DE19743740A1 - Mehrstufiger Durchflußmengenregler nach dem Elastomerring-Verformprinzip - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft einen mehrstufigen Durchfluß­ mengenregler nach dem Elastomerring-Verformprinzip, bei dem mehrere hintereinander geschaltete, durch den Druck eines durch einen Ringspalt strömenden Fluids elastisch verformbare Elastomerringe die Menge eines durch eine Rohrleitung strömenden Fluidstroms regeln.

Allgemeiner Stand der Technik

Nach dem Elastomerring-Verformprinzip arbeitende Durchfluß­ mengenregler zeichnen sich gegenüber anderen herkömmlichen Durchflußmengenreglern durch eine sehr kostengünstige Herstellung, weitgehende Wartungsfreiheit und hohe Verschleißfestigkeit aus.

Bei bekannten nach dem Elastomerring-Verformprinzip arbeitenden Durchflußmengenreglern verformt sich infolge des Durchflußwiderstandes des durch den Ringspalt im Reglerkörper strömenden Fluids der oder die Elastomer­ ring(e) in den Ringspalt hinein. Die Verformung, die Rückstellkraft des Elastomers und die Geometrie des Ringspalts sind so abgestimmt, daß über den Betriebs­ druckbereich die Durchflußmenge nahezu konstant bleibt.

Allerdings neigen solche bekannten nach dem Elastomerring- Verformprinzip arbeitenden Durchflußmengenregler bei hohen Druckdifferenzen (etwa < 4 bar) zum Zischen, da bei solchen Druckdifferenzen, weil der die Regelung bewirkende Ringspalt sehr eng wird, Kavitäten auftreten. Dieses Zischen läßt sich zwar durch Nachschalten einer Drossel unterdrücken, diese behindert aber bei kleinen Druckdifferenzen die Strömung so, daß die Sollmenge nicht mehr erreicht wird.

Werden zwei oder mehrere Elastomerring-Durchflußmengen­ regler hintereinander geschaltet, übernimmt einer dieser Regler die ganze Regelung, während die anderen Elastomer­ ring-Durchflußmengenregler offen bleiben. Bei solchen Durchflußmengenreglern mit unterschiedlicher Nenndurchfluß­ menge regelt immer der kleinste Regler. Bei gleichen Reglern ist es der, welcher von der Toleranzlage am empfindlichsten ist.

Es ist Aufgabe dieser Erfindung, einen nach dem Elastomerring-Verformprinzip arbeitenden Durchflußmengen­ regler dahingehend zu verbessern, daß er trotz Schwankung der antreibenden Druckdifferenz über weite Bereiche einen Fluidstrom in einer Rohrleitung, z. B. beim Ausfluß aus einer Rohrleitung, auf eine annähernd konstante Strömungsmenge regeln kann. Die Druckdifferenz kann beispielsweise in Durchlaufwassererhitzern von 1-15 bar schwanken.

Der Sollwert des Reglers soll bei einer Ausführungsform der Erfindung verstellbar gemacht werden. Diese Verstellbarkeit soll bei Durchlaufwassererhitzern die Strömungsrate des durchströmenden Fluids (Wasser) von 5-15 Liter pro Minute einstellen können.

Die obige Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Durchfluß­ mengenregler nach dem Elastomerring-Verformprinzip erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß der Durchflußmengenregler Mittel zur kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung der hintereinander geschalteten Elastomerringe aufweist.

Vorteilhafterweise erreicht die Erfindung, daß auch bei hohen Drosseldrücken kein Zischen auftritt. Die erfindungsgemäß kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbundenen, in der Rohrleitung in Reihe geschalteten Elastomerringe werden dann durch die bei der Abdrosselung in Axialrichtung der Strömung entstehenden Kräfte zwangsgeführt verformt. Damit wird sichergestellt, daß die Abdrosselung in Stufen erfolgt, wobei die Verformung aller Elastomerringe zur Abdrosselung beiträgt.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Mittel, die die kraftschlüssige Verbindung der hinter­ einander geschalteten Elastomerringe erreichen, durch in der Rohrleitung axial bewegliche Trägerkörper gebildet, die jeweils einen der Elastomerringe tragen und dazu so gestaltet sind, daß sie durch bei der Abdrosselung der Fluidströmung entstehende Kräfte zwangsgeführt die in Reihe geschalteten Elastomerringe verformen. Diese aus einem gegenüber dem Elastomermaterial der Elastomerringe harten und starren Material bestehenden Trägerkörper können eine Außenwand haben, die innerhalb der Rohrleitung geführt und darin leicht in Axialrichtung beweglich ist. Die Innenwandung der Trägerkörper kann eine zur Aufnahme des Elastomerrings dienende Ringnut haben. Die Trägerkörper können jeweils so abgestuft sein, daß sie mit einem ringförmigen in Axialrichtung ragenden Steg die bei der Abdrosselung der Strömung in Axialrichtung entstehende Kraft auf den Elastomerring in der nächsten stromabwärts gelegenen Stufe des Durchflußmengenreglers übertragen und diesen Elastomerring elastisch verformen.

Um die axiale Bewegung des Trägerkörpers oder der Trägerkörper in Strömungsrichtung des Fluids zu begrenzen, können erste Begrenzungsmittel in der Rohrleitung vorgesehen sein. Die ersten Begrenzungsmittel können z. B. durch einen einfachen, in Radialrichtung ragenden Ringwulst gebildet sein.

Weiterhin können zweite Begrenzungsmittel die axiale Bewegung des oder der Trägerkörper(s) entgegen der Strömungsrichtung des Fluids begrenzen. Die zweiten Begrenzungsmittel sind nur dann wichtig, wenn in der Rohr­ leitung auch eine Rückströmung des Fluids auftreten kann.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein einziges Elastomerteil in der Rohrleitung vorgesehen sein, das einen jeweils zwei benachbarte Elastomerringe miteinander kraft- und formschlüssig verbindenden Verbindungsringabschnitt aufweist. Dieser Verbindungsring­ abschnitt kann somit aus demselben Elastomermaterial bestehen wie die Elastomerringe.

Der Verbindungsringabschnitt kann insbesondere dünnwandiger ausgeführt sein als die jeweils damit verbundenen Elastomerringe.

Ferner kann das den oder die Verbindungsringabschnitt(e) und die Elastomerringe vereinigende Elastomerteil eine in Strömungsrichtung konisch zulaufende Außenwand aufweisen. In der Rohrleitung kann ein ringförmiges Trägerteil so festgelegt sein, daß das von ihm getragene Elastomerteil durch bei der Abdrosselung der Fluidströmung in der Rohrleitung entstehende Kräfte axial und radial verformbar ist, wobei der oder die Verbindungsringabschnitt(e) mit verformt wird oder werden. Bei diesem Verformungsvorgang wird das Elastomerteil als Ganzes von der entsprechend konisch geformten Innenwand des Trägerteils abgestützt. In dem Durchflußmengenregler, d. h. axial in dem oder den die Elastomerringe tragenden Trägerteil(en) kann vorteilhafter­ weise ein konischer Körper liegen, der zusammen mit den hintereinander geschalteten Elastomerringen den Ringspalt definiert.

Dieser axiale Körper kann vorteilhafterweise durch eine axial verstellbare Achse oder Spindel in axialer Richtung verstellt werden und zur Verstellung des fluiddurchströmten Querschnitts und damit der Nenndurchflußmenge vorgesehen sein.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen mehr­ stufigen Durchflußmengenreglers darstellenden Zeichnungs­ figuren beschrieben. Die Zeichnungsfiguren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines zweistufigen Durchflußmengen­ reglers gemäß der Erfindung mit kraftschlüssiger Verbindung der Stufen;

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines zweistufigen Durchflußmengen­ reglers gemäß der Erfindung mit kraft- und formschlüssiger Verbindung der Stufen; und

Fig. 3 eine ähnlich wie Fig. 2 gestaltete Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zweistufigen Durchflußmengenreglers, der mit einer Spindel zur axialen Verstellung des den Ringspalt definierenden Körpers im Inneren des Reglers ausgestattet ist.

Zunächst werden erfindungsgemäße Prinzipien anhand der in Fig. 1 in einem schematischen Längsschnitt dargestellten ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zweistufigen Durchflußmengenreglers erläutert.

Innerhalb einer Rohrleitung 9, in der ein Fluidstrom in der durch zwei Pfeile dargestellten Richtung strömt, ist ein nach dem Elastomerring-Verformprinzip erfindungsgemäß gestalteter zweistufiger Durchflußmengenregler eingesetzt, der allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Zwei in Axialrichtung hintereinander liegende Elastomerringe 3, 3' mit gleichem Querschnitt sind in ringförmige Aus­ sparungen in der Innenwand zweier separater hintereinander liegender, gestufter Trägerkörper 1, 2 eingesetzt. Die Innenwand der Rohrleitung 9 bildet einen Ringwulst 8, der zur Begrenzung der Bewegung des Durchflußmengenreglers in Strömungsrichtung 7 dient. Begrenzungsmittel zur Begrenzung der Bewegung der Regelkörper entgegengesetzt zur Strömungsrichtung 7 sind in Fig. 1 weggelassen. Eine solche Begrenzung kann ebenfalls durch einen an der Innenwand der Rohrleitung 9 stromaufwärts vom Regelkörper liegenden Wulst gebildet sein. Die zweite, stromaufwärts gelegene Stufe, d. h. der Trägerkörper 2 des zweistufigen Durchflußmengen­ reglers kann zusammen mit dem an seiner Innenwand festgelegten Elastomerring 3' durch die aufgrund der Abdrosselung der Fluidströmung ausgeübte Kraft in Strömungsrichtung auf den ersten Elastomerring 3 drücken und diesen verformen. Diese kraftschlüssige Verbindung ist durch einen ringförmigen axialen Vorsprung 6 des zweiten Trägerkörpers 2 verwirklicht. Die Abdrosselung wird durch einen veränderlichen Ringspalt erreicht, der die an den Trägerkörpern 1 und 2 getragenen Elastomerringe 3 und 3' und zwei axiale Begrenzungskörper 4 und 5 bildet. Die Spaltgeometrie verändert sich entsprechend der Druck­ differenz zwischen der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seite des Durchflußmengenreglers und zwar wegen der Verformung der kraftschlüssig miteinander gekoppelten Elastomerringe 3 und 3', so daß der Fluidstrom über einen weiten Bereich der Druckdifferenz auf eine annähernd konstante Durchflußmenge geregelt werden kann. Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Durchflußmengenregler 10 kann durch die passende Formgebung der Begrenzungskörper 4, 5, der Trägerkörper 1, 2, der Elastomerringe 3, 3' und deren Elastizitätseigenschaften auf einen relativ großen Betriebsdruckbereich abgestimmt werden, so daß trotz schwankender Druckdifferenz der Mengenstrom konstant geregelt werden kann. Beim Einsatz in Durchlauf­ wassererhitzern beträgt dieser Betriebsdruckbereich beispielsweise 1-15 bar.

Die in Fig. 2 in Form eines schematischen Längsschnitts dargestellte zweite Ausführungsform 11 eines erfindungs­ gemäß nach dem Elastomerring-Verformprinzips gestalteten zweistufigen Durchflußmengenreglers verwendet eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen zwei hintereinander in der Rohrleitung 9 liegenden Elastomerringen 13. Die Elastomerringe 13 bilden zusammen mit einem Verbindungs­ ringabschnitt 16 ein einstückiges ringförmiges Elastomer­ teil 20, das mit seiner konischen Außenfläche von einem in der Rohrleitung 9 festgelegten ringförmigen Trägerteil 14 so aufgenommen ist, daß es durch bei der Abdrosselung der Fluidströmung 7 in der Rohrleitung 9 entstehende Kräfte axial und radial verformbar ist. Bei dieser Verformung werden nicht nur die Elastomerringe 13, sondern auch der dazwischenliegende ringförmige Verbindungsabschnitt 16 verformt. Bevorzugt besteht dieser Verbindungsringabschnitt 16 aus dem gleichen Elastomermaterial wie die beiden daran anschließenden Elastomerringe, und die Wandstärke des Verbindungsringabschnitts 16 ist geringer als am Ort der beiden Elastomerringe 13. Das Trägerteil 14 weist an seinem stromabwärtigen Ende einen radialen Haltering auf, so daß der durch die Drosselung der Fluidströmung 7 entstehende Druck das Elastomerteil 20 nicht aus dem Inneren des Trägerteils 14 herausdrücken kann. Außerdem ist ein zweistufiger konischer Begrenzungskörper axial in der Rohrleitung 9 innerhalb des Durchflußmengenreglers gelagert, beispielsweise am Trägerkörper 14. Zwischen dem Begrenzungskörper 15 und dem Elastomerteil 20 ist der die Fluidströmung entsprechend der Druckdifferenz abdrosselnde Ringspalt definiert.

Die in Fig. 3 in einem schematischen Längsschnitt dargestellte dritte Ausführungsform 12 eines erfindungs­ gemäßen zweistufigen Durchflußmengenreglers ist in ganz ähnlicher Weise wie die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform ausgeführt und hat im wesentlichen dieselbe Drosselwirkung. Auch hier ist ein Elastomerkörper 20, der zwei in axialer Richtung hintereinander geschaltete Elastomerringe 23 über einen aus bevorzugt gleichem Material bestehenden Elastomerverbindungsabschnitt 16 kraft- und formschlüssig miteinander verbindet, an der Innenwand eines ringförmigen, in der Rohrleitung 9 festgelegten Trägerkörpers 21 abgestützt und kann sich durch die aufgrund der Abdrosselung der Fluidströmung 7 auftretende Druckdifferenz elastisch verformen. Anders als bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der axiale Begrenzungskörper 25, der gemeinsam mit dem Elastomerteil 20 den die Drosselwirkung hervorrufenden Ringspalt definiert, durch eine axial verstellbare Achse oder Spindel 26 axial verstellbar. Damit läßt sich der fluiddurchströmte Querschnitt des Ringspalts, d. h. der Sollwert des Reglers, verstellen. Bei Durchlaufwassererhitzern kann die geforderte Durchlaufrate zwischen 5 bis 15 Litern pro Minute betragen, was durch die Sollwertverstellung des Reglers erreicht wird.

Die Erfindung bewirkt, daß auch bei hohen Drosseldrücken kein Zischen auftritt.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen mehrstufigen Durchflußmengenreglers ist, daß das Elastomerteil 20 und die Elastomerringe 3, 3' als auch das Material des oder der Trägerkörper(s) eine sehr preisgünstige Herstellung des erfindungsgemäß gestalteten Durchflußmengenreglers als Massenartikel ermöglichen.

Obwohl die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Durchflußmengen­ reglers zweistufig ausgeführt sind, ist dem Fachmann deutlich, daß mit denselben erfindungsgemäßen Prinzipien nach dem Elastomerring-Verformprinzip arbeitende Durchfluß­ mengenregler mit mehr als zwei Stufen realisiert werden können.

Ferner sieht der Fachmann sofort, daß die Spaltgeometrie die Form, der Durchmesser und die Länge des Elastomerteils und des Trägerkörpers bzw. der Trägerkörper verschiedene Veränderungen erfahren können.

Claims (12)

1. Mehrstufiger Durchflußregler nach dem Elastomerring- Verformprinzip, bei dem mehrere hintereinander geschaltete, durch den Druck eines durch einen Ringspalt strömenden Fluids elastisch verformbare Elastomerringe die Menge des Fluidstroms (7) in einer Rohrleitung (9) regeln, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußregler (10; 11; 12) Mittel (1, 2; 6; 16) zur kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung der hintereinander geschalteten Elastomerringe (3, 3'; 13; 23) aufweist.

2. Durchflußregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (1, 2; 6) zur kraftschlüssigen Verbindung der hintereinander geschalteten Elastomerringe (3, 3') durch in der Rohrleitung (9) axial bewegliche Trägerkörper (1, 2) gebildet sind, die jeweils einen der Elastomerringe (3, 3') tragen und so gestaltet sind, daß sie durch bei der Abdrosselung der Fluidströmung (7) entstehende Kräfte zwangsgeführt die in Reihe geschalteten Elastomerringe verformen.

3. Durchflußregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Trägerkörper (1, 2; 14, 21) aus einem gegenüber dem Elastomermaterial der Elastomerringe harten und starren Material bestehen.

4. Durchflußregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rohrleitung (9) erste Begrenzungsmittel (8) für die Begrenzung der axialen Bewegung des oder der Trägerkörper (1, 2) in Strömungsrichtung (7) des Fluids vorgesehen sind.

5. Durchflußregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem zweite Begrenzungsmittel zur Begrenzung der axialen Bewegung des oder der Trägerkörper (1, 2) entgegen der Strömungsrichtung (7) des Fluids vorgesehen sind.

6. Durchflußregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur kraft- und formschlüssigen Verbindung der hintereinander liegenden Elastomerringe (13; 23) durch ein Elastomerteil (20) gebildet sind, das einen mit den Elastomerringen einstückigen Verbindungsring­ abschnitt (16) aufweist, der jeweils benachbarte Elastomerringe kraft- und formschlüssig verbindet.

7. Durchflußregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Verbindungsring­ abschnitt(e) (16) dünnwandiger ist bzw. sind, als die jeweils damit verbundenen Elastomerringe (13).

8. Durchflußregler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Verbindungsring­ abschnitt(e) (16) aus demselben Elastomermaterial besteht bzw. bestehen, wie die Elastomerringe (13).

9. Durchflußregler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomerteil (20) eine in Strömungsrichtung konisch zulaufende glatte Außenwand aufweist und innerhalb eines in der Rohrleitung (9) festgelegten ringförmigen Trägerteils (14; 21) so aufgenommen ist, daß es durch bei der Abdrosselung der Fluidströmung (7) entstehende Kräfte axial und radial verformbar ist, wobei die Verbindungsringabschnitte (16) mitverformt werden und dabei das Elastomerteil (20) als Ganzes von der entsprechend konisch geformten Innenwand des Trägerteils (21) abgestützt wird.

10. Durchflußregler nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mehrstufiger, axial in der Rohrleitung (9) innerhalb des Durchflußreglers (10; 11; 12) liegender konischer Körper (5; 15; 25) zusammen mit den hintereinander geschalteten Elastomerringen den Ringspalt definiert.

11. Durchflußregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine axial verstellbare Achse oder Spindel (26) zur axialen Verstellung des Körpers (25) und damit zur Verstellung des fluiddurchströmten Querschnitts des Ringspalts vorgesehen ist.

12. Durchflußregler nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elastomerringe hintereinander geschaltet sind.