DE3150117A1 - Durchflussmengenregler fuer fluessige und bzw. oder gasfoermige stoffe - Google Patents

Description

• Durchflußmengenregler für flüssige und bzw. oder gasförmige
• Stoffe.
• Die Erfindung betrifft einen Durchflußmengenregler für flüssige und bzw. oder gasförmige Stoffe mit einem vom Hauptstrom durchströmten festen oder extern verstellbaren Strömungswiderstand und einer durch die an diesem Strömungswiderstand herrschenden Druckdifferenz beaufschlagten Membrane, welche in Abhängigkeit von dieser Druckdifferenz einen zweiten, veränderbaren, ebenfalls vom zu regelnden Stoff durchströmten Strömungswiderstand so verändert, daß die Durchflußmenge unabhängig von der Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgang konstant oder nahezu konstant oder in einer gewünschten Weise verändert wird.
• Verwendet werden soll der Durchflußmengenregler allgemein zur Regelung von Durchflußmengen flüssiger und bzw. oder gasförmiger Stoffe, insbesondere von Stoffen ohne Schmiereigenschaft und bzw0 oder aggressiven Stoffen sowie zur Regelung der Stoffmengen für die Versorgung von hydrostatischen oder aerostatischen Lagerungen0 Zweck der Erfindung ist es, einen Durchflußmengenregler zu schaffein, welcher klein und billig gebaut werden kann, hysterese- und verschleißfrei arbeitet, auch mindestens leicht verschmutzte Stoffe regeln kann und dessen Durchfluß je nach Dimensionierung bei steigendem Differenzdruck über den Mengenregler alternativ wie bei bekannten Mengenreglern leicht ansteigt, konstant oder nahezu konstant bleibt oder leicht bzw. stark abfällt, wobei letztere Eigenschaft besonders für die Versorgung der Lagertaschen hydrostatischer oder aerostatischer Lagerungen von Vorteil ist0 Bei bekannten Durchflußmengenreglern wird der Differenzdruck über einen festen oder extern verstellbaren Strömungswiderstand durch Differensdruckregler geregelt, für welche ein in einer genau bearbeiteten Bohrung gleitender präziser Kolben verwendet wird, Solche Durchflußmengenregler und Ihre Funktion sind einziehend in Untersuchungen an Drosselventilen für ölhydraulische Steuerungen an Werkzeugmaschinen (2.Teil), Verfasser Hans Schlayer aus Das Industrieblatt, Bd. 62 (1962) NrO 5, Seite 275 - 286 beschrieben.
• Durchflußmengenregler für flüssige und.bzw, oder gasförmige Stoffe Weiter ist in "Werkzeugmaschinen" Band 2, Verfasser Manfred Weck, VDI-Verlag, Seite 142 - 144 die Verwendung einer Nembrane zum Bau einer lastabhängigen Drossel beschrieben, Da diese Drossel aber nur zur Kompensation unterschiedlicher Belastungen von hydrostatischen Lagerungen verwendet werden und nicht zum Regeln des Differenzdruckes über einen Steuerungswiderstand, stehen die in oben genanntem Buch gemachten Ausführungen dem Schutz der Verwendung einer Membrane zur Differenzdruckregelung innerhalb einem Nengenregler nicht im Wege, Oben beschriebene bekannte DurchfluBmengenregler sind - aufgrund der Kolbenreibung hysteresebehaftet - der zu regelnde Stoff muß ein Mindestmaß an Schmierwirkung besitzen - der Stoff muß gut gefiltert sein - aufgrund der relativ großen Masse des Regelkolbens und der großen Regelwege treten bei sprunghafter Änderung des Differenzdruckes zwischen Ein- und Ausgang und bei Durchflußbeginn (Anfahren) Unstetigkeiten auf (Anfahrsprung) - je nach Reinheit und Schmierwirkung des zu regelnden Stoffes besteht die Gefahr des Festfressens des Regelkolbens und damit die Gefahr der Zerstörung des Mengenreglers und unter Umständen nachgeschalteter Anlagen - die Durchflußmenge solcher Regler sinkt bei fallendem Differenzdruck über den Regler aufgrund der Federkennlinie der Differenzdruckfeder ab - aufgrund der notwendigen präzisen Fertigung der Bohrung und des Regelkolbens für die Differenzdruckregelung sind solche Regler relativ teuer - und relativ groß.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmengenregler zu schaffen, welcher - nahezu hysteresefrei und verschleißfrei arbeitet - Stoffe ohne jede Schmierwirkung regeln kann - zumindest weniger anfällig gegen verschmutzte Stoffe wie bisher bekannte Durchflußmengenregler ist - geringste Einregelzeiten und nahezu keinen Anfahrsprung aufweist Durchflußemengenregler für flüssige und bzw. oder gasförmige Stoffe nicht durch mangelnde Schmierwirkung des zu regelnden Stoffes oder verunreinigte Stoffe verschleißen oder durch Festfressen des Kolbens total ausfallen kann ° einen von der Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgang nahezu unabhängigen oder einen mit steigenden Differenzdruck deffiniert-ansteigenden oder abfallenden Durchfluß aufweist - billig herzustellen ist » klein gebaut werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Rege lung des Differenzdruckes #p12 = P1 - Pl (siehe Abb. 1) an dem von der zu regelnden Stoffmenge durchflossenen, festen oder extern verstellbaren Strömungswiderstand (1) (siehe Abb. 1) eine elastische Membrane (2) eingesetzt ist, welche nahe ihrem Rand lose auf einem Membranträger (3) aufliegt (siehe Abb. 1 und 5) oder fest in demselben eingespannt ist (siehe Abb. 4) und welche im Flächenbereich AR auf einer Seite vom Druck Pl vor und auf ihrer zweiten Seite vom Druck p2 nach dem Strömungswlderstand (1) beaufschlagt ist, so daß die Membrane im Flächenbereich AR durch den Differenzdruck ap12 belastet und elastisch durchgebogen wird.
• Zusammen mit den erhabenen Flächen oder Schneiden (4) (siehe Abb. 1, 4 und 5) am Membranträger (3) bildet die Membrane (2) (siehe Abb. 4 und 5) oder ein an der Membrane (2) befestigtes Teil (9) (siehe Abb. 1) einen aufgrund der veränderlichen Membrandurchbiegung veränderlichen Strömungswiderstand (5) welcher in Strömungsrichtung gesehen nach dem Strömungswiderstand (1) angeordnet ist und ebenfalls von der zu regelnden Stoffmenge durchströmt wird. Durch den Strömungswiderstand (5) vom Druckbereich P2 getrennt sind im Nembranträger (3) eine oder mehrere Ausflußöffnungen (6) angeordnet, in welchen der Ausgangsdruck p3 herrscht, so daß neben dem Differenzdruck über den Strömungswiderstand (1) (SPn2), welcher auf den Nembranflächenbereich AR wirkt, im Bereich Ag die Membrane vom Differenzdruck #p13 = P1 - P3 belastet wird (siehe Abb. 1 und 2). Die Differenzdrücke #p12 auf die Bläche S und #p13 auf Ag wirken gleichsinnig so auf die Membrane (2), daß mit steigendem Differenzdruck #p12 und bzw. oder steigendem Differenzdruck dp13 die Nembrandurchbiegung der Membrane (2) größer, die Abflußquerschnitte des Strömungswiderstandes (5) kleiner und der Strömungswiderstand (5) größer wird. Bei kleiner Durchflußmengenregler für flüssige und bzw. oder gasförmige Stoffe werdenden Differenzdrücken dp12 und bzw. oder dp13 werden umgekehrt die Abflußquerschnitte des Strömungswiderstandes (5) größer, also der Strömungswiderstand (5) kleiner.
• Durch entsprechende Wahl der Dimensionen, Form und des Werkstoffes der Membrane (2), der Dimensionen und Form des Membranträger (3), insbesondere der Flächen , tO, der Membrandicke der Nembrane (2), des E-Moduls des Nembranwerkstoffes sowie des Membranfederweges bis zum Anschlag am Membranträger (3) wird erreicht, daß bei sich änderndem Differenzdruck #p13 die Änderung des Strömungswiderstandes (5) aufgrund der Wirkung des Differenzdruckes flp13 auf die Membrandurchbiegung so groß ist, daß alternativ: - sich der Differenzdruck #p23 = P2 - P3 um den gleichen oder nahezu gleichen Betrag wie der Differenzdruck Dp13 ändert, worduch, da #p12 = #p13 - #p23 ist, #p12 konstant oder nahezu konstant und damit auch der Durchfluß konstant oder nahezu konstant ist (siehe Abb. 6a) - der Differenzdruck dp23 bei ansteigendem Differenzdruck SP13 weniger ansteigt wie #p13, wodurch #p12 größer und also auch der Durchfluß bei ansteigendem Differenzdruck #p13 größer wird (siehe Abb. 6b) - sinngemäß gilt für abfallenden Differenzdruck #p13 die entgegengesetzte Wirkung -- der Differenzdruck #p23 bei ansteigendem Differenzdruck #p13 stärker ansteigt wie #p13, wodurch Sp12 kleiner und also der Durchfluß bei ansteigendem Differenzdruck #p13 kleiner wird (siehe Abb. 6c) - sinngemäß gilt für abfallenden Differenzdruck #p13 die entgegengesetzte Wirkung -- der Differenzdruck Sp23 bei ansteigendem Differenzdruck SP13 wesentlich stärker ansteigt wie #p13, wodurch #p12 stark abfällt und also der Durchfluß bei ansteigendem Differenzdruck #p13 ebenfalls stark abfällt (siehe Abb. 6d) - sinngemäß gilt für abfallenden Differenzdruck #p13 die entgegengesetzte Wirkung -.
• Die Membrane (2) kann verschieden geformt sein (siehe Abb. 1, 4 sowie 7a und b) und lose auf dem Membranträger (3) aufliegen oder fest in denselben eingespannt sein. Fdr feste Einspannung günstige Membranformen sind in Abb. 4 und 7a und b gezeichnet. Die preisgünstigste Membranausführung ist die ebene Kreisscheibe.
• Eine besonders einfache, platzsparende und preisgunstige Ausfüh- Durchflußmengenregler f1ar flüssige und bzw. oder gasförmige Stoffe rungsform ergibt sich, wenn der Strömungswiderstand (1), wie in Abb. 4 und 5 dargestellt, als Durchbruch in der Membrane (2) oder in einem in der Membrane (2) befestigten Körper vorgesehen ist, wobei der Durchbruch in diesem Körper die beiden Membranseiten (Druckbereich P1 und P2) verbindet.
• Zum Schutz der Membrane (2) vor unzulässig großen Durchbiegungen sind am Membranträger (3) entlang der Biegelinie der Membrane (2) bei marx. Durchbiegung Abstützungspunkte oder -fLädhen vorgesehen (siehe Abb.5).
• Weiter ist es möglich, durch einen Anschlag (7) (siehe Abb. 5) die Rückfederung der Membrane (2) bei abgeschaltetem Durchfluß, also Differenzdruck JP12 = 0, auf einen Wert zu begrenzen, bei welchem der Strömungswiderstand (5) nur wenig kleiner wie der im Betrieb minimal notwendige, welcher dem kleinsten festgelegten Differenzdruck #p23 entspricht, ist. Hierdurch wird der Anfahrsprung sehr klein. Wird dieser Anschlag (7) darüber hinaus, wie in Abb. 5 dargestellt, an einer zusätzlichen elastischen Membrane (8) befestigt, welche einseitig so vom Druck Pl beaufschlagt ist, daß der Anschlag (7) beim Druck P1> O von der Nembrane (2) abgerückt ist, so wird bei entsprechender Dimensionierung erreicht, daß der Strömungswiderstand (5) bei abgeschaltetem Durchfluß, also P1 = 0, auf einen Wert eingestellt wird, welcher gleich oder größer dem max. im Betrieb auftretenden Strömungswiderstand (5) ist. Dadurch wird erreicht, daß kein Anfahrsprung auftritt bzw. daß der Durchfluß beim Einschalten von einem kleineren Wert auf den vorgesehenen Wert ansteigt.
• Weiter kann der Strömungswiderstand (5) durch einen Spalt (siehe Abb. 4 und 5) für welchen die Durchflußformel: Q = C x #p23 x h3 (C = konstante, Q = Durchfluß h = Höhe des Durchflußspaltes) also eine Abhängigkeit des Durchflusses Q von der dritten Potenz der Spalthöhe h, eine lineare Abhängigkeit von der Druckdifferenz jP23 und ebenfalls eine lineare Abhangigkeit von der Stoffviskosität gilt oder durch eine beliebig geformte Blende, z.B. durch eine Kreisringblende (siehe Abb.1) für welche die Durchflußformel: Durchflußmenregenregler für flüssige und- bzw. oder gasförmige Stoffe also eine lineare Abhängigkeit des Durchflusses von der Spalthöhe h und eine Abhängigkeit von der Quadratsurzel des Differenzdruckes #p23, jedoch keine Abhängigkeit von der Stoffviskosität gebildet werden.
• Die mit dieser Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß - durch den hysteresefreien Differenzdruckregler geringe Differenzdrücke Sp12 und damit größere Querschnitte für den Strömungswiderstand (1) gewählt werden können, wie bei hysteresebehafteten, bekannten Durchflußmengenreglern, wodurch die Verstopfungsgefahr des Strömungswiderstandes (1)- verringert wird - der Regler praktisch verschleißfrei ist und gasförmige und flüssige Stoffe auch ohne jede Schmierwirkung geregelt wer den können - zumindest leicht verschmutzte Stoffe geregelt werden können.
• - in der Ausführung mit Anschlag (7) und Membrane (8) kein Anfahrsprung auftritt und aufgrund der geringen Membranmasse der Membrane (2) und kleiner Regelwege minimale Einregelzeiten bei sprunghafter Änderung des Differenzdruckes pi3 auftreten - je nach Festlegung der Dimensionen und Form sowie des Werkstoffes der Membrane (1),des Membranträgers (3) mit Strömungswiderstand (5) Mengenregler geschaffen werden können, welche bei steigendem Differenzdruck flp13 a) konstanten oder nahezu konstanten (Kennlinie siehe Abb.6a) b) steigenden (Kennlinie siehe Abb. 6b) c) abfallenden oder stark abfallenden Durchfluß aufweisen (Kennlinie siehe Abb.6c und d) sinngemäß gilt für abfallenden Differenzdruckflp13 die entgegengesetzte Wirkung - bei Verwendung von diesen Durchflußmengenreglern, vor allem mit bei ansteigenden Differenzdruckflp13 abfallendem oder stark abfallendem Durchfluß zur Regelung der Stoffmengen für hydro- oder aerostatische Lagertaschen, bei gleichen Steifigkeiten und Tragfähigkeiten, eine wesentliche Verringerung der Pumpendrücke und Stoffmengen, bei aerostatischen Lagertaschen eine wesentliche Verringerung des Luftverbrauches, - also eine Reduzierung der benötigten Energie und des Investi- Durchflußmenregenregler für flüssige undbzw. oder gasförmige Stoffe tionsaufwandes erreicht wird, - solche Durchflußmengenregler billig hergestellt - und klein gebaut werden können.
• Eine Vereinfachung der Berechnung solcher Durchflußmengenregler ergibt sich, wenn nicht von der in Abb. 2 dargestellten Belastung der Membrane (2), sondern von der in Abb. 3 dargestellten, identischen Belastung der Membrane (2) ausgegangen wird.

Claims (7)

1. Durchflußmengenregler für flüssige und bzw. oder gasförmige Stoffe Patentansprüche: # Durchflußmengenregler für flüssige und/oder gasförmige Stoffe mit einem festen oder extern verstellbaren Strömungswiderstand (1) und einer durch den am Strömungswiderstand (1) herrschenden Differenzdruckflp1,2 beaufschlagten Regeleinrichtung mit einem vom zu regelnden Stoff durchflossenen Strömungswiderstand (5) zur Regelung dieses Differenzdruckes #p12, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: lol Die Regeleinrichtung für den Differenzdruck JP12 besteht aus einem Membranträger (3) mit mindestens einer Abflußöffnung (6) und einer 1.2 auf dem Membranträger (3) aufliegenden bzw. am Membranträger befestigten, im Flächenbereich AR vom Differenzdruck #p12 und im Flächenbereich Ao vom Differenzdruck #p13 belasteten elastischen Membrane, wobei sich 1e3 in Strömungsrichtung gesehen nach dem Strömungswiderstand (1) und vor der oder den Abflußöffnungen (6) zwischen der Membrane (2) und dem Membranträger (3) der aufgrund der veränderlichen Differenzdrücke Sp12 und #p13 veränderlichen Membrandurchbiegung variable Strömungswiderstand (5) befindet.
2. 2. Der Strömungswiderstand (5) ist zumindest nahe dem Ort der größten Durchbiegung der Membrane (2) angeordnet und wird durch am t.embranträger (3) oder an der Membrane (2) oder durch an der Membrane (2) und am Membranträger (3) befestigte Teile mit die Abflußöffnung (6) umschließenden erhabenen Flächen oder Schneiden (4 und 9) gebildet.
3. 3. Die Dimensionen und Formen des Durchflußmengenreglers und der Durchflußmengenreglerteile, insbesondere die Größe der Wirkfläche A0 des Differenzdruckes #p13, die Federkonstante der Membrandurchbiegung der Membrane (2) unter der Belastung durch den Differenzdruck #p13, die Größe des Strömungswiderstandes (5) in Abhängigkeit von der Durchbiegung der Membrane (2) sowie die Größe des Strömungswiderstandes (1) sind so bestimmt, daß durch die Belastung der Membrane (2) aufgrund der Belastung der Fläche Ao mit dem Differenzdruck Sp13 der Strömungswiderstand (5) so verändert wird, daß der Differenzdruck #p12 und damit der Durchfluß Q bei veränderlichem Differenzdruck jP13 - konstant oder nahezu konstant (siehe Abb. 6 Kurve a) oder Durchflußmengenregler für flüssige und bzw. oder gasförmige Stoffe - mit größer werdendem Differenzdruck SP13 kleiner und mit kleiner werdendem Differenzdruck #p13 größer (siehe Abb. 6 Kurve c) oder - mit größer werdendem Differenzdruck #p13 viel kleiner und mit kleiner werdendem Differenzdruck #p13 viel größer (siehe Abb.6 Kurve d) oder - mit größer werdendem Differenzdruck #p13 größer und mit kleiner werdendem Differenzdruck #p13 kleiner wird.(siehe Abb. 6 Kurve b).
4. 4. In der Membrane (2) befindet sich ein den Strömungswiderstand (1) bildender Durchbruch, welcher die Druckräume pi und P2 miteinander verbindet oder es ist in der Membrane ein Teil mit einem den Strömungswiderstand (1) bildenden Durchbruch, welcher die Druckräume pi und p2 miteinander verbindet, befestigt.
5. 5. Der Nembranträger (3) ist mit unzulässige Membrandurchbiegungen verhindernden Abstützungspunkten oder -flächen für die Nembrane (2) versehen (siehe Abb. 5).
6. 6.1 Mm Membranträger (3) ist ein die Rückfederung der Membrane (2) begrenzender Anschlag (7) angebracht (siehe Abb. 5).

   6.2 Der die Membranrückfederung begrenzende Anschlag (7) ist an einer einseitig durch den Druck p1 belasteten Nembrane (8) befestigt.
7. 7.1 Die Membrane ist eine ebene oder gekrümmte Platte (siehe Abb.1 und 5) oder 7.2 die Membrane ist radial gewellt (siehe Abb.4) oder 7.3 die Membrane ist axial gewellt (siehe Abb. 7 a) oder 7.4 die Membrane ist diagonal gewellt (siehe Abb, 7 b).

   8, Der Durchflußmengenregler wird zur Regelung der Stoffmengen für die Versorgung von hydro- und aerostatischen Lagerungen verwendet.