stop 25 in the flow direction, which surrounds the outflow opening.
  • 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 space 20 is located at the end of the channel 19.
  • the element 23 is enclosed in the cavity 21 by additive manufacturing.
  • the cavity 21, surrounded by the one-piece wall 27, is formed with two stops 22 and 25 while the element 23 is formed at the same time. 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, whereby the space 20 in its complex form can be produced favorably by additive manufacturing.
  • 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)
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  • Check Valves (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Rückflussverhinderung mit mindestens einem Element (23), das in einer Strömungsrichtung einen Durchfluss freigibt und entgegen der Strömungsrichtung einen Durchfluss verhindert. Das Element (23) ist in einem Raum (20) angeordnet. Der Raum (20) weist mindestens einen Anschlag (22, 25) auf und wird von einer einstückigen Wand (27) gebildet, wobei das Element (23) formschlüssig in dem Raum (20) integriert ist.

Description

Anordnung zur Rückflussverhinderung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Rückflussverhinderung mit mindestens einem Element, das in einer Strömungsrichtung einen Durchfluss freigibt und entgegen der Strömungsrichtung einen Durchfluss verhindert, wobei das Element in einem Raum angeordnet ist und mindestens einen Anschlag aufweist.
Rückflussverhinderer erlauben den Durchfluss von Fluiden in Rohrleitungen, Armaturen und Pumpen nur in einer Richtung. Bei Umkehrung der Strömungsrichtung schließen sie selbsttätig und öffnen bei erlaubter Durchflussrichtung ebenfalls selbsttätig. Ein Rückflussverhinderer soll das Leerläufen höherliegender Rohrleitungen und Behälter in Stillstandzeiten vermeiden oder Pumpen vor Rückströmung und rücklaufenden Druckwellen schützen. Des Weiteren werden sie im Bereich der Heiztechnik zur Verhinderung des ungewollten Wärmeauftriebs sowie zur Trennung von unterschiedlichen Heizkreisläufen verwendet.
Beispiele für die Rückflussverhinderer sind die Rückschlagventile und -klappen sowie Membran-Rückflussverhinderer. Die Rückschlagklappen werden hauptsächlich bei mittleren und größeren Nennweiten verwendet; bei kleineren Nennweiten häufiger Rückschlagventile.
Das Rückschlagventil ist eine Armatur und verhindert z. B. nach dem Abschalten der Pumpe ein Leerläufen der Saugleitung, weshalb ein Befüllen der Pumpe vor einem erneuten Start nicht nötig ist. Die DE 10 2020 113 290 A1 beschreibt ein Ventil mit einem Rückflussverhinderer, wobei das Hauptventil und der Rückflussverhinderer in einem Strömungskanal angeordnet sind und wobei der Rückflussverhinderer einen Ventilsitz und ein Schließelement zum Öffnen und Schließen des Ventilsitzes aufweist. Das Ventil begründet eine enorme Strömungsumlenkung, die einen besonders hohen Druckverlust erzeugt.
Federbelastete Rückschlagventile können praktisch in jeder Einbaulage verwendet werden. Gegenüber der Rückschlagklappe haben sie größere Druckhöhenverluste, da die Strömung stärker umgelenkt wird. Federbelastete Rückschlagventile werden meist bei kleineren Nennweiten bevorzugt.
Die DE 20 2010 010 935 U1 offenbart einen Rückflussverhinderer für gasförmige und flüssige Medien, mit einem Gehäuse, einem zentrisch im Gehäuse angeordneten Düsenkörper sowie einem den Düsenkörper koaxial umgebenden Düsenring, wobei ein zwischen dem Gehäuse und dem Düsenkörper ausgebildeter ringförmiger Strömungskanal über ein ringförmiges Sperrelement verschließbar ist, das über mindestens ein Federelement derart im Gehäuse gelagert ist, dass das Sperrelement aufgrund der Strömung des Mediums zwischen einer den Strömungskanal freigebenden Offenstellung und einer den Strömungskanal verschließenden Sperrstellung verlagerbar ist.
Bekannte Rückflussverhinderer weisen in der Regel Federelemente auf, die den Rückfluss entgegengesetzt zur Strömungsrichtung abdichten. Solche Federelemente unterliegen den bekannte Hystereseerscheinungen und verschleißen mit zunehmender Nutzungsdauer. Insbesondere für Fluide, die Anteile an Feststoffe aufweisen können, sind solche Rückflussverhinderer weniger geeignet, da dies Verstopfungen begünstigen kann.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Rückflussverhinderung anzugeben, die universell einsetzbar ist und gleichzeitig einen Rückfluss sicher verhindert. Dabei sollte die Anordnung einen möglichst kleinen Druckverlust erzeugen und die Strömung bestenfalls gleichrichten. Die Anordnung sollte dabei möglichst kompakt ausgebildet sein und eine hohe Zuverlässigkeit gewährleisten. Darüber hinaus sollte die Anordnung eine einfache Montage ermöglichen sowie für Wartungsarbeiten gut zugänglich sein. Weiterhin soll sich die Anordnung durch möglichst geringe Herstellungskosten auszeichnen und individuell angepasst werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung zur Rückflussverhinderung gelöst. Bevorzugte Varianten sind den nebengeordneten Hauptansprüchen, den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen selbst zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird der Raum von einer einstückigen Wand gebildet und das Element ist formschlüssig in dem Raum integriert.
Diese formschlüssige Integration entsteht durch das Ineinanderfügen des Elements in den Raum. Dadurch kann das Element den Raum nicht verlassen. Des Weiteren könnte das Element auch nicht nachträglich in den Raum eingefügt werden. Insofern steht die Wand des Raumes dem Element zumindest so weit im Weg, so dass das Element den Raum nicht verlassen kann.
Vorteilhafterweise ist das Element unverlierbar in den Raum eingebracht. Das bedeutet, dass das Element weder nachträglich eingefügt werden kann noch kann das Element aus dem Raum entnommen werden.
Diese besondere, formschlüssige Integration kann vorzugsweise mithilfe der generativen Fertigung erzielt werden. Dabei werden das Element und die Wand des Raumes gleichzeitig in einem Arbeitsschritt gebildet, wodurch die Entnahme und/oder das spätere Einfügen des Elements nicht möglich sind.
Idealerweise wird gleichzeitig die Wand inklusive der Anschläge einstückig ausgebildet. Dadurch sind die Wand und jeder einzelne Anschlag bevorzugt generativ, in einem Arbeitsgang und untrennbar erzeugt. Dazu weist der Raum zwei Öffnungen für einen Durchfluss eines Fluids auf. Das Fluid durchströmt den Raum und umströmt dabei zwangsläufig als auch gleichzeitig das Element. Die Wand des Raums um die Öffnungen begrenzt das Element dabei formschlüssig, wodurch eine Fluidströmung ohne großen Widerstand bzw. Druckverlust realisiert wird, aber das Element den Raum durch keine Öffnung verlassen kann.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante ist die Anordnung in Form einer Scheibe bzw. Steckscheibe für die Zwischenflanschmontage ausgeführt, die mindestens einen Raum mit einem Element zur Rückflussverhinderung aufweist.
Eine solche Scheibe kann mindestens einen Raum zur Durchströmung in einer Richtung aufweisen, wobei deren Rotationsachse parallel zur Symmetrieachse des Scheibenzylinders ausgerichtet ist.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung umfasst die Anordnung zur Rückflussverhinderung eine Vielzahl an Räumen, wodurch die Anordnung einen hohen Anteil an durchström barer Querschnittfläche aufweist und dadurch einen geringen Druckverlust erzeugt. Dabei ist in jedem Raum ein Element integriert, das einen Durchfluss entgegen der erwünschten Strömungsrichtung versperrt.
Insbesondere werden die Räume parallel im Sinne von gleichzeitig und zur Abgrenzung nicht seriell durchströmt.
Idealerweise sind alle Räume jeweils parallel zur Strömungsrichtung in der Anordnung ausgerichtet. Dies führt zu einem verwirbelungsarmen Eingriff in das Strömungsregime und generiert einen besonders geringen Druckverlust.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Anordnung zur Rückflussverhinderung eine symmetrische Positionierung der Räume auf. Hierbei sind in einer Draufsicht auf die Anordnung die Öffnungen der Räume symmetrisch angeordnet. Dies kann beispielsweise eine kreisförmige oder rechteckige oder quadratische Positionierung der Räume sein. Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung weist der oder jeder Raum einen wabenförmige Struktur auf. Eine solche Wabenform kann vorzugsweise in Form eines sechseckigen Querschnitts ausgeführt sein. Bei einer Anordnung vieler Räume nebeneinander bietet die sechseckige Querschnittsausführung eine Anordnung ohne Lücken, wodurch ein Maximum an Fluiddurchflussfläche und somit auch ein Maximum an Fluiddurchfluss realisiert werden kann.
Vorzugsweise ist der Raum in oder an einem durchström baren Kanal angeordnet. Die Anordnung des Raums kann somit am Anfang oder in der Mitte oder am Ende oder an irgendeiner Position zwischen Anfang und Ende des Kanals ausgeführt sein. Dabei ist die Länge des Kanals von der Dicke der Anordnung limitiert.
Idealerweise ist dazu der Raum als durchström barer Kanal ausgebildet. Der Raum kann dazu als kanalartige Leitung ausgeführt sein. Dabei kann der Raum einen runden oder rechteckigen oder quadratischen oder trapezförmigen oder vieleckförmigen oder kleeblattförmigen oder einen komplex geformten Querschnitt aufweisen. Solche Querschnittsformen lassen sich idealerweise 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 variieren.
Besonders bevorzugt weist ein Kanal und/oder jeder Kanal Elemente zur Variation des Drucks, insbesondere des statischen Drucks auf. Diese Elemente können beispielsweise den Querschnitt des Kanals variieren, indem sich zusätzliche Querschnitte freigeben oder vorzugsweise durch besondere Rauigkeiten auf die Strömung einwirken.
Die Elemente zur Variation des Drucks erzielen besonders vorteilhaft eine Vermeidung von Kavitationserscheinungen, im Kanal selbst und/oder im folgenden Strömungsabschnitt hinter der Anordnung. In einer Variante der Erfindung ist der Raum als gekrümmter Kanal ausgebildet. Dabei weist der Kanal einen Verlauf auf, der zur Erzeugung eines gewünschten Strömungsregimes vorteilhaft ist. Der Raum weist hierzu vorzugsweise eine komplexe Form auf, die idealerweise generativ erzeugt werden kann. Gekrümmte Kanäle lassen sich konventionell, beispielsweise mit Bohrern, nicht herstellen.
Vorzugsweise ist das Element als Körper, insbesondere als Kugel, ausgebildet. Zudem ist das Element als ein zentraler Bestandteil der Anordnung zur Rückflussverhinderung zu sehen. Vorteilhafterweise weist die Kugel einen zumindest geringfügig größeren Durchmesser als den Durchmesser der Öffnungen des Raums auf, wodurch eine Abdichtung im Falle einer Strömungsumkehr gewährleistet werden kann.
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 der Öffnung in den Raum zur Abdichtung und zur Vermeidung eines Rückflusses des Fluids zusammenwirkt.
Bei einer alternativen Variante der Erfindung kann das Element 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 Raumes auf. Dadurch erhält das Element eine Führung und ist nicht mehr frei beweglich innerhalb des Raumes. 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 der Anordnung zur Rückflussverhinderng angepasste Federsteifigkeiten generiert werden.
Vorzugsweise weist die Anordnung zur Rückflussverhinderung in dem Raum einen Anschlag für das Element entgegen der Strömungsrichtung zur Abdichtung und Vermeidung eines Rückflusses 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 Raum der Anordnung zur Rückflussverhinderung 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 in Form von 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 gewölbten 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 Raum eine Kavität auf. Dabei ist die Kavität ein durchströmbarer Hohlraum, der von beiden Anschlägen sowie der einstückigen Wand des Raums 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 generative Ausbildung an die Einstellung der Druckdifferenz bzw. des Strömungsregimes angepasst.
Idealerweise weist das Element und die einstückige Wand 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 der Anordnung angepasst werden. Idealerweise ist das Element formschlüssig in den Raum durch eine integrative und somit generative Fertigung integriert. Dabei werden im Rahmen einer additiven Fertigung bevorzugt der Raum mit einer einstückigen Wand sowie zwei Anschlägen in komplexer Form um das gleichzeitig gebildete Element formiert. In einer bevorzugten Variante ist das Gehäuse des Raumes einteilig hergestellt und das Element im Inneren des Gehäuses hat einen größeren Durchmesser als die beiden Anschläge, was sich generativ herstellen lässt, im Gegensatz zu einer konventionellen Fertigung, bei der ein nachträgliches Einbringen des Elements in das Gehäuse nicht möglich ist.
Bei einer besonders bevorzugten Variante ist innerhalb der Kavität des Raums, beispielsweise in Form einer ovalen Blase, begrenzt durch einen Anschlag gegen die Strömungsrichtung, in die ein Kanal mündet und weiterhin begrenzt durch einen Anschlag in Strömungsrichtung in Form eines Strömungsteilers mit drei sternförmigen Streben, ein kugelförmiges Element eingebettet.
Idealerweise ist die gesamte Anordnung mit der Vielzahl an Räumen, die jeweils ein Element umfassen, generativ gefertigt. Durch die additive Fertigung ist die komplexe Ausbildung der Anordnung zur Rückflussverhinderung vorteilhaft realisierbar. Darüber hinaus können auch individuell angepasste Einzelstücke bedarfsgerecht und äußerst schnell angefertigt werden.
Gemäß der Erfindung wird bei dem Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Rückflussverhinderung das Element in einem Raum gleichzeitig mit der einstückigen Wand durch selektives Einwirken einer Strahlung auf ein Aufbaumaterial erzeugt.
Idealerweise ist die Anordnung zur Rückflussverhinderung additiv gefertigt. Aufgrund dieser besonderen Fertigungstechnik ist der Raum bzw. sind die Räume mit jeweils einem Element flexibel, 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 günstig durch die additive Fertigungstechnik erzielt werden.
Eine additiv gefertigte Anordnung zur Rückflussverhinderung ist mit einem additiven Fertigungsverfahren erzeugt worden. Die Bezeichnung additive Fertigungsverfahren umfasst alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und somit dreidimensionale Elemente und einstückige Wände 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 Hartungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, Metalle, Carbon- und Graphitmaterialien.
Für die Ausbildung der Anordnung 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 die Anordnung zur Rückflussverhinderung 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 der Anordnung 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 die fertige Anordnung entstanden ist. Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher die Anordnung 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 die Anordnung 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 der Anordnung realisiert.
In einer Variante der Erfindung wird die Anordnung 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 der Anordnung erfolgt üblicherweise, indem wiederholt jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abgefahren und dann die Arbeitsebene stapelnd nach oben verschoben wird, so dass die Anordnung mit mindestens einem Raum entsteht.
Erfindungsgemäß wird die Anordnung als Drosselmodul und/oder als Strömungsteiler in einem fluiddurchströmten System verwendet.
Bei einer bevorzugten Variante ist die Anordnung als Steckeinsatz zur Zwischenflanschmontage ausgeführt. Hierdurch kann die Anordnung besonders schnell als auch sicher montiert und demontiert werden.
Bei einer günstigen Variante der Erfindung wird die Anordnung zur Überbrückung von Druckgefällen und/oder zur Erzeugung wirbelfreier, symmetrischer Strömungsprofile in der Rohrleitung 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 Schnitt durch eine Anordnung in einer beispielhaften Zwischenflanschausführung,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Raum,
Fig. 3 eine Ansicht des Anschlags in Strömungsrichtung mit positioniertem Element.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Anordnung 30 zur Rückflussverhinderung in einer Ausführungsvariante zur Zwischenflanschmontage. Die Rohrleitungen 1 und 5 weisen jeweils einen durchström baren Rohrquerschnitt 2 und 3 auf, die an je einem Flansch 4 und 6 enden. Die Anordnung 30 zur Rückflussverhinderung ist zwischen den Flanschen 4 und 6 montiert.
Die geschnittene Anordnung 30 weist an der dargestellten Querschnittsfläche fünf Räume 20 auf, die mittig und symmetrisch positioniert sind. Ein Raum 20 ist jeweils am Ende eines kurzen durchström baren Kanals 19 angeordnet. Die Anordnung 30 gewährleistet dabei die Strömung eines Fluids in nur eine Richtung. Die symmetrische Anordnung der Räume 20 führt zu einem gleichmäßigen und wirbelfreien Strömungsregime des durchströmenden Fluids.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen Raum 20 dargestellt, der zur Rückflussverhinderung ausgebildet ist. Der Raum 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 leitungsartige Kanal 19 mündet über den Anschlag 22 entgegen der Strömungsrichtung im Raum 20. Die Kavität 21 erstreckt sich vom Anschlag 22, der die Zuströmöffnung umgibt, entgegen der Strömungsrichtung bis zum Anschlag 25 in Strömungsrichtung, der die Ausströmöffnung umgibt. 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 Raum 20 am Ende des Kanals 19 angeordnet.
Das Element 23 ist durch generative Fertigung in der Kavität 21 eingeschlossen. Im Rahmen einer additiven Fertigung ist die Kavität 21 , umgeben von der einstückigen Wand 27, mit zwei Anschlägen 22 und 25 bei gleichzeitiger Formierung des Elements 23 ausgebildet. 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 Raum 20 in seiner komplexen Form günstig 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 Kanal 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
Anordnung zur Rückflussverhinderung Anordnung (30) zur Rückflussverhinderung mit mindestens einem Element (23), das in einer Strömungsrichtung einen Durchfluss freigibt und entgegen der Strömungsrichtung einen Durchfluss verhindert, wobei das Element (23) in einem Raum (20) angeordnet ist, der mindestens einen Anschlag (22, 25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (20) von einer einstückigen Wand (27) gebildet wird und das Element (23) formschlüssig in dem Raum (20) integriert ist. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (27) mit den Anschlägen (22, 25) einstückig ausgebildet ist. Anordnung nach Anspruchl oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (30) eine Vielzahl an Räumen (20) umfasst. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Räume (20) der Anordnung (30) zur parallelen Durchströmung angeordnet sind. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (30) eine symmetrische Positionierung der Räume (20) aufweist. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (20) in oder an einem durchström baren Kanal (19) angeordnet ist. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (19) Elemente zur Variation des Drucks aufweist. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (23) als Körper, insbesondere als Kugel, ausgebildet ist. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (20) einen Anschlag (25) für das Element (23) in Strömungsrichtung aufweist. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (25) eine Zentrierung in Strömungsrichtung aufweist, zur strömungsarmen Positionierung des Elements (23) im voll durchströmten Zustand. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (25) strebenartige Elemente (24) aufweist. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (20) eine Kavität (21 ) aufweist. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (30) generativ gefertigt ausgebildet ist. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (23) und die einstückige Wand (27) 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 Anordnung (30) zur Rückflussverhinderung, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (23) in einem Raum (20) gleichzeitig 16 mit der einstückigen Wand (27) durch selektives Einwirken einer Strahlung auf ein Aufbaumaterial erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (23) und/oder die Wand (27) mit dem Anschlag (22) elektropoliert werden. Verwendung einer Anordnung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Drosselmodul und/oder als Strömungsteiler in einem fluiddurchströmten System.
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