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Druckregler
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Die Erfindung betrifft einen Druckregler zur Einstellung eines konstanten,
insbesonders verschwindend geringen Differenzdruckes zwischen zwei Leitungen für
unter Druck stehende Medien, mit einer durch eine bewegliche Trennwand in zwei Teilkammern
geteilten Druckkammer, welche je Teilkammer einen Anschluß für eines der beiden
Medien, sowie eine in Abhängigkeit von der vom Differenzdruck bedingten Stellung
der Trennwand betätigte Steuereinrichtung aufweist.
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Derartige Druckregler, wie sie beispielsweise aus der DE-PS 15 73
074 bekannt sind, finden üblicherweise z.B. in Anordnungen zur Mischung von Gas-Teilströmen
von geringer Durchflußrate in einem bestimmten Verhältnis Verwendung. Der aus der
genannten Druckschrift bekannte Regler weist in einer Ausführungsform eine Steuereinrichtung
auf, welche von einer Düse gebildet ist, deren ins Freie führender Abströmquerschnitt
unmittelbar von der als eingespannte Membran ausgebildeten beweglichen Trennwand
kontrolliert wird. Die eine der beiden Teilkammern ist dabei über ihren Anschluß
mit dem Referenzdruck beaufschlagt und die zweite Teilkammer weist neben dem Anschluß
für das in seinem Druck zu steuernde Medium die besagte Düse auf. Soferne der zu
steuernde Druck größer als der Referenzdruck ist, wird die bewegliche Trennwand
vom Ausströmquerschnitt der Düse abgehoben und es kann solange Medium aus der Düse
ins Freie austreten, bis unter der Wirkung des Referenzdruckes der Ausströmquerschnitt
wieder geschlossen wird. Es handelt sich im wesentlichen also um eine sogenannte
"Auf-Zu-Regelung", welche unweigerlich zu gewissen Schwan-
kungen
im eigentlich konstant zu haltenden Druck führt.
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Als weiterer Nachteil dieses bekannten Druckreglers ist zu erwähnen,
daß damit lediglich eine Begrenzung des zu regelnden Druckes auf die Größe des Referenzdruckes
erfolgen kann und daß damit also der zu regelnde Druck vprerst immer größer oder
zumindest gleich dem Referenzdruck sein muß und das überschüssige, durch den Druckregler
abgesteuerte Medium verloren ist. Für die Vorregelung des Druckes sind zusätzliche
Strömungswiderstände vor dem Druckregler sowie ein eigener Vordruckregler erforderlich'
was zusätzlichen baulichen Aufwand mit sich bringt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile
des bekannten Druckreglers zu vermeiden und insbesonders einen Druckregler der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß ohne weitere Einrichtungen der zu steuernde Druck
auf einfache Weise dem Referenzdruck angleichbar ist, wobei insbesonders auch kein
Verlust am zu steuernden Medium auftreten soll. Weiters soll nicht nur die einseitige
Begrenzung des zu steuernden Druckes auf einen konstanten Referenzdruck sondern
die Einstellung eines konstanten, insbesonders verschwindend geringen Differenzdruckes
zwischen zwei unter Druck stehenden Medien unabhängig davon, welches der beiden
Medien momentan in der zum Druckregler führenden Leitung einen höheren Druck aufweist,
möglich sein.
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Die vorliegende Erfindung löst die genannten Aufgaben dadurch, daß
je Teilkammer zumindest ein Auslaßkanal für das druckgeregelte Medium vorgesehen
ist, daß die Steuereinrichtung je ein Einlaßventil für jeden Anschluß umfaßt, welches
einen Führungsteil und ein in diesem axial geführtes, von der Trennwand axial verstellbares
Gleitstück aufweist, und daß das Gleitstück zumindest eine Gleitpassung zum Führungsteil
aufweist, deren den Strömungswiderstand bestimmende Länge in Abhängigkeit von der
axialen Stellung des Gleitstückes veränderlich ist. Es ist also beim Druckregler
nach der Erfindung vor-
gesehen, daß die beiden durch eine bewegliche
Trennwand getrennten Teilkammern unmittelbar in die Leitungen für die unter Druck
stehenden Medien eingeschaltet sind. Zur Steuerung des konstanten Differenzdruckes
dienen die Einlaßventile, deren den Strömungswiderstand bestimmende Gleitpassung
in ihrer wirksamen Länge unmittelbar von der beweglichen Trennwand verstellt wird.
Die Gleitpassung(en) bzw. die Oberflächen der diese begrenzenden Teile können an
sich beliebige Querschnittsform haben, jedoch ist in konstruktiv vorteilhafter Weise
nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Querschnittsfläche der
Gleitpassung(en) kreisringförmig ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausführung ergibt sich der Vorteil, daß
die beiden unter Druck stehenden Medien gleichzeitig sowohl den Referenzdruck zur
Regelung des jeweils anderen Mediums liefern und auch in ihrem Druck selbst geregelt
werden. Damit können die beiden Medien nach Verlassen des Druckreglers beispielsweise
unmittelbar gemischt werden; bei dem eingangs genannten bekannten Druckregler ist
für jedes zu regelnde Medium ein separater, mit Referenzdruck beaufschlagter Druckregler
erforderlich. Der konstruktive Aufbau des erfindungsgemäßen Druckreglers ist weiters
sehr einfach, da jede von einem abweichenden Differenzdruck bewirkte Auslenkung
der beweglichen Trennwand unmittelbar eine axiale Verschiebung der Gleitstücke in
den Einlaßventilen bewirkt, was aufgrund der damit infolge der veränderten wirksamen
Länge der Gleitpassungen veränderten Widerstände der Einlaßventile direkt wieder
zum gewünschten Druckausgleich in den beiden Teilkammern und damit zur angestrebten
Regelung des Differenzdruckes der beiden Medien führt.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, daß die
Volumina der Teilkammern den im Betrieb des Druckreglers hauptsächlich auftretenden
Durchflußmengen angepaßt sind, wobei vorzugsweise der Quotient der Volumina gleich
dem Quotienten der Durchflußmengen ist. Wenn durch eine der Teilkammern zeitlich
eine
Menge an zu regelndem Medium fließt, die beispielsweise wesentlich größer als die
entsprechende Menge durch die andere Teilkammer ist, was für verschiedene Anwendungszwecke
tatsächlich der Fall ist, ist es von der Funktionsweise her sehr vorteilhaft, wenn
die eine Teilkammer auch wesentlich größer als die andere Teilkammer ist, da dann
z.B. bei Änderungen des Druckes am Anschluß mit der größeren Durchflußrate um einen
Betrag ß p das System die gleiche Einstellzeit hat, wie bei Änderung des Druckes
am anderen Anschluß um den gleichen Betrag Ap.
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In einer anderen Ausbildung der Erfindung sind sowohl die Gleitpassungen
als auch die wirksamen Trennwand flächen jeweils für beide Teilkammern gleich dimensioniert,
was vor allem Vorteile hinsichtlich der Herstellungskosten und universelle Verwendungsmöglichkeiten
bietet.
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In weiterer Aus-gestaltung der Erfindung ist am Gleitstück eine Schulter
vorgesehen, welche ab einer vorbestimmten Abweichung vom konstanten Differenzdruck
gegen den Führungsteil abdichtet, wobei gegebenenfalls die Dichtwirkung durch eine
das Gleitstück belastende Feder verstärkt ist. Diese Ausbildung ermöglicht eine
fallweise Reduzierung des Durchflusses in eine der beiden Teilkammern auf Null,
was bei stark unterschiedlichen Entnahmemengen bzw. Vordrücken für die beiden Medien
erforderlich sein kann. In diesem Zusammenhang ist besonders vorteilhaft, wenn gemäß
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Schulter am Gleitstück in Form eines
Kegelsitzes ausgebildet ist und mit einem am Führungsteil vorgesehenen Dichtring
zusammenwirkt. Diese Ausbildung der Abdichtung ist konstruktiv einfach und sichert
auf wirksame Weise die gegebenenfalls notwendige völlige Abdichtung eines der beiden
Einlaßventile.
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Jedes Gleitstück kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zumindest
zwei Gleitpassungen mit dem zugehörigen Führungsteil aufweisen, die bei steigender
Entfernung von der Druckkammer jeweils einen größeren
Durchmesser
haben als die der Druckkammer näherliegenden.
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Dadurch ist es möglich eine minimal wirksame Länge der Gleitpassungen
von Null, jedoch eine maximal wirksame Länge der Gleitpassungen, welche der Anzahl
und Länge der einzelnen Gleitpassungen entsprechend größer ist wie der maximale
Weg der beweglichen Trennwand, zu realisieren. In diesem Zusammenhang ist es besonders
vorteilhaft, wenn die abdichtende Schulter am Übergang zwischen zwei Gleitpassungen
vorgesehen ist, da diese Ausbildung konstruktiv besonders einfach ist.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die
Querschnittsfläche der Bohrungen für die Gleitpassungen kleiner als 1 % der wirksamen
Fläche der beweglichen Trennwand, was das Regelverhalten des erfindungsgemäßen Druckreglers
sehr günstig beeinflußt.
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In diesem Zusammenhang ist es weiters von Vorteil, wenn nach einem
weiteren Vorschlag der Erfindung die bis zum Abschließen der Einlaßventile maximal
auftretende axiale Verschiebung der Gleitstücke durch die bewegliche Trennwand kleiner
als ein Viertel der Quadratwurzel aus der wirksamen Fläche der Trennwand ist.
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Um den aufgrund der Regelcharakteristik des Systems auftretenden
maximalen Fehler im konstant zu haltenden Differenzdruck möglichst klein zu halten,
ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Produkt aus Federkonstante
der das Gleitstück belastenden Feder mit der maximal auftretenden axialen Verschiebung
des Gleitstückes kleiner als 1 % des Produktes aus der wirksamen Fläche der Trennwand
mit dem in der jeweiligen Teilkammer auftretenden Druck ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß elektrisch
leitende Kontakte in der Druckkammer vorhanden sind, die mit elektrisch leitenden
Teilen an der beweglichen Trennwand zusammenarbeiten und über die ab einer vorbestimmten
Verstellung der beweglichen Trennwand ein angeschlossener Stromkreis schließbar
bzw. unterbrechbar ist. Unter gewissen extremen Situationen, z.B. wenn der Druck
in einer der Teilkammern
plötzlich stark abfällt, kann die Regelfunktion
des Druckreglers nicht mehr gegeben sein. Ein solcher Druckabfall könnte beispielsweise
eintreten, wenn die Zu- oder Ableitung leck wird, wenn der Eingangsdruck infolge
Entleerung einer Vorratsflasche auf Atmosphärendruck absinkt, oder ähnliche Situationen,
die durch einen Fehler außerhalb des eigentlichen Druckreglers hervorgerufen werden,
auftreten. Die bewegliche Trennwand würde sich in diesem Falle vollständig zu einer
Seite der Teilkammer bewegen, wodurch eine Druckregelung nicht mehr möglich ist.
Durch die Anordnung der mit der beweglichen Trennwand zusammenarbeitenden Kontakte
ist auf einfache Weise die Möglichkeit gegeben, zu große Auslenkungen der Bewegungen
der beweglichen Trennwand festzustellen und beispielsweise mit dem angeschlossenen
Stromkreis eine Warneinrichtung zum Aufzeigen der nicht mehr gegebenen Regelfunktion
des Druckreglers zu betätigen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Druckreglers nach der
vorliegenden Erfindung, Fig. 2 zeigt einen teilweisen Schnitt durch eine Ausführungsform
der Erfindung und Fig. 3 und 4 zeigen jeweils einen teilweisen Schnitt durch weitere
Ausführungsformen der Erfindung.
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Der Druckregler nach Fig. 1 weist je einen Anschluß 1, 2 für nicht
weiter dargestellte Leitungen auf, welche unter Druck stehende Medien entlang der
Pfeile 3 zuführen. Die Anschlüsse 1 und 2 sind über Einlaßventile 4, 5 mit Teilkammern
6, 7 verbunden, welche in einer durch eine in Form einer Membrane ausgebildete bewegliche
Trennwand 8 geteilten Druckkammer 9 angeordnet sind. An der Unterseite des Druckreglers
weisen beide Teilkammern 6, 7 jeweils einen Auslaßkanal 10, 11 auf, durch welche
die in ihrem Druck geregelten Medien ent-
lang er Pfeile 12 ausströmen
können.
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Die Einlaßventile 4, 5 welche zusammen mit der beweglichen Trennwand
8 die Steuereinrichtung des Druckreglers zur Einstellung eines konstanten, insbesonders
verschwindend geringen Differenzdruckes zwischen den über die Anschlüsse 1, 2 zugeführten
Medien bilden, sind aus je einem, im dargestellten Ausführungsbeispiel einstückig
mit dem Gehäuse des Druckreglers ausgeführten Führungsteil 13 sowie einem im Führungsteil
axial geführten und von der Trennwand 8 axial verstellbaren Gleitstück 14 aufgebaut.
Jedes Gleitstück 14 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Regelteil 15
mit einer Gleitpassung zu einer Regelbohrung 16 im Führungsteil 13 auf, wobei die
den Strömungswiderstand für ein durchströmendes Medium mitbestimmende wirksame Länge
der Gleitpassung in Abhängigkeit von der durch die Stellung der beweglichen Trennwand
8 bestimmten axialen Stellung der Gleitstücke 14 veränderlich ist.
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Die an ihrer Vorderseite mit Nasen 17 unmittelbar mit der beweglichen
Trennwand 8 in Verbindung stehenden Gleitstücke 14 weisen an dem der beweglichen
Trennwand 8 abgewandten Ende des Regelteiles 15 eine in Form eines Kegelsitzes 18
ausgebildete Schulter 19 auf, welche ab einem bestimmten Weg des Regelteils 15 in
der Regelbohrung 16 gegen eine entsprechende Fläche 20 am Führungsteil 13 abdichtet.
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Die Wirkungsweise der dargestellten Anordnung ist folgende: über
die Anschlüsse 1, 2 sind zwei Medien unter Druck zugeführt, welche über die Gleitpassungen
zwischen den Regelteilen 15 und den Regelbohrungen 16 in die Teilkammern 6, 7 einströmen
und diese über die Auslaßkanäle 10, 11 wieder verlassen. Die zeitliche Durchflußmenge
durch die Gleitpassungen in den Einlaßventilen 4, 5 ist durch die folgende Gleichung
gegeben:
wobei Q ... zeitliche Durchflußmenge p ... Einlaßdruck des Mediums
p9 .., Druck des Mediums in der Teilkammer p ... Zähigkeit des Mediums rB . Radius
der Regelbohrung 16 rW se Radius des Regelteils 15 1 ... wirksame Länge der Gleitpassung
Diese Gleichung gilt für beide Seiten des im wesentlichen symmetrisch aufgebauten
Druckreglers.
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Wenn die durch den Aufbau des Druckreglers für den Gleichgewichtsfall
vorgegebene Druckdifferenz zwischen den Drücken p' in den Teilkammern 6 und 7 (im
dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Gleichgewichts fall bei Differenzdruck
Null bzw. einer ständig um den Wert O schwankenden verschwindend geringen Druckdifferenz
gegeben) vom Gleichgewichtswert abweicht wird sich die bewegliche Trennwand 8 unter
Wirkung des höheren Druckes in Richtung der den geringeren Druck aufweisenden Teilkammer
verschieben und damit das Gleitstück 14 an der den geringeren Druck aufweisenden
Seite mit seinem Regelteil 15 weiter aus der Regelbohrung 16 schieben und das Gleitstück
an der den größeren Druck aufweisenden Seite mit seinem Regelteil weiter in die
Regelbohrung eintauchen lassen Dadurch wird an der Seite des höheren Druckes der
Strömungswiderstand für das Medium erhöht und damit die Durchflußmenge gedrosselt
und an der Seite des geringeren Druckes der Strömungswiderstand gesenkt, wodurch
die Durchflußmenge nach der obenbeschriebenen Gleichung ansteigt. Auf diese Weise
wird selbsttätig der Gleichgewichtsfall wieder hergestellt.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist aus zwei Gehäuseteilen 21,
22 zusammengesetzt, welche mittels nur durch ihre Symmetrielinie 23 angedeutete
Schrauben verbunden sind und zwischen sich die bewegliche Trennwand 8 einspannen.
Der dargestellte Druckregler ist für die beiden in ihrem Differenzdruck zu regelnden
Medien völlig symmetrisch aufgebaut, sodaß im folgenden teil-
weise
nur der in der Darstellung obere Teil näher besprochen werden soll. Die im Inneren
der Gehäuseteile 21, 22 gebildete Druckkammer 9 ist durch die bewegliche Trennwand
8, welche in ihrer Mitte eine Verstärkung 24 aufweist, in zwei Teilkammern 6, 7
geteilt. Es ist wiederum jeweils ein Auslaßkanal 10, 11 für die druckgeregelten
Medien vorgesehen, welche hier mit Anschlußleitungen 25 zu nicht weiter dargestellten
Verbrauchern verbunden sind. Das Einlaßventil 4 weist einen Führungsteil 13' auf,
der in diesem Ausführungsbeispiel als zusätzlich in den Gehäuseteil 21 einsetzbarer,
im wesentlichen zylindrisch ausgebildeter Körper ausgeführt ist. Im Führungsteil
13' ist ein Gleitstück 14' in axialer Richtung geführt, welches an seiner der Trennwand
8 zugewandten Seite mittels einer Nase 17 unmittelbar mit der Verstärkung 24 der
Trennwand 8 in Verbindung steht und welches an seiner zur Trennwand 8 abgewandten
Seite von einer Feder 26 in axialer Richtung belastet ist. Das dem Gleitstück 14'
abgewandte Ende der Feder 26 stützt sich dabei unmittelbar auf ein Anschlußstück
27 für eine in den Anschluß 1 für eines der Medien eingeschraubte Zuführleitung
28 ab.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind in jedem der Einlaßventile je
zwei Gleitpassungen zwischen dem Gleitstück 14' und dem Führungsteil 13' gebildet,
welche unterschiedliche Durchmesser aufweisen und in axialer Richtung hintereinander
angeordnet sind. Zwischen der der beweglichen Trennwand 8 zugewandten vorderen Gleitpassung
29 mit geringerem Durchmesser und der hinteren Gleitpassung 30 mit größerem Durchmesser
ist eine als Kegelsitz 18' ausgebildete Schulter angeordnet, welche ab einer bestimmten
Auslenkung der beweglichen Trennwand 8, unterstützt durch die Wirkung der Feder
26, mit einem an einer entsprechenden Schulter des Führungsteils 13' vorgesehenen
Dichtring 31 zusammenwirkt. Dadurch kann der Strom des Mediums durch das Einlaßventil
zeitweise auf Null reduziert werden, was notwendig sein kann, wenn
die
Auslaßströme der Medien oder die Vordrucke der beiden Medien stark voneinander abweichen.
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Der die wirksame Länge der Gleitpassungen definierende Führungsteil
13' kann - da er hier als separat einsetzbarer Teil ausgeführt ist - mit höchster
Genauigkeit bearbeitet werden; der übrige Gehäuseteil erfordert sodann keine besondere
Genauigkeit. Durch die hier dargestellte Anordnung von zwei hintereinanderliegenden
Gleitpassungen ist es möglich, eine minimal wirksame Länge der Gleitpassungen von
Null, jedoch eine maximale wirksame Länge der Gleitpassungen, die doppelt so groß
ist wie der maximale Weg der beweglichen Trennwand 8, zu realisieren.
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Die als Strömungswiderstand wirksame Länge der Gleitpassungen könnte
entgegen der dargestellten Ausführungen beispielsweise auch dadurch gegeben sein,
daß der Durchmesser des Gleitstückes ohne Nase bis zur Trennwand konstant ist und
lediglich zumindest eine Nut in Längsrichtung des Gleitstückes an dessen Umfang
vorgesehen wird, deren Eintauchtiefe in die Führungsbohrung die wirksame Länge der
Gleitpassung bestimmt.
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Der in Fig. 3 dargestellte Druckregler unterscheidet sich von jenem
nach Fig. 2 lediglich dadurch, daß hier die Möglichkeit gegeben ist, über einen
an den Zuführungsleitungen 28 angeschlossenen Stromkreis - es ist hier lediglich
der Anschluß (+) an der oberen Zuführleitung dargestellt; der Anschluß (-) ist in
hier nicht dargestellter Weise an der unteren Zuführleitung zur Teilkammer 7 vorgesehen
- die einwandfreie Regelfunktion des Druckreglers zu kontrollieren. Solange der
Druckunterschied zwischen den Teilkammern 6, 7 nicht aufgrund von Lecks in der Zu-
bzw. Ableitung oder ähnlichem zu groß wird,liegen beide Nasen 17 der Gleitstücke
14' an der Verstärkung 24' der beweglichen Trennwand 8 an. Soferne die Verstärkung
24', ebenso wie die Gleitstücke 14', die Federn 26 und die Anschlußstücke 27, elektrisch
leitend und in der dargestellten Form von der Seite der
Teilkammer
6 zur Seite der Teilkammer 7 durchkontaktiert ist, ist also im Normalfall der Druckregelung
der angelegte Stromkreis geschlossen. Wenn die Auslenkung der beweglichen Trennwand
8 zu groß wird und somit eine der Nasen 17 von der Verstärkung 24' abhebt wird der
angeschlossene Stromkreis unterbrochen, was beispielsweise eine Warneinrichtung
oder dergleichen betätigen kann.
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Der Druckregler nach Fig. 4 entspricht wiederum im wesentlichen den
Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3, wobei hier elektrische Kontakte 32, 33
im Inneren der Gehäuseteile 21, 22 so angebracht sind, daß ein mit den Anschlüssen
(+) und (-) gekennzeichneter angeschlossener äußerer Stromkreis dann geschlossen
wird, wenn die Auslenkung der beweglichen Trennwand 8 in eine der möglichen Bewegungsrichtungen
so große Werte erreicht, daß durch die Verstärkung 24 - welche zu diesem Zwecke
elektrisch leitend ausgebildet ist - die Kontakte 32, 33 verbunden werden. Auch
dadurch ist also die Anzeige der Regelunfähigkeit des Druckreglers möglich.
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Bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ist
es insbesonders günstig, wenn die Gehäuseteile 21, 22 aus Kunststoffspritzguß hergestellt
sind - was aufgrund der bereits besprochenen Vorteile des einsetzbaren Führungsteils
13' ohne weiteres möglich ist - da dann keine weiteren Vorkehrungen für die Isolierung
der einzelnen Kontakte gegeneinander erforderlich sind.