WO2012104381A1 - Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung - Google Patents

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    • Y10T137/7792—Movable deflector or choke

Definitions

  • the invention relates to a flow rate limiting device with a spring-loaded valve body, which is arranged between a first and a second position axially displaceable upstream of a cross-sectional constriction in a flow channel, wherein the valve body is loaded by a spring in the direction of the first position, and wherein the flow at a given pressure gradient is greater in the first position than in the second position.
  • a flow restrictor with a by a spring-loaded valve body wherein the spring heritage loaded valve body is disposed in a bottleneck of the flow channel.
  • the nozzle-like shape of the wall of the housing in this case has longitudinal ribs, which form flow channels in the closed state of the valve body, through which a limited flow in the closed position of the valve body is possible.
  • the object of the invention is to avoid these disadvantages and to provide a flow restrictor with low pressure drop in the open state and with low-delay response.
  • this is achieved in that the cross-sectional constriction is bypassed by at least one bypass line, wherein the bypass line branches off upstream of the cross-sectional constriction from the flow channel and opens downstream of the cross-sectional constriction in the flow channel, wherein preferably the bypass line outside the flow channel in a housing of the flow rate limiting device is arranged.
  • the valve body is guided by a fixed axial guide rod, wherein the guide rod downstream of the valve body may have a preferably adjustable stop, on which the valve body - - in the second position.
  • the stop may for example be formed by a sleeve, which is arranged axially adjustable on the guide rod.
  • the sleeve can at the same time also form the counter bearing for the spring.
  • the flow-limiting device switches abruptly and independently, without any intervention or actuation from outside, wherein the switching forces for valve actuation are applied exclusively from fluidic effects.
  • the defined stop in the region of the guide rod prevents the valve body from abutting the housing in its second position. In the second position thus remains a defined gap between the valve body and an inner circumferential surface of the housing, whereby a very rapid opening of the valve body from the second position out is possible.
  • the inner circumferential surface of the housing which tapers in the flow direction, can be designed to be conical or nozzle-like.
  • valve body has a biconical shape.
  • another aerodynamic shape for the valve body can be selected.
  • the rotationally symmetrical valve body has a non-linear curve as a generator.
  • the switching point between the first and the second position is set to a differential pressure between a region of the flow channel upstream of the flow-limiting device and a region of the flow channel downstream of the flow-limiting device of a maximum of 500 mbar, preferably a maximum of 200 mbar , This results in a very sensitive and low-delay response.
  • known flow-limiting device usually switch only at a pressure difference of about 1,000 mbar.
  • the switching point is determined essentially by the aerodynamic shape of the valve body and the surrounding housing and by the interpretation of the spring force.
  • the switching forces are applied purely from fluidic effects. In order to allow low pressure losses, the switching force must be increased via these fluidic effects.
  • the switching point can be realized at extremely low pressure difference and completely without aktorik.
  • FIG. 1 shows a flow rate limiting device according to the invention in a longitudinal section
  • Fig. 2 is a pressure loss mass flow diagram.
  • the flow rate limiting device 1 shown in FIG. 1 has a housing 2 with a flow channel 3, in which a valve body 4 is arranged on a fixed guide rod 5 axially displaceable in the region of a nozzle-like cross-sectional constriction 6.
  • valve body 4 and the cross-sectional constriction 6 are bypassed by a bypass line 7, wherein the bypass line 7 branches off upstream of the valve body 4 from the flow channel 3 and opens again downstream of the cross-sectional constriction 6 in the flow channel 3.
  • the guide rod 5 has a sleeve 8, on which a spring 9 is mounted, which biases the valve body 4 in a first position shown in FIG.
  • Reference numeral 10 denotes a fastening nut for the guide rod 5.
  • the valve body 4 is formed substantially doppelkonisch, whereby the lowest possible flow losses occur.
  • the sleeve 8 forms a stop 11 for the valve body 4, wherein the valve body 4 rests in the second position on the stop 11.
  • the stop 11 is adjusted via the sleeve 8 so that in the second position of the valve body 4, a defined gap between the conical lateral surface 4a of the valve body 4 and a conical lateral surface 2a of the housing 2 remains.
  • This gap allows a rapid opening of the valve body 4 from the second position, so that the hysteresis can be kept as small as possible.
  • the remaining gap can have a non-constant thickness by appropriate shaping of the lateral surface 4a of the valve body 4 and the lateral surface 2a of the housing 2.
  • the differential pressure ⁇ is plotted against the volume flow V.
  • the closing point of the valve body 4 denoted by reference numeral 13
  • the device has a relatively low flow resistance. This is abruptly increased by the switching process, which causes the desired flow limitation.
  • the switching point is at about 20 mbar to 200 mbar differential pressure between the upstream and the downstream region of the flow channel. 3
  • the opening and closing characteristic of the valve body 4 is hysteresis.
  • the hysteresis between the closing and opening of the valve body 4 is indicated by reference numeral 14. Due to the defined gap in the second position of the valve body 4 and the bypass channel 7, the hysteresis behavior 14 can be kept as small as possible. Due to the defined gap a small flow is possible even with "closed" valve body 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) mit einem federbelasteten Ventilkörper (4), welcher zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung axial verschiebbar stromaufwärts einer Querschnittverengung (6) in einem Strömungskanal (3) angeordnet ist, wobei der Ventilkörper (4) durch eine Feder (9) in Richtung der ersten Stellung belastet ist, und wobei der Durchfluss bei gegebenem Druckgefälle in der ersten Stellung größer ist, als in der zweiten Stellung. Um einen geringen Strömungswiderstand im offenen Zustand und ein schlagartiges Schalten zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Querschnittverengung (6) durch zumindest eine Bypassleitung (7) umgehbar ist, wobei die Bypassleitung (7) stromaufwärts der Querschnittsverengung (6) vom Strömungskanal (3) abzweigt und stromabwärts der Querschnittsverengung (6) in den Strömungskanal (3) einmündet.

Description

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Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung mit einem federbelasteten Ventilkörper, welcher zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung axial verschiebbar stromaufwärts einer Querschnittverengung in einem Strömungskanal angeordnet ist, wobei der Ventilkörper durch eine Feder in Richtung der ersten Stellung belastet ist, und wobei der Durchfluss bei gegebenem Druckgefälle in der ersten Stellung größer ist, als in der zweiten Stellung.
Aus der EP 0 969 233 AI ist ein Durchflussbegrenzer mit einem durch einen federbelasteten Ventilkörper bekannt, wobei der fed erbe lastete Ventilkörper in einer Engstelle des Strömungskanals angeordnet ist. Die düsenartige Form der Wand des Gehäuses weist dabei Längsrippen auf, welche im geschlossenen Zustand des Ventilkörpers Strömungskanäle ausbilden, durch welche ein begrenzter Durchfluss in der Schließstellung des Ventilkörpers möglich ist.
Nachteilig ist, dass derartige Durchflussbegrenzer im offenen Zustand relativ hohe Druckverluste aufweisen. Des Weiteren ist nachteilig, dass bekannte Durchflussbegrenzer erst bei relativ hohen Differenzdrücken von der ersten Stellung in die zweite Stellung schalten. Der Umschaltpunkt liegt also erst bei einem relativ hohen Differenzdruckniveau.
Nachteilig ist außerdem, dass bekannte Durchflussbegrenzer ein relativ starkes Hystereseverhalten aufweist, so dass die Öffnung des Ventilkörpers aus der Schließstellung stark verzögert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Durchflussbegrenzer mit geringem Druckverlust im geöffneten Zustand und mit verzögerungsarmen Ansprechverhalten zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Querschnittverengung durch zumindest eine Bypassleitung umgehbar ist, wobei die Bypassleitung stromaufwärts der Querschnittsverengung vom Strömungskanal abzweigt und stromabwärts der Querschnittsverengung in den Strömungskanal einmündet, wobei vorzugsweise die Bypassleitung außerhalb des Strömungskanals in einem Gehäuse der Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung angeordnet ist.
Um ein rasches Öffnen aus der zweiten Stellung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der Ventilkörper durch eine feststehende axiale Führungsstange geführt ist, wobei die Führungsstange stromabwärts des Ventilkörpers einen vorzugsweise verstellbaren Anschlag aufweisen kann, auf welchem der Ventilkörper - - in der zweiten Stellung aufliegt. Der Anschlag kann beispielsweise durch eine Hülse gebildet sein, welche axial einstellbar auf der Führungsstange angeordnet ist. Die Hülse kann dabei gleichzeitig auch das Gegenlager für die Feder bilden. Durch die Hülse kann somit einerseits die Federvorspannung und andererseits der Anschlag für den Ventilkörper axial eingestellt werden.
Bei Erreichen des definierten Durchflusses schaltet die erfindungsgemäße Durch- flussbegrenzungsvorrichtung schlagartig und selbständig, ohne jegliche Eingriffe oder Aktuatorik von außen, wobei die Schaltkräfte zur Ventilbetätigung ausschließlich aus strömungstechnischen Effekten aufgebracht werden.
Durch den definierten Anschlag im Bereich der Führungsstange wird verhindert, dass der Ventilkörper in seiner zweiten Stellung am Gehäuse anliegt. In der zweiten Stellung verbleibt somit ein definierter Spalt zwischen dem Ventilkörper und einer inneren Mantelfläche des Gehäuses, wodurch ein sehr rasches Öffnen des Ventilkörpers aus der zweiten Stellung heraus möglich wird. Die sich in Strömungsrichtung verjüngende innere Mantelfläche des Gehäuses kann dabei kegelig oder düsenartig verlaufend gestaltet sein.
Besonders geringe Strömungsverluste lassen sich erreichen, wenn der Ventilkörper eine doppelkonische Form aufweist. Alternativ kann auch eine andere strömungsgünstige Form für den Ventilkörper gewählt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der drehsymmetrische Ventilkörper eine nichtlineare Kurve als Erzeugende aufweist. Dadurch lassen sich mit der erfindungsgemäßen Durchflussbegrenzungsvorrichtung im geöffneten Zustand besonders geringe Druckverluste erreichen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Umschaltpunkt zwischen der ersten und der zweiter Stellung auf einen Differenzdruck zwischen einem Bereich des Strömungskanals stromaufwärts der Durch- flussbegrenzungseinrichtung und einem Bereich des Strömungskanals stromabwärts der Durchflussbegrenzungseinrichtung von maximal 500 mbar, vorzugsweise maximal 200 mbar eingestellt ist. Dadurch ergibt sich ein sehr sensibles und verzögerungsarmes Ansprechverhalten. Im Vergleich dazu schalten bekannte Durchflussbegrenzungseinrichtung üblicherweise erst bei einer Druckdifferenz von etwa 1.000 mbar.
Der Umschaltpunkt wird dabei im Wesentlichen durch die strömungsgünstige Form des Ventilkörpers und des umgebenden Gehäuses und durch die Auslegung der Federkraft bestimmt. Dabei werden die Schaltkräfte rein aus strömungstechnischen Effekten aufgebracht. Um geringe Druckverluste zu ermöglichen, muss die Schaltkraft über diesen strömungstechnischen Effekten verstärkt werden. - -
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Durchflussbegrenzungseinrichtung kann der Schaltpunkt bei äußerst geringer Druckdifferenz und völlig ohne Aktu- atorik realisiert werden .
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung in einem Längsschnitt; und
Fig. 2 ein Druckverlust-Massenstrom-Diagramm .
Die in Fig. 1 dargestellte Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem Strömungskanal 3 auf, in welchem ein Ventilkörper 4 an einer feststehenden Führungsstange 5 axial verschiebbar im Bereich einer düsenartigen Querschnittsverengung 6 angeordnet ist.
Der Ventilkörper 4 und die Querschnittsverengung 6 sind durch eine Bypassleitung 7 umgehbar, wobei die Bypassleitung 7 stromaufwärts des Ventilkörpers 4 vom Strömungskanal 3 abzweigt und stromabwärts der Querschnittsverengung 6 in den Strömungskanal 3 wieder einmündet.
Die Führungsstange 5 weist eine Hülse 8 auf, auf welcher eine Feder 9 gelagert ist, die den Ventilkörper 4 in eine in der Fig. 1 dargestellten ersten Stellung vorspannt. Mit Bezugszeichen 10 ist eine Befestigungsmutter für die Führungsstange 5 bezeichnet.
Der Ventilkörper 4 ist im Wesentlichen doppelkonisch ausgebildet, wodurch möglichst geringe Strömungsverluste auftreten.
Die Hülse 8 bildet einen Anschlag 11 für den Ventilkörper 4 aus, wobei der Ventilkörper 4 in der zweiten Stellung auf dem Anschlag 11 aufliegt. Der Anschlag 11 wird über die Hülse 8 dabei so eingestellt, dass in der zweiten Stellung des Ventilkörpers 4 ein definierter Spalt zwischen der konischen Mantelfläche 4a des Ventilkörpers 4 und einer kegeligen Mantelfläche 2a des Gehäuses 2 verbleibt. Dieser Spalt ermöglicht ein rasches Öffnen des Ventilkörpers 4 aus der zweiten Stellung, so dass das Hystereseverhalten möglichst klein gehalten werden kann. Der verbleibende Spalt kann durch entsprechende Formgebung der Mantelfläche 4a des Ventilkörpers 4 und der Mantelfläche 2a des Gehäuses 2 eine nicht konstante Stärke haben.
In der in Fig. 1 dargestellten ersten Stellung des Ventilkörpers 4 fließt eine große Menge des Strömungsmediums am Ventilkörper 4 vorbei, eine kleinere Menge passiert die Bypassleitung 7. Ab einem durch die Feder 9 definierten Differenzdruck Δρ wird der Ventilkörper 4 schlagartig von der ersten Stellung in die zweite - -
Stellung verschoben, wodurch der Strömungskanal 3 bis auf einen geringen verbleibenden Spalt zwischen den Mantelflächen 4a und 2a verschlossen wird. Das Strömungsmedium strömt unter Umgehung des Ventilkörpers 4 nun zum Großteil in der Bypassleitung 7 und mündet stromabwärts der Querschnittverengung 6 wieder in den Strömungskanal 3 ein.
In Fig. 2 ist der Differenzdruck Δρ über dem Volumenstrom V aufgetragen. Mit Bezugszeichen 12 ist der Schließpunkt des Ventilkörpers 4, mit Bezugszeichen 13 der Öffnungspunkt des Ventilkörpers 4 bezeichnet. Bis zum Schließpunkt weist die Vorrichtung einen relativ geringen Strömungswiderstand auf. Dieser wird durch den Schaltvorgang schlagartig erhöht, was die gewünschte Durchflussbegrenzung bewirkt. Der Schaltpunkt liegt dabei bei etwa 20 mbar bis 200 mbar Differenzdruck zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Bereich des Strömungskanals 3.
Wie ersichtlich ist, ist die Öffnungs- und Schließcharakteristik des Ventilkörpers 4 hysteresebehaftet. Die Hysterese zwischen dem Schließen und dem Öffnen des Ventilkörpers 4 ist mit Bezugszeichen 14 angedeutet. Durch den definierten Spalt in der zweiten Stellung des Ventilkörpers 4 und dem Bypasskanal 7 kann das Hystereseverhalten 14 möglichst klein gehalten werden. Durch den definierten Spalt ist auch bei "geschlossenem" Ventilkörper 4 eine geringe Durchströmung möglich.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) mit einem federbelasteten Ventilkörper (4), welcher zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung axial verschiebbar stromaufwärts einer Querschnittverengung (6) in einem Strömungskanal (3) angeordnet ist, wobei der Ventilkörper (4) durch eine Feder (9) in Richtung der ersten Stellung belastet ist, und wobei der Durch- fluss bei gegebenem Druckgefälle in der ersten Stellung größer ist, als in der zweiten Stellung, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittverengung (6) durch zumindest eine Bypassleitung (7) umgehbar ist, wobei die Bypassleitung (7) stromaufwärts der Querschnittsverengung (6) vom Strömungskanal (3) abzweigt und stromabwärts der Querschnittsverengung (6) in den Strömungskanal (3) einmündet.
2. Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (7) außerhalb des Strömungskanals (3) in einem Gehäuse (2) der Durchflussmengenbegrenzungseinrich- tung (1) angeordnet ist.
3. Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (4) durch eine feststehende axiale Führungsstange (5) geführt ist, wobei vorzugsweise die Führungsstange (5) stromabwärts des Ventilkörpers (4) einen Anschlag (11) aufweist, auf welchem der Ventilkörper (4) in der zweiten Stellung aufliegt.
4. Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (11) durch eine mit der Führungsstange (5) verbundene Hülse (8) gebildet ist.
5. Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (5) ein Gegenlager für die Feder (9) bildet.
6. Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (11) verstellbar ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der Anschlag (11) durch die Länge der Hülse (5) definiert ist .
7. Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stellung ein definierter Spalt zwischen den Ventilkörper (4) und dem Gehäuse (2) verbleibt.
8. Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zumindest eine den Ventilkörper (4) zumindest teilweise umgebende kegelige Mantelfläche (2a) aufweist.
9. Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (4) eine doppelkonische Form aufweist.
10. Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen drehsymmetrische Ventilkörper (4) eine Mantelfläche (4a) mit einer nichtlinearen Kurve als Erzeugenden aufweist.
11. Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zumindest eine den Ventilkörper (4) zumindest teilweise umgebende drehsymmetrische Mantelfläche (2a) mit einer nichtlinearen Kurve als Erzeugenden aufweist.
12. Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltpunkt zwischen erster und zweiter Stellung auf einen Differenzdruck zwischen einem Bereich des Strömungskanals (3) stromaufwärts der Durchflussbegrenzungseinrichtung (1) und einem Bereich des Strömungskanals (3) stromabfwärts der Durch- flussbegrenzungseinrichtung (1) von maximal 500 mbar, vorzugsweise maximal 200 mbar eingestellt ist.
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