DE60024496T2

DE60024496T2 - Druckunabhängiges regulierventil

Info

Publication number: DE60024496T2
Application number: DE60024496T
Authority: DE
Inventors: Bengt A. Carlson
Original assignee: Belimo Holding AG
Current assignee: Belimo Holding AG
Priority date: 1999-08-17
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2020-08-18
Also published as: WO2001013017A3; BR0013406A; WO2001013017A2; JP3876161B2; CN1370290A; ATE311623T1; EP1269280A4; CN1264077C; HK1048522B; HK1048522A1; EP1269280B1; AU2004201663A1; AU768719B2; DE60024496D1; JP2003507779A; CA2381934A1; CA2381934C; AU6782700A; EP1269280A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein automatisches Druckregelventil, das zur Druckregelung einer Flüssigkeits- oder einer Gasmediumströmung verwendbar ist. Es kann zum Steuern eines Manometer- bzw. Messdrucks oder eines Differenzdrucks zwischen zwei Stellen in einem System verwendet werden.
Es kann den Druck beispielsweise in Druckluft-, Wasser- oder Dampfleitungen, Öl- und Kraftstoffversorgungssystemen und Klimaanlagen regeln. Es kann auch zum Regeln von Flüssigkeitspegeln in Speicherbehältern verwendet werden.
Eine wichtige Anwendung ist eine kombinierte Verwendung mit Regelventilen zur automatischen Durchflussregelung. Das automatische Druckregelventil wird mit dem Regelventil in Serie geschaltet und derart angeordnet, dass es einen konstanten Differenzdruck über das Regelventil aufrechterhält. Die beiden Ventile wirken zusammen als druckunabhängiges Regelventil.
Automatische Druckregelventile werden zum Regeln von Flüssigkeits- oder Gasmediumströmungen verwendet, um den Druck im wesentlichen konstant zu halten. Bei einem allgemeinen Typ eines automatischen Druckregelventils wirkt das geregelte Medium gegen eine Seite einer Membran, und die entgegengesetzte Membranseite ist mit der Atmosphäre verbunden. Der Differenzdruck über die Oberfläche der Membran erzeugt eine Kraft, der eine Feder entgegenwirkt. Typische Beispiele sind in den US-Patenten Nr. 4044792 und 5009245 dargestellt.
Druckänderungen erzeugen ein Ungleichgewicht zwischen den beiden Kräften, wodurch eine Nettokraft erzeugt wird, durch die die Membran bewegt wird. Die Membran betätigt einen Ventilmechanismus, der den Druck des Mediums erhöht oder vermindert, bis zwischen der Membran und der Feder ein Gleichgewicht herrscht. Daher bestimmt die Federspannung den Soll- oder Einstellwert des automatischen Druckregelventils. Nachstehend wird das automatische Druckregelventil als APCV bezeichnet.
Die Membran ist über einen Schaft, der sich durch ein Gehäuse erstreckt, oder auf ähnliche Weise mit dem Ventilmechanismus verbunden. Seine Reibung muss zusammen mit der Reibung des Ventilmechanismus durch die Nettokraft von der Membran und der Feder überwunden werden.
Um eine glatte Regelung mit einer nur geringen Hysterese zu erhalten, müssen die Membran und die Feder relativ groß ausgebildet sein, so dass bereits eine sehr kleine Druckänderung eine Nettokraft erzeugt, die ausreichend ist, um die Reibung zu überwinden.
Dies ist nicht der einzige Grund für die Verwendung einer großen Membran. Die Steuerfläche des Ventilmechanismus weist eine Fläche auf, auf die der Mediendruck einwirkt und eine Kraft erzeugt. Diese Kraft wirkt der Federkraft typischerweise entgegen. Daher werden Mediendruckänderungen den Einstellwert ändern. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Steuermechanismus eine große Durchflusskapazität aufweisen muss. Wenn eine große Durchflusskapazität erforderlich ist, muss die Steuerfläche groß sein, so dass die der Feder entgegenwirkende Kraft ziemlich groß ist. Daher müssen die Membran und die Feder groß ausgebildet sein, damit der Einfluss des Mediendrucks auf den Einstellwert nicht zu groß wird.
Anstatt die Fläche der Steuerfläche zu vergrößern, kann auch ihre Bewegungs- oder Stellweg vergrößert werden. Da durch wird die Durchflusskapazität ebenfalls erhöht. Der Nachteil hierbei ist jedoch, dass die Federspannung sich durch die Bewegung ändert, wodurch sich auch der Einstellwert ändert. Die Änderung ist davon abhängig, wie weit die Steuerfläche geöffnet werden muss, wobei das Öffnungsmaß eine Funktion sowohl des Durchflusses als auch des Drucks ist.
Die Änderung des Einstellwertes wird unter Verwendung einer langen Feder reduziert, so dass die Bewegung im Vergleich zur Federlänge klein ist. Dadurch nehmen allerdings auch die Größe und die Kosten des automatischen Druckregelventils (APCV) zu.
Das vorstehend beschriebene APCV gleicht den geregelten Druck gegen die Atmosphäre und eine Feder aus. Es stehen auch viele andere Ventiltypen zur Verfügung. Beispielsweise können an Stelle einer Verbindung mit der Atmosphäre beide Seiten der Membran mit dem Medium verbunden sein, jedoch an verschiedenen Stellen des Systems. Eine eingebaute Feder wirkt gegen die Membran, und der Ventilmechanismus regelt den Mediendurchfluss derart, dass ein geregelter Differenzdruck zwischen den beiden Stellen aufrechterhalten wird. Ein derartiges Ventil ist ein automatisches Differenzdruckregelventil und wird nachstehend als ADPCV bezeichnet.
Anhand der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass APCVs und ADPCVs, um eine geeignete Genauigkeit zu erzielen, große Membranen und Federn aufweisen müssen. Dies bedeutet natürlich auch, dass das die Membran umgebende Gehäuse ziemlich groß sein muss und damit teuer ist.
Es stehen einige Ventilmechanismen zur Verfügung, bei denen die vorstehend beschriebenen Probleme nicht auftreten. Bei vielen dieser Ventile (z.B. Schieber) treten jedoch tendenziell Lecks auf, so dass sehr kleine Durchflüsse nicht geregelt werden können.
Es können auch Vorsteuer- oder Schaltventile zum Betätigen der Membran verwendet werden, um die Genauigkeit zu erhöhen. Dadurch wird die Struktur jedoch komplizierter und steigen die Kosten.
Vorstehend wurden einige in Verbindung mit APCVs auftretende Probleme kurz zusammengefaßt.
Automatische Regelventile in HVAC- und industriellen Prozeßanwendungen weisen Aktuatoren bzw. Stellglieder auf, die die Regelventile in Antwort auf Signale von Controllern betätigen, so dass der korrekte Durchfluss bereitgestellt wird. Hierbei tritt jedoch das Problem auf, dass der Durchfluss nicht nur davon abhängt, wie weit das Ventil geöffnet ist, sondern auch von dem über das Ventil auftretenden Differenzdruck.
Der Differenzdruck hängt von den Betriebszuständen des gesamten Rohrleitungssystems ab.
Eine plötzliche Druckänderung im Rohrleitungssystem ändert den Durchfluss durch ein Regelventil, so dass die Regelung gestört bzw. durcheinandergebracht wird. Es dauert manchmal etwas Zeit, bevor das Regelsystem das Stellglied anweist, den Öffnungsgrad des Ventils derart zu ändern, dass der korrekte Durchfluss erhalten und eine stabile Regelung wiederhergestellt wird.
Regelventile werden für eine bestimmte Durchflusscharakteristik hergestellt, die definieren, wie der Durchfluss sich ändert, wenn das Ventil öffnet.
Die Durchflusscharakteristik weist eine Krümmung auf, die nicht-lineare Charakteristiken des zu steuernden Objekts (häufig Wärmeaustauschervorrichtungen) kompensieren. Ziel ist es, zu erreichen, dass die Gesamtcharakteristik vom Signal für das Stellglied bis zum Ausgangssignal des gesteuerten Objekts linear ist. Dies ist für eine stabile Regelung sehr vorteilhaft.
Die Durchflusscharakteristik eines Ventils wird mit einem konstanten Differenzdruck im Labor getestet.
Durch Laständerungen hervorgerufene Druckänderungen stören die Durchflusscharakteristik der Regelventile, was für eine stabile Regelung nachteilig ist.
Es ist sehr schwierig, Regelventile geeignet zu dimensionieren. Hierfür muss der Durchflusskoeffizient berechnet werden. Er wird durch Multiplizieren der Durchflussrate (GPM) mit der Quadratwurzel des spezifischen Gewichts der Flüssigkeit und anschließende Division durch die Quadratwurzel des Differenzdrucks bei maximalen Lastbedingungen berechnet. Es ist leider äußerst schwierig, eine korrekte Information über den Differenzdruck zu erhalten, die die tatsächlichen Zustände korrekt widerspiegelt. Einer der Gründe hierfür ist, dass der tatsächliche "Bauzustand" von der Spezifikation abweicht.
Ohne die korrekte Information werden die Regelventile nicht korrekt dimensioniert. Unterdimensionierte Regelventile können den erforderlichen Durchfluss nicht unterstützen und müssen ersetzt werden. Um dies zu vermeiden, werden tendenziell überdimensionierte Regelventile installiert. Dies ist jedoch für eine stabile Regelung, insbesondere bei niedrigen Lasten, nachteilig.
Das Problem kann gelöst werden, indem das Regelventil mit einem ADPCV kombiniert und derart angeordnet wird, dass ein konstanter Differenzdruck über das Regelventil aufrechterhalten wird.
Mit einem konstanten Differenzdruck über das Regelventil wird für jeden Öffnungsgrad des Regelventils eine gut definierte Durchflussrate bereitgestellt. Die Durchflussrate ist von Druckänderungen im Rohrleitungssystem vor und nach der Ventilkombination unabhängig. Daher wird eine Kombination aus einem ADPCV und einem Regelventil als "druckunabhängiges Regelventil" (nachstehend PICV genannt) bezeichnet.
Aufgrund des konstanten Differenzdrucks wird das Regelventil immer mit einer perfekten Ventilautorität arbeiten, so dass die Durchflusscharakteristik durch Druckänderungen im Rohrleitungssystem nicht gestört wird.
Das PICV kann auf verschiedene Weisen verwendet werden. Es kann als automatischer Durchflussregler mit einem manuell eingestellten Einstellpunkt verwendet werden und eine Skalenscheibe zum Einstellen der Durchflussrate aufweisen. Es kann verwendet werden, wo eine konstante oder manuell eingestellte Durchflussrate erforderlich ist. Es kann auch in Grenzfällen in Anwendungen mit variablem Durchfluss verwendet werden.
Das PICV kann durch ein Stellglied betätigt werden, das auf Signale von einem Controller anspricht.
Der maximale Durchfluss durch das PICV kann durch Begrenzen der maximalen Öffnung des Regelventils eingestellt werden. Dies kann durch Begrenzen des Hubweges des Stellglieds erreicht werden.
Durch das PICV wird eine wesentliche Verbesserung der Qualität der Regelung in einem industriellen Prozeß oder in einem HVAC-Regelsystem erreicht. Allerdings stellen die hohen Kosten gegenwärtig ein Problem dar.
Primär werden die Kosten durch das ADPCV erhöht. Der Grund hierfür sind die relativ großen Abmessungen der Membran, der Feder und des Gehäuses. Typische Beispiele von PICVs sind in der US-A-5143116 und in der US-A-5775369 dargestellt.
In der US-A-4168720 wird ein Teller- bzw. Ring- oder Rohrventil mit einem Kolben mit einem Schaft und einem am Schaft befestigten scheibenförmigen Kopf offenbart. Der Kolben ist in einem Zylinder hin- und hergehend beweglich montiert, wobei in der Innenwand des Zylinders eine Sitzfläche bzw. ein Sitz ausgebildet ist, um eine Durchflussöffnung zwischen der Zylindersitzfläche und dem scheibenförmigen Kopf zu definieren. Der Kolbenkopf weist an einer Seite davon eine flache Fläche und an der entgegengesetzten Seite eine Arbeitsfläche auf, die dazu geeignet ist, die Durchflussöffnung in der Zylindersitzfläche zu definieren. Die Arbeitsfläche weist eine ringförmige Fläche mit einer spezifisch definierten Form und einen die ringförmige Fläche mit dem Schaft verbindenden Abschnitt auf.
In der US-A-3770007 ist ein Regelventil mit einem quer über einen Druckfluidkanal angeordneten Ventil mit regelbarem Öffnungsgrad offenbart. Eine erhaltene Druckänderung wird über ein Kanalsystem zu zwei Arbeitskammern übertragen, die die Bewegung einer Druckkompensationsspule steuern, die ebenfalls im Druckfluidkanal angeordnet ist, um dadurch den Fluiddurchfluss zu regeln.
Durch die durch die Merkmale der Patentansprüche definierte vorliegende Erfindung wird ein einfacher APCV, ADPCV und PICV bereitgestellt.
Beim APCV dient der Atmosphärendruck als Referenzdruck, und das APCV steuert einen Manometer- oder Meßdruck. Es gibt zwei Typen von APCVs.
Der erste APCV-Typ regelt einen stromabwärtsseitigen Druck.
Der zweite APCV-Typ regelt einen stromaufwärtsseitigen Druck.
Es werden APCVs für allgemeine Druckregelungsanwendungen dargestellt.
Außerdem werden spezielle APCVs zur Pegelsteuerung in Speicherbehältern dargestellt.
Die ADPCVs sind den APCVs gleich, außer dass bei ihnen nicht der Atmosphärendruck als Referenzdruck dient. Stattdessen wird bei ihnen eine zweite Stelle im Fluidströmungssystem als Referenzpunkt verwendet und der Differenzdruck geregelt.
PICVs sind Regelventile, die mit ADPCVs in Serie geschaltet sind und den Fluiddurchfluss durch das Ventil unabhängig von Leitungsdruckänderungen regeln.
Der erste APCV-Typ weist einen Körper mit einem Durchlass für eine Fluidströmung zwischen einem Einlass und einem Auslass auf. Quer über den Durchlass ist eine Sitzfläche bzw. ein Sitz angeordnet, gegen die eine Steuerscheibe wirkt, die den Durchfluss regelt. Die Steuerscheibe befindet sich strömungsabwärtsseitig von der Sitzfläche und regelt den Auslassdruck. Strömungsaufwärtsseitig von der Sitzfläche befindet sich eine Membran, an der die Steuerscheibe über einen Schaft aufgehängt ist. Die effektive Oberfläche der Membran und der Steuerscheibe sind gleich, so dass sie im Gleichgewicht stehen. An Stelle der Membran kann ein Kolben, eine Scheibe, ein Balg oder eine beliebige andere geeignete Druckerfassungseinrichtung verwendet werden.
Der Eingangsdruck wirkt auf die Unterseite der Membran und die Oberseite der Steuerscheibe. Die Kräfte sind gleich und wirken in entgegengesetzte Richtungen, so dass sie sich gegenseitig neutralisieren bzw. kompensieren.
Die Querschnittsfläche des Verbindungsschafts ist für das Gleichgewicht der Kräfte nicht wesentlich, weil sie sowohl die Unterseite der Membran als auch die Oberseite der Steuerscheibe in gleicher Weise beeinflusst.
Der einzige Unterschied ist, dass ein Schaft mit einer großen Querschnittsfläche zu kleineren entgegengerichteten Kräften führt als ein Schaft mit kleinem Durchmesser bzw. kleiner Querschnittsfläche. Auf jeden Fall sind die entgegengerichteten Kräfte einander gleich und neutralisieren sich wechselseitig.
Die Druckdifferenz zwischen der Oberseite der Membran und der Unterseite der Steuerscheibe wirkt über die effektive Fläche und erzeugt eine Kraft. Unter Normalbedingungen ist der Druck über der Membran kleiner als der Druck unter der Steuerscheibe. Dadurch ist die Nettokraft nach oben gerichtet und versucht die Steuerscheibe gegen die Sitzfläche zu bewegen. Durch eine Feder, die gegen die Oberseite der Membran drückt, wird eine entgegengerichtete Kraft erzeugt.
Wenn der Ausgangsdruck aus irgendeinem Grund zunimmt, bewegt sich die Steuerscheibe zur Sitzfläche hin, so dass die ringförmige Öffnung zwischen der Steuerscheibe und der Sitzfläche kleiner wird. Dadurch nimmt der Strömungswiderstand zu, wodurch der Druck unter der Steuerscheibe abnimmt. Die Steuerscheibe bewegt sich daher automatisch und stellt die ringförmige Öffnung so ein, dass der Ausgangsdruck einen Wert annimmt, gemäß dem ein Kraftgleichgewicht erzeugt wird.
Die Federspannung bestimmt den Sollwert oder Einstellwert für den Druck. (An Stelle einer Feder oder in Kombination damit kann ein Luftdruck, ein Gewicht, ein Magnet, ein Proportional-Solenoid oder eine ähnliche Einrichtung verwendet werden.)
Wenn die Oberseite der Membran mit dem Atmosphärendruck (als Referenzdruck) verbunden ist, wird das APCV einen Manometer- oder Meßdruck regeln. Die Federspannung, dividiert durch die effektive Fläche, ist dem Einstellwert gleich.
Nachstehend bezeichnet der Ausdruck "effektive Fläche" die dem Referenzdruck zugewandte Seite des Druckerfassungselements oder die dem geregelten Druck zugewandte Seite der Scheibe oder Schale.
Der zweite APCV-Typ ist dem ersten Typ mit den folgenden Ausnahmen ähnlich.
Die Steuerscheibe ist strömungsabwärtsseitig von der Sitzfläche angeordnet und regelt den Eingangsdruck. Strömungsabwärtsseitig von der Sitzfläche ist eine Membran angeordnet, mit der die Steuerscheibe durch einen Schaft verbunden ist.
Der Ausgangsdruck wirkt auf die Unterseite der Membran und die Oberseite der Steuerscheibe. Die Kräfte sind gleich und wirken in entgegengesetzte Richtungen, so dass sie sich wechselseitig neutralisieren.
Die Druckdifferenz zwischen der Oberseite der Membran und der Unterseite der Steuerscheibe wirkt über die effektive Fläche und erzeugt eine Kraft. Unter Normalbedingungen ist der Druck über der Membran höher als der Druck unter der Steuerscheibe. Dadurch ist die Nettokraft nach unten gerichtet und bewegt die Steuerscheibe tendenziell nach unten gegen die Sitzfläche. Eine Feder unter der Steuerscheibe erzeugt eine dieser Kraft entgegengerichtete Kraft. (Wenn der Druck über der Membran kleiner ist als der Druck unter der Steuerscheibe, kann die Feder stattdessen über der Membran angeordnet sein und diese nach unten drücken.)
Die Steuerscheibe bewegt sich nach unten gegen die Sitzfläche, wenn der Eingangsdruck zunimmt. Dadurch nehmen der Strömungswiderstand und der Druck unter der Steuerscheibe zu. Dadurch wird automatisch eine Position gefunden, bei der der Eingangsdruck erzeugt wird, der eine Kraft erzeugt, durch die die Druckkraft über der Membran abzüglich (oder zuzüglich) der Federkraft ausgeglichen wird.
Die Federspannung bestimmt den Soll- oder Einstellwert für den Druck. (An Stelle einer Feder oder in Kombination damit kann ein Luftdruck, ein Gewicht, ein Magnet, ein Proportional-Solenoid oder eine ähnliche Einrichtung verwendet werden.)
Wenn die Oberseite der Membran mit dem Atmosphärendruck (als Referenzdruck) verbunden ist, wird das APCV einen Manometer- oder Meßdruck regeln.
Wenn die Oberseite der Membran mit einem zweiten Punkt in einem System verbunden ist, wird das RDPCV einen Differenzdruck zwischen dem Ausgang des automatischen Druckregelventils und dem zweiten Punkt regeln. Der zweite Punkt sollte sich strömungsabwärts vom ADPCV befinden.
Es ist sehr wichtig, dass die effektiven Flächen der Scheibe und der Membran im wesentlichen gleich sind. Ansonsten wird der Druck nicht stabil geregelt.
Wenn die effektiven Flächen verschieden sind, werden APCVs, die den Ausgangsdruck regeln, durch den Eingangsdruck, und APCVs, die den Eingangsdruck regeln, durch den Ausgangsdruck beeinflusst.
Um eine gut definierte effektive Fläche der Scheibe zu erhalten, sollte ihr Umfang einen zugespitzten Rand aufweisen, der bei einem spezifischen Durchmesser mit der Sitzfläche in Kontakt steht. Der zugespitzte Rand ist außerdem erforderlich, um einen hohen Kontaktdruck gegen die Sitzfläche zu erhalten, so dass ein dichter Abschluß erzielt werden kann. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Sitzfläche kegelförmig ausgebildet ist, so dass die Scheibe selbstzentrierend ist.
Um über die obere Fläche der Scheibe den gleichen Druck aufrechtzuerhalten, sollte der Scheibendurchmesser nur geringfügig größer sein als die Einlassöffnung der kegelförmigen Sitzfläche. Ansonsten kann der Druck in der Nähe des Scheibenumfangs bei hohen Durchflussraten abfallen. Das Kraftgleichgewicht wird geändert, und der geregelte Druck wird bei hohen Durchflussraten deutlich abfallen.
PICVs sind Regelventile, die mit ADPCVs in Serie geschaltet sind, die dazu geeignet sind, den Differenzdruck über das Regelventil zu steuern. Dadurch ist die Fluiddurchflussrate durch das Ventil ausschließlich durch den Öffnungsgrad des Regelventils bestimmt und unabhängig von Leitungsdruckänderungen.
Der Differenzdruck wird am zweiten Punkt erfasst und kann über eine externe Rohrleitung an die Membran des ADPCV übertragen werden. Wenn das ADPCV und das Regelventil als eine Einheit ausgebildet sind, ist es jedoch vorteilhaft, eine interne Verbindung zu verwenden.
Wenn ein PICV den gleichen Körper für das Regelventil und das ADPCV verwendet, kann im Inneren des Körpers ein Ka nal ausgebildet sein, um den Differenzdruck des Regelventils an die Membran des ADPCV zu übertragen.
Wenn das Regelventil (des PICV) ein Absperrventil ("Globe Valve"), ein Fensterventil ("Curtain Valve") oder ein Kugelventil in "Top-Entry"-Bauweise ist, kann der Hauptkörper einstückig ausgebildet sein. Der Differenzdruck ist in diesem Fall unmittelbar mit einem Punkt hinter dem Regelventil verbunden, so dass es relativ einfach ist, den Kanal auszubilden.
Wenn das Regelventil ein "zweiteiliges" Kugelventil mit einem Hauptkörper und einem Nippel bzw. Stutzen ist, sollte der Differenzdruck nicht mit dem Nippel verbunden sein, weil es unpraktisch ist, einen Kanal vom Nippel zum Hauptkörper auszubilden. Stattdessen sollte die Kugel ein kleines Loch von der sich durch die Kugel erstreckenden Öffnung zum die Kugel umgebenden Hohlraum aufweisen. Der Hohlraum ist über einen Kanal mit der Membran des ADPCV verbunden. Dadurch kommuniziert der Druck im Inneren der Kugel mit der Membran. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass, wenn die Kugel auf eine geschlossene Position eingestellt ist, die Kommunikation zwischen der Membran und dem Ausgang des PICV unterbrochen ist. Wenn das APCV gewartet werden soll, muss lediglich ein strömungsaufwärtsseitiges Absperrventil geschlossen werden.
Die inneren Teile (Membran mit ihrer Kammer und Feder, Schaft, Sitzfläche und Scheibe) des APCV oder des ADPCV können als eine Einheit in der Form eines Einsatzes ausgebildet sein. Der Einsatz paßt in eine spezielle Vertiefung im Körper. Dadurch werden die Wartung und der Austausch des APCV vereinfacht.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines APCV, in dem an Stelle einer Membran ein Kolben ver wendet wird. Dieser ist durch eine Feder vorgespannt. Der Durchmesser des Kolbens ist demjenigen der Steuerscheibe im wesentlichen gleich. Die Steuerscheibe ist unter der Sitzfläche angeordnet. Der strömungsabwärtsseitige Druck wird geregelt.
In allen folgenden Figuren ist die effektive Fläche der Membran der effektiven Fläche der Steuerscheibe im wesentlichen gleich.
2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines APCV, in dem eine Membran verwendet wird. Die Membran ist durch eine Feder vorgespannt, und die Steuerscheibe weist eine gegen die Sitzfläche wirkende abgeschrägte Fläche auf. Der strömungsabwärtsseitige Druck wird geregelt.
3 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 2, außer dass die Feder durch einen geregelten Luftdruck ersetzt ist.
4 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 2, außer dass die Feder durch eine Flüssigkeitssäule ersetzt ist.
5 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 2, außer dass die Feder durch ein Gewicht ersetzt ist.
6 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 2, außer dass die Steuerscheibe einen zugespitzten Rand aufweist, der der Sitzfläche zugewandt ist, die eine abgeschrägte (kegelförmige) Fläche aufweist.
7 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 6, außer dass die Steuerscheibe einen abgeschrägten Rand aufweist, der der Sitzfläche zugewandt ist, die einen zugespitzten Rand aufweist.
8 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 7, außer dass die Steuerscheibe einen krempenförmigen Randabschnitt mit einem zugespitzten Rand aufweist, der der Fläche unmittelbar unter der Sitzfläche zugewandt ist. Die Fläche unter der Sitzfläche kann flach oder abgeschrägt sein. Der untere Teil der Steuerscheibe weist einen optionalen Führungsstift auf, der im Inneren einer Aufnahmebuchse gleitet.
In 9 ist die Steuerscheibe über der Sitzfläche angeordnet. Die Durchflussrichtung ist im Vergleich zu den 1–8 umgekehrt. Der strömungsaufwärtsseitige Druck wird geregelt, und über der Steuerscheibe wird eine Kraft erzeugt, die zusammen mit der Federkraft durch die durch den (höheren) Druck über der Membran erzeugte Kraft ausgeglichen wird. Der untere Teil der Steuerscheibe weist einen optionalen Führungsstift auf, der im Inneren einer Führungsbuchse gleitet. (Wenn der Druck über der Membran niedrig ist, ist die Feder stattdessen über der Membran angeordnet und übt eine nach unten gerichtete Kraft aus.)
10 zeigt die gleiche Ansicht wie 6, jedoch detaillierter. Es wird eine konische Feder bzw. eine Kegelfeder verwendet.
11 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 3, jedoch detaillierter.
12 zeigt ein APCV, das zum Regeln eines Wasser- oder Flüssigkeitspegels in einem Speicherbehälter verwendet wird. Es ist ein Magnet hinzugefügt, um eine sichere Absperrung zu ermöglichen.
13 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 12, wobei das Ventil jedoch über eine Saugleitung mit dem Speicherbehälter verbunden ist. Es ist ein Druckknopf hinzugefügt, um das Ventil vorübergehend zu öffnen und Luft von der Saugleitung abzulassen.
14 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines PICV, das ein mit einem ADPCV in Serie geschaltetes Regelventil aufweist. Das ADPCV ist strömungsabwärts vom Regelventil angeordnet und hält einen konstanten Differenzdruck über das Regelventil aufrecht.
15 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 14, jedoch detaillierter. Es wird ein Kugelventil als Regelventil verwendet, und die Steuerscheibe ist schalenförmig bzw. als Schale ausgebildet, und ihre offene Seite wirkt gegen die Sitzfläche.
16 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines PICV, das ein mit einem ADPCV in Serie geschaltetes Regelventil aufweist. Das ADPCV ist strömungsaufwärts vom Regelventil angeordnet und hält einen konstanten Differenzdruck über das Regelventil aufrecht.
17 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 14, jedoch detaillierter. Es wird ein Kugelventil als Regelventil verwendet, das zusammen mit einem Stellglied dargestellt ist. Die verschiedenen Teile des ADPCV bilden eine entnehmbare Einheit in der Form eines Einsatzes, der in einer Vertiefung des Ventilhauptkörpers angeordnet ist. Der Ventilkörper weist zwei Teile auf: den Ventilhauptkörper und einen Nippel. Der Differenzdruck kommuniziert durch einen Kanal im Inneren des Hauptkörpers mit der Membran.
18 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 17, außer dass die Kugel des Regelventils verkantet oder schräg angeordnet ist, eine konische oder Kegelfeder verwendet wird und eine Entlüftung hinzugefügt ist.
19 zeigt eine Detailansicht eines Beispiels der Kugel von 18.
20 zeigt eine Detailansicht eines Beispiels des in 18 dargestellten Einsatzes.
21 zeigt eine Detailansicht eines Beispiel eines Einsatzes. Der Einsatz verwendet an Stelle der Membran einen Zylinder und einen Kolben.
22 zeigt eine ähnliche Ansicht wie die 17 und 18, außer dass das Regelventil ein Kugelventil in "Top-Entry"-Bauweise ist. Daher ist der Ventilkörper als eine Einheit ausgebildet, und der Druckkanal verbindet die Membran mit der Strömungsabwärtsseite des Regelventils.
23 zeigt ein APCV mit einem Y-förmigen Körper. Der APCV-Mechanismus ist als Einsatz ausgebildet.
24 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines PICV. Das Regelventil ist ein Absperrventil ("Globe Valve"). Die Membran des ADPCV ist über einen Kanal mit der Strömungsabwärtsseite des Regelventils verbunden. Eine Feder ist zwischen dem Verschluß des Absperrventils und der Steuerscheibe des ADPCV angeordnet. Die Federspannung ist von der Position des Verschlusses abhängig und bestimmt den Soll- bzw. Einstellwert des ADPCV.
25 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 24, jedoch detaillierter. Das ADPCV hat die Form eines Einsatzes.
26 zeigt ein PICV mit dem APCV von 23, das als ADPCV verwendet und über eine Leitung mit einem Regelventil verbunden ist. Die Membran ist über eine externe Rohrleistung mit der Strömungsabwärtsseite des Regelventils verbunden.
27 zeigt das PICV von 26, das zum Regeln des Durchflusses durch eine Wärmetauschervorrichtung verwendet wird.
28 zeigt das APCV von 23, das als ADPCV verwendet wird, das zum Steuern des Differenzdrucks zwischen einer Zuleitung zu und einer Rückleitung von einer Gruppe von Wärmeaustauschervorrichtungen verwendet wird.
29 gleicht 26, außer dass das Ventil mit Hilfe eines Griffs manuell einstellbar ist.
30 zeigt das APCV, das zum Regeln des Drucks in Klimaanlagen verwendet wird. Es wird eine Druckfeder verwendet, deren Kraft sich zum Gewicht der Membran und der Steuerscheibe addiert.
31 zeigt das APCV, das zum Regeln des Drucks in Klimaanlagen verwendet wird. Die Steuerscheibe ist als Kegel ausgebildet. Es wird eine Zugfeder verwendet. Die Federspannung abzüglich des Gewichts der Membran und der Steuerscheibe bestimmt den Druckeinstellwert, der auf sehr kleine Werte einstellbar ist.
32 zeigt das APCV von 30, das als ADPCV zum Regeln des Differenzdrucks über einen strömungsabwärtsseitig angeordneten Luftpuffer verwendet wird. Dadurch ist die Luftströmung von strömungsaufwärtsseitigen und strömungsabwärtsseitigen Druckänderungen im Rohrleitungssystem unabhängig.
33 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 32, außer das der Luftpuffer strömungsaufwärtsseitig vom ADPCV angeordnet ist. Das Ventil ist derart konstruiert, dass die Steuerscheibe über der Sitzfläche angeordnet ist, und das Ventil den Druck zwischen dem Luftpuffer und der Steuerscheibe regelt.
1 zeigt ein APCV. Das APCV weist einen Körper 1 mit einem Durchlaß für eine Fluidströmung von einem Einlass 2 zu einem Auslass 3 auf. Eine Sitzfläche bzw. ein Sitz 7 kreuzt den Durchlaß. Unter der Sitzfläche 7 ist eine Steuerscheibe 5 angeordnet, die über einen Schaft 6 mit einem Kolben 4 verbunden ist. An der Oberseite des Kolbens 4 ist eine Feder 8 angeordnet, die eine Druckkraft nach unten ausübt. Die Feder und der Kolben sind in einem Zylinder eingeschlossen, der eine Öffnung 9 zur Atmosphäre aufweist.
Die Durchmesser des Kolbens 4, der Sitzfläche 7 und der Steuerscheibe 5 sind gleich. Daher wirkt der Druck P1 am Einlass 2 mit der gleichen Kraft auf die Unterseite des Kolbens, mit der er auf die Oberseite der Steuerscheibe 5 wirkt. Die beiden Kräfte neutralisieren bzw. kompensieren sich wechselseitig.
Strömungsabwärts vom Auslass 3 sind Vorrichtungen (nicht dargestellt) angeschlossen, die der Fluidströmung einen Widerstand entgegensetzen.
Die Feder 8 drückt die Anordnung aus dem Kolben, dem Schaft und der Steuerscheibe nach unten und öffnet die Sitzfläche derart, dass Fluid vom Einlass 2 zum Auslass 3 strömen kann. Der Auslassdruck P2 nimmt zu und wirkt auf die Un terseite der Steuerscheibe 5. Der Druck P2 nimmt zu, bis er auf die Unterseite der Steuerscheibe 5 eine nach oben gerichtete Kraft erzeugt, die so stark ist, dass die Feder 8 beginnt, zusammengedrückt zu werden. Die Steuerscheibe 5 bewegt sich näher zur Sitzfläche 7 hin, wodurch der Strömungswiderstand zunimmt. Dadurch wird der Auslassdruck vermindert, bis er über der Steuerscheibe 5 eine nach oben gerichtete Kraft erzeugt, durch die die Federkraft 8 ausgeglichen wird. Daher ist der Auslassdruck P2 bestimmt durch die Federkraft, dividiert durch die Fläche der Steuerscheibe.
Die Steuerscheibe und der Kolben können innerhalb sehr enger Toleranzen hergestellt werden, so dass die Flächen des Kolbens, der Sitzfläche und der Steuerscheibe praktisch gleich gemacht werden können. Dadurch kann das APCV von ziemlich großen Änderungen des Einlassdrucks P1 unabhängig gemacht werden.
Zwischen dem Kolben und dem Zylinder ist leider ein kleiner Zwischenraum erforderlich, wodurch Leckverluste entstehen. Daher kann der Durchfluss nur bis zu einem bestimmten minimalen Durchfluss geregelt werden. Außerdem besteht die Gefahr, dass Schmutzpartikel sich im Zwischenraum ansammeln und Reibung verursachen können. Daher kann es in vielen Fällen besser sein, eine Membran zu verwenden. Die Entscheidung, ob ein Kolben oder eine Membran verwendet wird, ist von den spezifischen Anforderungen für jede Anwendung abhängig. Zur Vereinfachung wird nachstehend lediglich die Membranausführungsform dargestellt.
2 zeigt ein APCV, das an Stelle eines Kolbens eine Membran 10 aufweist. Dadurch werden Leckverluste eliminiert und die Empfindlichkeit für Schmutz reduziert. Die Membran 10 weist eine Halterung 11 auf, die mit einem Schaft 6 verbunden ist.
Die Steuerscheibe 5 weist eine der Unterseite der Sitzfläche 7 zugewandte abgeschrägte Fläche auf. Die abgeschräg te Fläche dient zum Führen der Steuerscheibe 5 derart, dass sie ihre korrekte Position in der Mitte der Sitzfläche 7 annimmt.
Die Membran 10 weist einen Wulst bzw. einen Kragen um ihren Umfang auf. Der Mittelwert aus dem Außen- und dem Innendurchmesser der Hülse bestimmt ungefähr die (hydraulische) effektive Fläche der Membran 10.
Wenn das Ventil geschlossen ist, berührt der untere Rand der Sitzfläche 7 die abgeschrägte Fläche der Steuerscheibe 5 entlang einer sehr dünnen Kontaktlinie. Dadurch werden ein relativ hoher Kontaktdruck und ein dichter Verschluß gewährleistet. (Es kann vorteilhaft sein, wenn die Sitzfläche oder die abgeschrägte Fläche aus einem halbelastischen Material hergestellt ist.)
Im geschlossenen Zustand ist die effektive Fläche der Steuerscheibe 5 durch den Durchmesser der Kontaktlinie bestimmt. Die Steuerscheibe 5 sollte derart dimensioniert sein, dass ihre effektive Fläche etwa der effektiven Fläche der Membran gleicht. Je kleiner der Unterschied ist, desto weniger wird der Auslassdruck P2 durch Änderungen der Einlassdrucks P1 beeinflusst. Der Außendurchmesser der Steuerscheibe 5 sollte nur geringfügig größer sein als der Durchmesser der Kontaktlinie. Ansonsten wird sich der Auslassdruck P2 bei hohen Durchflussraten ändern.
In der folgenden Beschreibung werden Membranen diskutiert. Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen auch auf Kolben, Scheiben, Bälge und andere druckempfindliche Elemente anwendbar. Die Oberfläche der Steuerscheibe oder -schale und des druckempfindlichen Elements können beliebige geeignete Formen haben. Beispiele sind Kreisformen, längliche, dreiekkige, rechteckige, quadratische und polygonale Formen.
3 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 2, außer dass die Feder durch einen geregelten Luftdruck ersetzt ist.
Eine Versorgungseinrichtung 14 für geregelten Luftdruck weist eine Verbindung 13 mit der Membrankammer 12 auf.
Das APCV gleicht den Luftdruck P3 in der Membrankammer 12 durch einen im wesentlichen gleichen Auslassdruck P2 aus.
4 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 2, außer dass die Feder durch eine Flüssigkeitssäule 15 ersetzt ist, die einen Druck auf die Membran 10 ausübt.
Das APCV gleicht den Flüssigkeitsdruck P3 in der Membrankammer 12 durch einen im wesentlichen gleichen Auslassdruck P2 aus.
5 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 2, außer dass die Feder durch ein Gewicht 16 ersetzt ist, die einen Druck auf die Membran 10 ausübt.
Das APCV gleicht das Gewicht durch einen entsprechenden Auslassdruck P2 aus.
6 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 2, außer dass die Sitzfläche 7 eine abgeschrägte Fläche aufweist, die der Steuerscheibe 5 nach unten zugewandt ist, wobei die Steuerscheibe einen oberen Rand 17 aufweist, der mit der abgeschrägten Fläche der Sitzfläche 7 in Kontakt kommen kann.
Wenn das Ventil geschlossen ist, berührt der obere Rand der Steuerscheibe 5 die abgeschrägte Fläche 7 entlang einer sehr dünnen Kontaktlinie.
Der Innendurchmesser der Sitzfläche 7 sollte nur etwas kleiner sein als der Durchmesser der Steuerscheibe 5. Ansonsten wird sich der Auslassdruck P2 bei sehr hohen Duchflussraten ändern.
7 entspricht 2, zeigt jedoch mehr Details. Es ist deutlich zu sehen, dass die Sitzfläche 7 einen der Steuerscheibe 5 zugewandten zugespitzten Rand aufweist.
8 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 7, außer dass weder die Sitzfläche 7 noch die Steuerscheibe 5 eine abgeschrägte Fläche aufweisen. Stattdessen weist die Steuerscheibe 5 einen etwas größeren Durchmesser als die Sitzflä che 7 auf. Am oberen Seitenumfang der Steuerscheibe 5 befindet sich ein Grat 19 mit einem zugespitzten Rand, der der Unterseite der Sitzfläche 7 nach oben zugewandt ist, die einen flachen Flächenabschnitt 20 (optional aus einem halbelastischen Material) aufweist.
Die Steuerscheibe 5 wird durch einen Stift 21 geführt, der im Inneren einer Führungsbuchse 22 gleitet.
Alternativ (nicht dargestellt) weist der Umfang der Unterseite der Sitzfläche 7 einen Grat 19 mit einem zugespitzten Rand auf, der der Oberseite der Steuerscheibe 5 nach unten zugewandt ist, die einen flachen Flächenabschnitt 20 (optional aus einem halbelastischen Material) aufweist.
In den 1–8 ist die Anordnung aus der Membran 10, dem Schaft 6 und der Steuerscheibe 5 frei schwebend und steht nicht in Kontakt (bis auf den leichten Kontakt mit der Führungsbuchse 22 in 8) mit irgendeinem stationären Teil, bis sie schließlich mit der Sitzfläche 7 in Kontakt kommt. Daher arbeitet dieses APCV ohne (oder mit vernachlässigbarer) Reibung, so dass es mit einer relativ kleinen Membran und einer relativ kleinen Feder betreibbar ist.
Der Auslassdruck wird zunehmen, wenn zwischen der Steuerscheibe und der Sitzfläche ein Leck vorhanden ist, während die strömungsabwärtsseitige Leitung abgesperrt ist. Dadurch nimmt die auf die Steuerscheibe wirkende Kraft zu, bis sie vollständig gegen die Sitzfläche schließt und das Leck eliminiert wird.
Für die Berechnung des Soll- oder Einstellwertes des Auslassdrucks P2 für die Drucksteuerung in den 1–8 gilt:

P1: = Einlassdruck
P2: = Auslassdruck
P3: = Druck in der Membrankammer
S: = Federspannung
A: = Effektive Membranfläche
B: = Effektive Steuerscheibenfläche
A: = B

P2 = (P3 × A + S)/A = P3 + S/A,

Für die Berechnung des Einflusses des Einlassdrucks P1 auf den Auslassdruck P2 bei verschiedenen effektiven Flächen in den 1–8 gilt:

A: = Effektive Membranfläche
B: = Effektive Scheibenfläche
S: = Federspannung

(Das Gewicht der Membran, des Schafts, der Feder und der Steuerscheibe sind bei der Federspannung berücksichtigt. Das Gewicht wird entweder zur Federspannung addiert oder davon subtrahiert. In den meisten Anwendungen ist das Gewicht jedoch vernachlässigbar.) P2 = (S – P1(B – A))/A
Beispiel 1: A = 10 Zoll², B = 10 Zoll², S = 100 lb
Falls P1 = 10 psi: P2 = ((100 – 10(10 – 10))/10 = 10 psi
Falls P1 = 100 psi: P2 = ((100 – 100(10 – 10))/10 = 10 psi
Es tritt keine Änderung in P2 auf, wenn P1 von 10 auf 100 psi zunimmt.
Beispiel 2: A = 9 Zoll², B = 10 Zoll², S = 100 lb
Falls P1 = 10 psi: P2 = ((100 – 10(10 – 9))/9 = 10 psi
Falls P1 = 100 psi: P2 = ((100 – 100(10 – 9))/9 = 0 psi
P2 ändert sich von 10 psi auf 0 psi, wenn P1 von 10 psi auf 100 psi zunimmt. Offensichtlich ist es wichtig, dass die effektiven Flächen der Membran und der Scheibe gleich sind. Ansonsten nimmt die Genauigkeit ab.
9 zeigt ein Rückdruck-APCV zum Steuern des Einlassdrucks P1. Die Steuerscheibe 5 ist über der Sitzfläche 7 angeordnet. Die Strömungsrichtung ist im Vergleich zu den 1–8 entgegengesetzt. Der (strömungsaufwärtsseitige) Einlassdruck P1 wirkt auf die Steuerscheibe 5 und erzeugt zusammen mit der Feder eine nach oben gerichtete Kraft, die durch die durch den (höheren) Druck P3 über der Membran 10 erzeugte Kraft ausgeglichen wird. Wenn der Druck über der Membran niedriger ist als der Einlassdruck, wird die Feder stattdessen über der Membran angeordnet, so dass die Feder eine nach unten gerichtete Druckkraft ausübt. Der untere Teil der Steuerscheibe 5 weist einen optionalen Führungsstift 22 auf, der im Inneren einer Führungsbuchse 21 gleitet.
Für die Berechnung des Einlassdrucks P1 in 9 gilt:

P1 = (P3 × A – S)/A = P3 – S/A

10 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 6, jedoch detaillierter. Um eine größere Durchflussrate zu ermöglichen, muss die Steuerscheibe 5 sich von der Sitzfläche 7 weg bewegen. Dadurch wird die Feder 8 gedehnt, wodurch die Federkraft abnimmt. Eine kleinere Federkraft führt zu einer Verminderung des Auslassdrucks P2. Um die Änderung zu reduzieren, sollte eine Feder mit einer relativ kleinen Federkonstanten verwendet werden, weil ihre Kraft für eine bestimmte Dehnung in geringerem Maße abnimmt. Um die erforder liche Federkraft zu erzeugen, ist eine lange zylindrische oder Zylinderfeder erforderlich. Alternativ kann eine konische oder Kegelfeder 8 mit einer linearen Kennlinie verwendet werden. Sie erfordert nur einen geringen Installationsraum, weil sie ziemlich lang hergestellt und dann derart zusammengedrückt werden kann, dass sie relativ flach ist und weiterhin eine kleine Federkonstante bereitgestellt wird.
11 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 3, jedoch detaillierter. Die Membran 10 wird durch eine geregelte Druckquelle 14 vorgespannt. Der Auslassdruck P2 wird im wesentlichen den gleichen Wert annehmen wie der Druck P3 in der Membrankammer 12.
Durch eine Vorspannung durch einen geregelten Druck wird vorteilhaft unabhängig von der Bewegung der Steuerscheibe 5 die gleiche Kraft von der Membran erhalten. Infolgedessen wird der Auslassdruck nicht vom erforderlichen Öffnungsgrad der Steuerscheibe 5 beeinflusst.
Um eine gute Regelung zu erhalten, gemäß der der Auslassdruck P2 durch den Einlassdruck P1 nicht beeinflusst wird, muss die Steuerscheibe 5 entlang einer dünnen und gut definierten Kontaktlinie mit der Sitzfläche 7 in Kontakt stehen. Ansonsten wird die effektive Fläche sich ändern, wenn die Steuerscheibe 5 sich bewegt.
Beispielsweise wird, wenn sowohl die Sitzfläche 7 als auch die Steuerscheibe 5 unter dem gleichen Winkel ausgebildete Kegelflächen aufweisen (wie ein Ventil und eine Sitzfläche in einem Fahrzeugmotor), die Kontaktlinie ziemlich breit sein. Der Kontaktdruck wird gering sein, und das Ventil wird so lange nicht dicht schließen, bis der Auslassdruck wesentlich über den Einstellpunkt angestiegen ist.
Die Kontaktlinie ist die Oberfläche eines Kegelstumpfs, der einen kleinen und einen großen Durchmesser aufweist. Wenn das Ventil geschlossen ist, ist die effektive Fläche der Steuerscheibe 5 durch den kleineren Durchmesser be stimmt. Wenn die Steuerscheibe 5 sich von der Sitzfläche 7 weg bewegt, basiert die effektive Fläche auf einem Durchmesser, der irgendwo zwischen dem kleinen und dem großen Durchmesser variiert. Dadurch wird eine minderwertige Druckregelung erhalten.
Die geometrischen Formen der in den verschiedenen Figuren dargestellten Sitzflächen und Steuerscheiben stellen nur einige Beispiele der verwendbaren geometrischen Formen dar. Beispielsweise können zwei Kegelflächen verwendet werden, so lange ihre Winkel am Kontaktpunkt verschieden sind. Um eine geeignete Genauigkeit zu erhalten, ist es wichtig, dass die beiden Flächen entlang einer gut definierten dünnen Linie in Kontakt stehen.
12 zeigt ein zum Regeln eines Flüssigkeitspegels in einem Speicherbehälter, z.B. in einem Toilettenspeicherbehälter 25, verwendetes APCV.
Das APCV ist in der Nähe des Bodens des Speicherbehälters 25 verbunden 26, der einen Deckel 30 aufweist. Eine Stange 28 erstreckt sich durch den Deckel zu einem Ventil 27 am Boden des Speicherbehälters.
Die Feder 8 erzeugt die Kraft zum Ausgleichen des Flüssigkeitsdrucks unter der Steuerscheibe 5 auf einen einem vorgegebenen Pegel entsprechenden Druck.
Der Speicherbehälter wird durch vorübergehendes Öffnen des Ventils 27 geleert. Der Druck unter der Steuerscheibe 5 nimmt ab, so dass die Steuerscheibe öffnet. Der Speicherbehälter wird durch das APCV gefüllt. Die Steuerscheibe schließt, wenn der Druck einem vorgegebenen Druckwert entspricht.
Durch Hinzufügen eines optionalen Magneten 23 zum APCV wird die Regelungsfunktion verbessert. Das APCV wird mit einer Hysterese arbeiten und dicht schließen.
Der Speicherbehälter 25 weist ein Überlaufrohr 29 auf, für den Fall, dass das APCV ausfällt.
Die Membrankammer 12 ist durch ein kleines Rohr 24 mit dem Boden des Ventils 27 verbunden. Dadurch werden jegliche Leckverluste von der Membran 10 abgeleitet.
Das APCV kann den Flüssigkeitspegel in einem geschlossenen Speicherbehälter durch Verbinden des kleinen Rohrs mit der Oberseite des Speicherbehälters regeln.
13 zeigt das APCV, das an einer Höhe etwas unterhalb des gewünschten Flüssigkeitspegels angeordnet ist. Vom Auslass 3 erstreckt sich ein Saugrohr 32 zum Boden des Speicherbehälters 25. Die Feder 8 ist im Vergleich zur in 12 dargestellten Feder klein (oder eliminiert).
Wenn der Speicherbehälter 25 geleert wird, fällt der Druck im Saugrohr 32 unter den Atmosphärendruck ab. Die Steuerscheibe 5 öffnet.
Wenn der Speicherbehälter gefüllt wird, nimmt der Druck im Saugrohr 32 zu, und wenn der Pegel sich dem gewünschten Pegel nähert, beginnt die Feder zusammengedrückt zu werden, woraufhin die Magnetkraft zunimmt und das APCV schließt.
Durch den Magnet 33 wird die Regelungsfunktion verbessert. Durch den Magnet wird eine Hysterese eingeführt. Wenn der Flüssigkeitspegel beginnt abzunehmen, hält der Magnet 33 die Steuerscheibe 5 durch die auf den Schaft wirkende Anziehungskraft geschlossen. Schließlich nimmt der Pegel derart ab, dass die Magnetkraft überwunden wird und die Steuerscheibe öffnet. Wenn der Pegel ansteigt, hält die Feder 8 die Steuerscheibe offen, bis der Pegel ausreichend hoch ist, so dass die Steuerscheibe, die Membran und der Schaft beginnen, sich nach oben zu bewegen. Dann zieht die magnetische Anziehungskraft den Schaft nach oben, und das Ventil schließt, wodurch eine zwangsweise Absperrung erhalten wird.
Der Magnet 33 ist optional, aber ohne den Magnet erfolgt die Absperrung graduell statt zwangsweise.
Das System wird nicht arbeiten, solange das Saugrohr 32 nicht mit Flüssigkeit gefüllt ist. Durch Herunterdrücken ei nes durch eine Feder vorgespannten Druckknopfes 34 wird das Ventil unverzüglich geöffnet, und Luft wird aus dem Saugrohr entleert.
Eine Schale 31 am Ende des Saugrohrs 32 verhindert, dass Luft in das Saugrohr eintritt, wenn der Flüssigkeitspegel niedrig ist.
In den 12 und 13 sollte der Wasserzufuhrdruck relativ konstant sein, weil der Pegel ansonsten durch Einlassdruckänderungen beeinflusst werden kann. Gegebenenfalls sollte ein zusätzlicher Druckregler verwendet werden.
14 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines PICV, das aus einem Regelventil und einem ADPCV besteht.
Die Fluidströmung tritt von links über einen Anschluß 35 ein und durchläuft zunächst ein Regelventil 36 und dann ein ADPCV, bevor sie aus dem Auslass 3 austritt.
Das ADPCV ist vom gleichen Typ wie das in 9 dargestellte Ventil, es hat jedoch nicht den Atmosphärendruck als Referenzdruck, sondern stattdessen ist der Anschluß 9 durch ein Rohr 13 mit einer Stelle unmittelbar strömungsaufwärts vom Regelventil 36 verbunden. Daher ist es kein APCV, sondern ein ADPCV. BEACHTE! Es ist strömungsabwärts vom Regelventil 36 angeordnet.
Das ADPCV steuert seinen Druck P1 am Einlass 2 auf einen Wert, der dem Druck P3 unmittelbar strömungsaufwärts vom Regelventil 36 abzüglich der Federkraft S, geteilt durch die effektive Membranfläche A gleicht.
Der Differenzdruck über das Regelventil 36 entspricht der Differenz zwischen den Drücken P3 und P1 und wird durch das ADPCV auf einem konstanten Wert gehalten.
Mit einem konstanten Differenzdruck über das Regelventil 36 entspricht jeder Öffnungsgrad einer spezifischen Durchflussrate, unabhängig von Druckänderungen zwischen dem Einlass des Regelventils 35 und dem Auslass 3 des ADPCV.
Das Regelventil 36 weist ein Stellglied 37 auf, das manuell oder automatisch betätigbar ist und auf Steuersignale anspricht.
15 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 14, jedoch detaillierter. Das Regelventil und das ADPCV sind zusammen in einem Körper 1 installiert.
Das Regelventil ist ein Kugelventil. Es weist eine zwischen zwei Sitzflächen 38 schwebende bzw. aufgehängte Kugel 39 auf. Sie wird durch einen Schaft 41, der durch einen O-Ring 40 gedichtet ist, im Winkelbereich von 0 bis 90 Grad betätigt. Eine optionale charakterisierende Scheibe 43 (vgl. z.B. US-Patent Nr. 6039304) bestimmt die Durchfluss- oder Strömungscharakteristiken.
Die Steuerscheibe 5 ist als Schale ausgebildet, deren Öffnung gegen die Unterseite der Sitzfläche 7 nach oben weist. Die Öffnung hat einen zugespitzten Rand und ist nach außen erweitert, so dass ihre Fläche der effektiven Membranfläche gleicht.
Eine Membran 10 liegt an der Steuerscheibe 5 und einem Zylinder 45 an.
Eine Feder 8 drückt gegen die Unterseite der Steuerscheibe 5.
Die Membran ist eine Rollmembran mit eine Wulst bzw. einem Kragen. Der Abstand zwischen der Wulst bzw. dem Kragen und der Sitzfläche ist um eine Strecke "C" kleiner als der Abstand zwischen der Unterseite der Steuerscheibe und der Sitzfläche. Dadurch wird die Steuerscheibe 5 tendenziell so stabilisiert, dass sie nach oben gegen die Sitzfläche 7 weist.
Die Kugel 39 weist ein kleines Loch 44 auf, das sich nach unten zu einem Verbindungskanal 13 erstreckt, der zur Membran 10 führt. Dadurch kommuniziert der Druck P3 im Inneren der Kugel 39, der auch den Druck vor der charakterisierenden Scheibe 43 darstellt, mit der Membran 10.
Der Druck P1 am Einlass 2 wird auf einen Wert geregelt, der dem Druck P3 unmittelbar vor der charakterisierenden Scheibe 43 abzüglich der Federkraft S, geteilt durch die effektive Membranfläche A gleicht.
Der Differenzdruck über die charakterisierende Scheibe 43 entspricht der Differenz zwischen den Drücken P3 und P1 und wird durch das ADPCV auf einem konstanten Wert gehalten.
Für jeden Öffnungsgrad der Kugel 39 wird unabhängig von Druckänderungen zwischen dem Einlass 35 des Regelventils und dem Auslass 3 des RDPCV eine spezifische Durchflussrate aufrechterhalten (so lange der Einlassdruck größer ist als ein von der Federspannung abhängiger Minimalwert).
Durch das kleine Loch 44 in der Kugel 39 wird das Erfordernis für eine Verbindung des Kommunikationskanals 13 mit einem Punkt strömungsaufwärts von der Kugel 39 eliminiert. Dadurch wird eine Verbindung über den Nippel am Einlass 35 vermieden. Der Nippel wird in den Körper 1 geschraubt, wobei es sehr schwierig wäre, einen Kanal im Nippel mit dem Kanal 13 im Körper 1 exakt auszurichten.
Die Spannung der Feder 8 ist durch eine Schraube 42 einstellbar. Dadurch wird der Soll- oder Einstellwert des Differenzdrucks des ADPCV eingestellt. Durch einen höheren Einstellwert nimmt die Durchflussrate zu.
16 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines PICV, das ein mit einem ADPCV in Serie geschaltetes Regelventil aufweist. Das ADPCV ist strömungsaufwärts vom Regelventil angeordnet und hält einen konstanten Differenzdruck über das Regelventil 36 aufrecht.
Die Fluidströmung tritt von links über die Verbindung 2 ein und durchläuft zunächst das ADPCV und dann das Regelventil 36, ehe sie aus dem Auslass 35 austritt.
Das ADPCV ist von dem in 7 dargestellten Typ, es hat jedoch nicht den Atmosphärendruck als Referenzdruck, sondern stattdessen ist die Verbindung 9 über ein Rohr 13 mit einer Stelle unmittelbar strömungsabwärts vom Regelventil 36 verbunden. Daher ist das Ventil kein APCV, sondern ein ADPCV. BEACHTE! Das ADPCV ist unmittelbar strömungsaufwärts vom Regelventil 36 angeordnet.
Das ADPCV steuert seinen Auslassdruck P2 auf einen Wert, der dem Druck P3 unmittelbar strömungsabwärts vom Regelventil 36 zuzüglich der Federkraft S, geteilt durch die effektive Membranfläche A, gleicht.
Der Differenzdruck über das Regelventil 36 entspricht der Differenz zwischen den Drücken P1 und P3 und wird durch das ADPCV auf einem konstanten Wert gehalten.
Mit einem konstanten Differenzdruck über das Regelventil 36 entspricht jeder Öffnungsgrad unabhängig von Druckänderungen zwischen dem Einlass 2 des ADPCV und dem Auslass 35 des Regelventils 36 einer spezifischen Durchflussrate.
Das Regelventil 36 weist ein Stellglied 37 auf, das manuell oder automatisch betätigbar ist und auf Steuersignale anspricht.
17 zeigt die gleiche Ansicht wie 16, jedoch detaillierter. Das ADPCV ist als eine Einheit konstruiert, die in eine Vertiefung im Körper 1 eingesetzt wird. Dadurch kann das ADPCV vollständig vom Körper 1 entfernt werden. Die ADPCV-Einheit ist demontierbar und kann ersetzt oder für Wartungs- oder Reinigungszwecke entnommen werden.
Die Kugel 39 weist ein kleines Loch 44 auf, das die sich durch die Kugel 44 erstreckende Öffnung mit dem Hohlraum zwischen der Kugel und dem Körper verbindet. Ein Kanal verbindet den Hohlraum mit der Membran 10.
Es kann eine charakterisierende Scheibe verwendet werden. Wenn sie eliminiert ist, sollte die Kugel derart dimensioniert sein, dass sie einen geeigneten Strömungswiderstand bereitstellt, beispielsweise einen Druckabfall von 2 psi bei 6 GPM für ein 1/2''-PICV, was einer Durchflusskapazität CV = 4,24 entspricht. Die Feder 8 wird derart eingestellt, dass das ADPCV bei 2 psi arbeitet.
18 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 17, jedoch mit einigen Modifikationen.
Um Platz zu sparen, wird eine konische oder Kegelfeder 8 verwendet. Ein Verschluß 46, der die Öffnung für die ADPCV-Einheit verschließt, weist eine Entlüftung 47 auf. Dadurch wird eingeschlossene Luft vom Mebranbereich entfernt.
Die Durchflusskapazität der Kugel ist vermindert, ohne dass eine charakterisierende Scheibe verwendet wird. Dies wird erreicht, indem die Kugel 39 in einer geneigten Position angeordnet wird, so dass die Kugel immer betätigt wird, während ihr Fluidströmungsdurchlass unter einem Winkel angeordnet ist, der von einer Senkrechten zur Drehachse der Kugel verschieden ist.
Der Schaft 41, der die Kugel 39 dreht, weist einen flügel- oder lamellenförmigen Ansatz auf, der in eine Nut in der Kugel paßt. Um die Kugel in einer geneigten Position zu betätigen, sollte die Nut unter einem Winkel ausgebildet sein, die bezüglich der Senkrechten zur sich durch die Kugel erstreckenden Öffnung verschieden ist.
19 zeigt eine Detailansicht der Kugel 39. Eine Seite 50 der Kugel 39 ist abgeflacht. Daher wird diese Seite auch dann offen sein, wenn die gegenüberliegende Seite gerade beginnt gegen die Sitzfläche zu schließen. In 18 ist die Strömungsabwärtsseite der Kugel abgeflacht. Dadurch wird gewährleistet, dass die Strömungsaufwärtsseite der Kugel zuerst schließt. Die Kugel muss nur leicht abgeflacht sein.
Anstatt die Seite abzuflachen, kann die sich durch die Kugel erstreckende Öffnung an einer Seite etwas breiter ausgebildet sein. Alternativ kann in der Seite der strömungsabwärtsseitigen Öffnung eine Nut oder Kerbe ausgebildet sein.
An der Unterseite der Kugel 39 ist ein Loch 44 ausgebildet. Dadurch wird eine Kommunikation zwischen dem Innen raum der Kugel und dem sie umgebenden Hohlraum bereitgestellt. Der Hohlraum ist über einen Kanal mit der Membran 10 verbunden.
Die Nut 48 steht mit einem flügel- oder lamellenförmigen Ansatz am Ende des Schafts 41 in Eingriff. Das Loch 44 kann eliminiert werden, wenn die Nut 48 in die Öffnung der Kugel 39 durchgebrochen wird.
"Alternative A" zeigt die Nut 48 in einer senkrechten Normalposition.
"Alternative B" zeigt die Nut 48 in einer versetzten Position, wodurch die Kugel 39 schräg oder geneigt ausgerichtet wird.
20 zeigt eine APCV- oder ADPCV-Anordnung. Die Membran 10 ist eine Rollmembran und liegt an einer Halterung 11 an. Die Außenseite liegt an einem Ring 58 mit einer zylindrischen Innenfläche an. Der Ring hat eine ringförmige Vertiefung für einen um den Umfang der Membran 10 ausgebildeten Wulst.
Der Ring 58 und die Membran sind durch einen ringförmigen Körper 54 an einem Ende eines rohrförmigen Körpers 52 befestigt. Der ringförmige Körper 54 hält außerdem die Feder 8. Die Oberseite weist Seitenöffnungen 57 auf, so dass der Druck des Regelventils die Membran erreichen kann.
Das gegenüberliegende Ende des rohrförmigen Körpers 52 weist eine Sitzfläche 7 auf, gegen die die Steuerscheibe 5 arbeitet. Der rohrförmige Körper 52 weist in den Seiten Öffnungen 53 für eine Fluidströmung auf.
Zwischen der Steuerscheibe und der Sitzfläche kann eine Scheibe 50 aus einem halbelastischen Material angeordnet sein.
Der Schaft 6 ist über eine Wellenfeder 51 an der Steuerscheibe 5 befestigt. Dadurch wird die Kraft reduziert, mit der die Steuerscheibe gegen die Sitzfläche drücken kann, weil die Bewegung des Schafts 6 durch einen (in 22 als Verschluß 46 dargestellten) Anschlag begrenzt wird.
Die Anordnung ist durch O-Ringe 52 und 59 gegen die Vertiefung des Körpers gedichtet.
21 zeigt eine APCV- oder eine ADPCV-Anordnung, in der an Stelle einer Membran ein Kolben 4 verwendet wird.
22 zeigt eine ähnliche Ansicht wie die 17 und 18, außer dass das Regelventil ein Kugelventil in "Top-Entry"-Bauweise ist. Daher ist der Ventilkörper als eine Einheit ohne Nippel ausgebildet. Der Druckkanal 13 verbindet die Membran 10 mit der Strömungsabwärtsseite des Regelventils.
Die Vertiefung für die ADPCV-Anordnung 62 ist durch einen Verschluß abgedeckt, der durch einen Haltering gesichert werden kann. Die kegelförmige Vertiefung für die Top-Entry-Kugel 39 und die Sitzflächen 63 ist durch eine Abdeckung 63 abgedeckt, die durch Schrauben 65 befestigt ist.
23 zeigt eine APCV- oder ADPCV-Anordnung in einem Y-förmigen Körper. Die Anordnung ist als Einsatz konstruiert, der zur Verwendung in einem Y-förmigen Körper geeignet ist.
Aufgrund des verfügbaren Raums kann eine zylindrische Feder 8 verwendet werden, die gegen die Steuerscheibe 5 und eine Halterung 66 drückt.
24 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines PICV. Das Regelventil ist ein Durchgangsventil. Das ADPCV ist strömungsaufwärts vom Regelventil angeordnet und regelt den Differenzdruck über das Regelventil.
Die Membran 10 des ADPCV ist über einen Kanal 13 mit der Strömungsabwärtsseite des Regelventils 68 verbunden. Eine Feder 69 ist zwischen dem Verschluß 68 des Durchgangsventils und der Steuerscheibe 5 des ADPCV angeordnet. Die Spannung der Feder 69 ist von der Position des Verschlusses 68 abhängig und bestimmt den Einstellwert des ADPCV. Wenn der Verschluß 68 sich zur Sitzfläche 70 hin bewegt und der Öffnungsgrad reduziert wird, wird die Feder 69 zusammengedrückt. Ihre Kraft ist der Kraft der Hauptfeder 8 entgegengesetzt, so dass das ADPCV mit einem geringeren Differenzdruck über das Regelventil arbeiten wird.
Der variable Differenzdruck modifiziert die Ventilcharakteristik des Durchgangsventils. Außerdem wird der Regelbereich bzw. das Stellverhältnis verbessert, weil der Druck reduziert wird, wenn das Ventil schließt.
Der Verschluß 68 kann einen konturierten Körper aufweisen, um eine spezifische Charakteristik zu erhalten, z.B. eine lineare oder eine gleichprozentige Charakteristik. Alternativ kann der Verschluß 68 eine flache Scheibe sein, durch die eine inhärente "schnellöffnende" Charakteristik erhalten wird. Die inhärente Charakteristik wird jedoch durch den durch die Feder 69 erzeugten variablen Differenzdruck modifiziert.
Die Feder 69 kann eine lineare Charakteristik oder eine nichtlineare (z.B. eine exponentielle) Charakteristik aufweisen, um eine spezifische Charakteristik zu erzeugen.
Der Differenzdruck kann über ein herkömmliches Regelventil auf sehr hohe Werte ansteigen, so dass zum Betätigen des Ventils eine ziemlich hohe Kraft erforderlich ist.
Ein weiterer Vorteil eines derartigen PICV ist, dass im Vergleich zu einem herkömmlichen Regelventil in vielen Fällen ein kleineres und kostengünstigeres Stellglied ausreichend ist. Der Grund hierfür ist, dass der Differenzdruck über das Regelventil auf einen Wert geregelt wird, der niedriger ist als der gesamte Differenzdruck über das PICV. Daher ist die zum Betätigen des Verschlusses 68 im PICV erforderliche Kraft im Vergleich zu einem ähnlichen Verschluß in einem herkömmlichen Regelventil ziemlich klein.
25 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 24, jedoch detaillierter. Das ADPCV 62 ist in der Form eines Einsatzes konstruiert, der in eine Vertiefung unter der Sitzfläche 70 des Durchgangsventils paßt.
In der Vertiefung ist ein rohrförmiger Körper 71 eingepaßt, in dessen Seite Durchfluss- oder Strömungsöffnungen 72 ausgebildet sind.
Die Vertiefung im Körper 1 ist durch einen Verschluß 46 abgedeckt.
26 zeigt ein PICV mit dem APCV von 23, das als ADPCV verwendet wird und durch eine Rohrleitung mit einem Regelventil verbunden ist. Die Membran des ADPCV ist über ein externes Rohr 13 mit der Strömungsabwärtsseite des Regelventils verbunden.
27 zeigt das PICV 75 von 26, das zum Regeln des Durchflusses von kaltem oder heißem Wasser durch eine Wärmetauschervorrichtung 78 verwendet wird.
28 zeigt das APCV von 23, das als ADPCV 1 und 62 zum Regeln des Differenzdrucks zwischen einer Zufuhrleitung 77 zu und einer Rückflussleitung 76 von einer Gruppe von Wärmetauschervorrichtungen 78 verwendet wird.
Es werden normale Regelventile 84 verwendet. Weil der Differenzdruck zwischen der Zufuhr- und der Rückflussleitung geregelt wird, sind die Drückänderungen über die Regelventile 84 auf den Druckabfall über die Wärmetauschervorrichtungen 78 begrenzt.
29 zeigt ein PICV des gleichen Typs wie in 26, außer dass es durch einen Griff 80 manuell einstellbar ist. Die Position des Griffs 80 wird durch einen Zeiger 81 und eine Skalenscheibe 82 dargestellt.
30 zeigt ein APCV, das zum Regeln des Drucks in Klimaanlagen verwendet wird. Es wird der Druck am Auslass 3 geregelt. Es wird eine Druckfeder 8 verwendet, die eine nach unten gerichtete Druckkraft ausübt, die sich zum Gewicht der Membran 10, des Schafts 6 und der Steuerscheibe 5 addiert. Der Druck am Auslass ist der kombinierten Kraft aus dem Ge wicht und der Federkraft, geteilt durch die Fläche der Steuerscheibe 5 gleich. Die Feder 8 kann eliminiert werden, um eine Regelung bei einem niedrigeren Druck zu ermöglichen.
31 zeigt ein ADPCV, das zum Regeln des Drucks in Klimaanlagen verwendet wird. Es wird der Druck am Auslass 3 geregelt. Die Steuerscheibe 5 ist kegelförmig ausgebildet. Es wird eine Zugfeder 8 verwendet. Sie zieht mit einer Kraft nach oben, die kleiner ist als das Gewicht der Steuerscheibe, der Membran und des Schafts. Das Gewicht, abzüglich der Federkraft, geteilt durch die Fläche der Steuerscheibe, ist dem Auslassdruck gleich, der auf sehr kleine Werte regelbar ist.
32 zeigt das APCV von 30, das als ADPCV zum Regeln des Differenzdrucks über einen strömungsabwärtsseitig angeordneten Luftpuffer 83 verwendet wird. Dadurch ist der Durchfluss von strömungsaufwärtsseitigen und strömungsabwärtsseitigen Druckänderungen im Rohrleitungssystem unabhängig. Dieser Ventiltyp ist ein PICV für einen Luftdurchfluss.
33 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 32, außer dass der Luftpuffer 83 strömungsaufwärtsseitig vom ADPCV angeordnet ist. Bei diesem Ventiltyp ist die Steuerscheibe 5 über der Sitzfläche 7 angeordnet.
Der folgende Sachverhalt betrifft die 1, 2, 6–10, 12–18, 20–32. Die Federspannung bestimmt den Differenzdruck über das Regelventil, wodurch die maximale Durchflussrate bestimmt wird. Durch Bereitstellen einer Einrichtung zum Regeln der Federkonstante kann die maximale Durchflussrate eingestellt werden. Das bedeutet, dass eine gut definierte Beziehung zwischen dem Öffnungsgrad des Ventils und der Durchflussrate einstellbar ist.
Der folgende Sachverhalt betrifft ein PICV mit Stellglied.
Ein durch ein proportionales Stellglied betätigtes Ventil weist eine gut definierte Beziehung zwischen dem Steuersignal und dem Öffnungsgrad des Regelventils auf. Dadurch wird eine gut definierte Beziehung zwischen einem proportionalen Steuersignal (z.B. 2–10 VDC oder 4–20 mA) und der Durchflussrate erhalten.
Wenn ein mikroprozessorbasiertes Regelsystem verwendet wird, kann ein Korrekturtabelle auf das Steuersignal angewendet werden, um es in einen Durchflussschätzwert umzuwandeln. In einem Zentralprozessor können die Durchflussschätzwerte von allen Ventilen in Verbindung mit Graphiken dargestellt werden, die die Durchflussverteilung in einem hydroelektronischen System darstellen.
Wenn das Steuersignal ein sogenanntes "Three Point Floating"-Signal ist, kann das Steuersignal nicht direkt verwendet werden. Stattdessen können die Stellglieder Rückkopplungspotentiometer aufweisen, durch die ein Rückkopplungssignal für das mikroprozessorbasierte Regelsystem bereitgestellt wird. Das Rückkopplungssignal verwendet die vorstehend beschriebene Tabelle und wird in einen Durchflussschätzwert umgerechnet.
Der folgende Sachverhalt betrifft die vorliegende Erfindung insgesamt.
Die maximale Durchflussrate kann auch durch Begrenzen des Öffnungsgrades des druckunabhängigen Regelventils eingestellt werden. Ein Verfahren, um dies zu erreichen, besteht darin, das dem Stellglied zugeführte Steuersignal zu begrenzen. Ein anderes Verfahren besteht darin, einen einstellbaren Endanschlag bereitzustellen, so dass das Kugelventil nicht vollständig öffnet. In diesem Fall sollte jedoch ein Rückkopplungspotentiometer verwendet werden, wenn Information über die Durchflussrate erwünscht ist.
Der folgende Sachverhalt betrifft die vorliegende Erfindung insgesamt.
Obwohl vorstehend spezifische Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden sind, sind innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung Änderungen und Modifikationen möglich und können äquivalente Ausführungsformen implementiert werden.

Claims

Automatisches Druckregelventil zum Bereitstellen eines im wesentlichen konstanten Auslassdrucks unabhängig von Einlassdruckänderungen, mit: einem Ventilkörper (1) mit Verbindungen für eine Einphasenfluidleitung und einem Strömungskanal zwischen der Einlassverbindung (2) und der Aunlassverbindung (3) der Fluidleitung; eine quer zum Strömungskanal angeordneten Öffnung mit einer definierten Sitzmündung; einer beweglichen Anordnung, die eine Scheibe oder Schale (5) aufweist, die mit einem Druckerfassungselement verbunden ist, das eine Membran (10) aufweist und stromaufwärts von dem Sitz (7) angeordnet ist; wobei die Scheibe oder Schale (5) und das Druckerfassungselement im wesentlichen die gleiche effektive Oberfläche aufweisen; wobei das Druckerfassungselement im Inneren eines Zylinders oder einer Kammer arbeitet und ihn bzw. sie in zwei Abschnitte teilt, wobei ein Abschnitt mit dem Einlass (2) und der andere Abschnitt mit einem Referenzdruck kommuniziert; wobei die Scheibe oder Schale (5) stromabwärts von der Sitzmündung angeordnet ist, mit der sie wechselwirkt, um den Strömungswiderstand durch Bewegen zwischen einer geschlossenen und einer vollständig geöffneten Position zu ändern; wobei die bewegliche Anordnung durch eine Kraft vorgespannt ist und sich automatisch zu irgendeiner Zwischenposition zwischen der vollständig geöffneten und der geschlossenen Position bewegen kann, um einen gewünschten Auslassdruck zu erzeugen, der abzüglich des Referenzdrucks, multipliziert mit der effektiven Oberfläche der Scheibe oder Schale (5) eine der Vorspannkraft gleiche Gegenkraft erzeugt.
Automatisches Druckregelventil zum Bereitstellen eines im wesentlichen konstanten Einlassdrucks unabhängig von Auslassdruckänderungen, mit: einem Ventilkörper (1) mit Verbindungen für eine Einphasenfluidleitung und einem Strömungskanal zwischen der Einlassverbindung (2) und der Aunlassverbindung (3) der Fluidleitung; einer quer zum Strömungskanal angeordneten Öffnung mit einer Sitzmündung; einer beweglichen Anordnung, die eine Scheibe oder Schale (5) aufweist, die mit einem Druckerfassungselement verbunden ist, das eine Membran (10) aufweist und stromabwärts von der Sitzmündung (7) angeordnet ist; wobei die Scheibe oder Schale (5) und das Druckerfassungselement im wesentlichen die gleiche effektive Oberfläche aufweisen; wobei das Druckerfassungselement im Inneren eines Zylinders oder einer Kammer arbeitet und ihn bzw. sie in zwei Abschnitte teilt, wobei ein Abschnitt mit dem Auslass (3) und der andere Abschnitt mit einem Referenzdruck kommuniziert; wobei die Scheibe oder Schale (5) stromabwärts von der Sitzfläche angeordnet ist, mit der sie wechselwirkt, um den Strömungswiderstand durch Bewegen zwi schen einer geschlossenen und einer vollständig geöffneten Position zu ändern; wobei die bewegliche Anordnung durch eine Kraft vorgespannt ist und sich automatisch zu einer Zwischenposition zwischen der vollständig geöffneten und der geschlossenen Position bewegen kann, um einen gewünschten Einlassdruck zu erzeugen, der abzüglich des Referenzdrucks, multipliziert mit der effektiven Oberfläche der Scheibe oder Schale (5) eine der Vorspannkraft gleiche Gegenkraft erzeugt.
Automatisches Regelventil nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Federeinrichtung zum Vorspannen der beweglichen Anordnung.
Automatisches Regelventil nach Anspruch 1 oder 2, mit einem variablen Druck zum Vorspannen der beweglichen Anordnung.
Automatisches Regelventil nach Anspruch 1 oder 2, mit einer proportionalen elektromagnetischen Einrichtung zum Vorspannen der beweglichen Anordnung.
Automatisches Regelventil nach Anspruch 1 oder 2, mit einer magnetischen Einrichtung zum Vorspannen der beweglichen Anordnung.
Automatisches Regelventil nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Flüssigkeitssäule zum Vorspannen der beweglichen Anordnung.
Automatisches Regelventil nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Gewicht zum Vorspannen der beweglichen Anordnung.
Automatisches Regelventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gewicht der vorstehend erwähnten beweglichen Komponenten die bewegliche Anordnung vorspannt.
Automatisches Regelventil nach Anspruch 1 oder 2, mit einer beliebigen Kombination oder beliebigen Kombinationen der vorstehend erwähnten Vorspanneinrichtungen.
Automatisches Regelventil nach Anspruch 10, mit einem Ventilkörper, der eine den Strömungskanal kreuzende Vertiefung aufweist, und mit einer abnehmbaren Einheit, die mindestens eine Sitzmündung und eine bewegliche Anordnung aufweist.
Automatisches Regelventil nach Anspruch 10 oder 11, mit einem Mündungssitz, gegen den eine bewegliche Scheibe oder Schale wirkt und entlang einer dünnen Linie, wo eine Hauptfläche des Mündungssitzes und eine Oberfläche der beweglichen Scheibe oder Schale unter verschiedenen Winkeln aufeinandertreffen, in Kontakt kommen kann.
Automatisches Regelventil nach Anspruch 10 oder 11, mit einem Mündungssitz, gegen den eine Scheibe oder Schale wirkt und entlang einer dünnen Linie, wo die Oberfläche des Mündungssitzes und eine Oberfläche der Scheibe oder Schale aufeinander treffen können, in Kontakt kommen kann, wobei eine der Oberflächen einen zugespitzten Rand aufweist.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil zum Bereitstellen einer im wesentlichen konstanten Durchflussrate unabhängig von Änderungen eines Fluidleitungsdrucks, mit: einem Ventilkörper (1) mit einem Einlass (2) und einem Auslass (3), die einen Strömungskanal durch den Ventilkörper bilden; einer im Strömungskanal angeordneten regelbaren Drosseleinrichtung (36) zum Ändern der Querschnittsfläche des Strömungskanals; einer stromabwärts von der Drosseleinrichtung (36) quer zum Strömungskanal angeordneten Sitzmündung; einer beweglichen Anordnung mit einer Scheibe oder Schale (5), die mit einer Druckerfassungseinrichtung mit einer Membran (10) verbunden ist und durch diese betätigt wird; wobei die Scheibe oder Schale (5) stromabwärts von dem Sitz (7) angeordnet ist, mit dem sie wechselwirkt, um den Strömungswiderstand zu ändern; wobei die effektive Oberfläche der Scheibe oder Schale (5) der effektiven Oberfläche der Druckerfassungseinrichtung im wesentlichen gleicht; wobei die Druckerfassungseinrichtung im Inneren eines Zylinders oder einer Kammer arbeitet, den bzw. die sie in zwei Abschnitte teilt, wobei ein Abschnitt mit dem Auslass (3) und der andere Abschnitt über einen Referenzdruckkanal (13) mit einer Stelle stromaufwärts von der Drosseleinrichtung (36) verbunden ist; wobei die bewegliche Anordnung durch eine Federeinrichtung (8) vorgespannt ist und sich automatisch zu irgendeiner beliebigen Zwischenposition zwischen einer vollständig geöffneten und einer geschlossenen Position bewegen kann, um einen gewünschten Auslassdruck zu erzeugen, der abzüglich des Referenzdrucks, multipliziert mit der effektiven Oberfläche der Scheibe oder Schale (5), eine der Federvorspannkraft gleiche Gegenkraft erzeugt.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil zum Bereitstellen einer im wesentlichen konstanten Durchflussrate unabhängig von Änderungen eines Fluidleitungsdrucks, mit: einem Ventilkörper (1) mit einem Einlass (2) und einem Auslass (3), die einen Strömungskanal durch den Ventilkörper bilden; einer im Strömungskanal angeordneten regelbaren Drosseleinrichtung (36) zum Ändern der Querschnittsfläche des Strömungskanals; einer stromaufwärts von der Drosseleinrichtung (36) quer zum Strömungskanal angeordneten Sitzmündung; einer beweglichen Anordnung mit einer Scheibe oder Schale (5), die mit einer Druckerfassungseinrichtung verbunden ist und durch diese betätigt wird; wobei die Scheibe oder Schale (5) stromabwärts von dem Sitz (7) angeordnet ist, mit dem sie wechselwirkt, um den Strömungswiderstand zu ändern; wobei die effektive Oberfläche der Scheibe oder Schale (5) der effektiven Oberfläche der Druckerfassungseinrichtung im wesentlichen gleicht; wobei die Druckerfassungseinrichtung im Inneren eines Zylinders oder einer Kammer arbeitet, den bzw. die sie in zwei Abschnitte teilt, wobei ein Abschnitt mit dem Einlass (2) und der andere Abschnitt über einen Referenzdruckkanal (13) mit einer Stelle stromabwärts von der Drosseleinrichtung (36) verbunden ist; wobei die bewegliche Anordnung durch eine Federeinrichtung (8) vorgespannt ist und sich automatisch zu irgendeiner Zwischenposition zwischen einer vollständig offenen und einer geschlossenen Position bewegen kann, um einen gewünschten Einlassdruck zu erzeugen, der abzüglich des Referenzdrucks, multipliziert mit der ef fektiven Oberfläche der Scheibe oder Schale (5), eine der Federvorspannkraft gleiche Gegenkraft erzeugt.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 14 oder 15, mit einem Ventilkörper, der eine den Strömungskanal kreuzende Vertiefung aufweist, und mit einer abnehmbaren Einheit, die mindestens eine Sitzflächenöffnung und eine bewegliche Anordnung aufweist.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 14 oder 15, wobei als regelbare Drosseleinrichtung ein Tellerventil verwendet wird.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 17, wobei als regelbare Drosseleinrichtung ein Tellerventil verwendet wird, und wobei zwischen seinem Ventilstopfen und der Scheibe oder Schale der beweglichen Anordnung eine Feder angeordnet ist, welche die Federspannung der beweglichen Anordnung bezüglich der Position des Ventilstopfens ändert.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 14 oder 15, wobei als regelbare Drosseleinrichtung ein Kugelventil verwendet wird.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 19, mit einer Kugel mit einer Bohrung, deren Längsachse sich unter einem Winkel erstreckt, der von einer Senkrechten zu ihrer Drehachse verschieden ist.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 19, wobei der Druck im Inneren der Bohrung der Kugel mit der Druckerfassungseinrichtung der beweglichen Anordnung kommuniziert.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 19 oder 20, mit einer charakterisierenden Scheibe in der Bohrung der Kugel oder in der Sitzfläche.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 19, mit einem einstückigen Körper, in dem eine von oben eingeführte Kugel verwendet wird.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 19, mit einer Kugel mit mindestens einer charakterisierenden Scheibe in der Bohrung der Kugel und/oder in der Sitzfläche.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 19, wobei die Kugel oder der Sitz eine besonders geformte Öffnung für die Fluidströmung aufweist.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Feder eine Einrichtung zum Einstellen der Federspannung aufweist.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 26, wobei die Feder eine Einrichtung zum externen Einstellen der Federspannung aufweist.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 14 oder 15, wobei ein Griff für eine manuelle Einstellung an dem Schaft befestigt ist.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 14 oder 15, mit einem Stellglied zum Betätigen des Schafts in Antwort auf Steuersignale.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 28 oder 29, mit einem Zeiger und einer in Einheiten der Durchflussrate eingeteilten Skala.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 14 oder 15, mit einer Einstelleinrichtung zum Begrenzen der Bewegung des Stamms.
Druckunabhängiges Fluiddurchflussregelventil nach Anspruch 14 oder 15, mit einem Stellglied zum Betätigen des Schafts, wobei das Stellglied eine Einstelleinrichtung zum Begrenzen der Bewegung des Schaft aufweist.