| JP09089124 | CUTOFF AND CONTROL VALVE |
| JP04351379 | CERAMIC DISC VALVE |
| WO/2010/121911 | VALVE FOR CONTROLLING A FLOW |
Hempelmann, Willi (Rüblinghauser Str. 27 Olpe, 57426, DE)
| 1. | l. |
| 2. | Durchflusssteuervorrichtung, umfassend wenigstens drei koaxial zueinander angeordnete und dicht aneinanderliegende Steuer scheiben (10, 11, 18), von denen die zwischen stationären Steuerscheiben (10,18) lie gende Steuerscheibe (11) durch eine Betätigungseinrichtung verdrehbar ist, wobei die Steuerscheiben außermittig eine in Achsrichtung durchgehende Durchtritts bohrung (30) und auf den aneinanderliegenden Seitenflächen (32,33) jeweils eine Ausnehmung (31, 31 a, 3 lb) aufweisen, die von der Durchtrittsbohrung (30) ausgehend sich längs eines Kreisbogens um die Achse der Steuerscheiben erstreckt, so dass bei einer Relativverdrehung der Steuerscheiben zueinander sich nur Teile der gegenüber liegenden Ausnehmung überlappen. |
| 3. | Durchflusssteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die an gegenüberliegenden Sei tenflächen der Steuerscheiben ausgebildeten Ausnehmungen (31, 31a, 31b) sich ge genläufig in Umfangsrichtung ausgehend von der Durchtrittsbohrung (30) erstrecken. |
| 4. | Durchflusssteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei Breite und Tiefe der Ausneh mungen (31) sich ausgehend von der Durchtrittsbohrung (30) bis auf den Betrag Null verjüngen. |
| 5. | Durchflusssteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei zwischen stationären Endschei ben (10,18) abwechselnd verdrehbare und stationäre Steuerscheiben (1117) angeord net sind und die zwischen den Endscheiben (10,18) angeordneten stationären Steuer scheiben (12,14, 16) wie die verdrehbaren Steuerscheiben auf beiden Seitenflächen jeweils eine kreisbogenförmige Ausnehmung (31) aufweisen. |
| 6. | Durchflusssteuervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die stationären Steuerscheiben (10, 12,14, 16,18) auf einer durchgehenden Achse (9) fixiert sind, während die ver drehbaren Steuerscheiben (11, 13,15, 17) auf dem Außenumfang eine Eingriffsein richtung (24) für einen Drehantrieb aufweisen. |
| 7. | Durchflusssteuervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die verdrehbaren Steuerscheiben auf dem Außenumfang keilförmige Zentriernuten (24) aufweisen, in die Madenzen trierschrauben (23) spielfrei eingreifen, die durch eine verdrehbare Hülse (21) geführt sind, welche die Steuerscheiben umgibt. |
| 8. | Durchflusssteuervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die die Steuerscheiben umge bende Hülse (21) auf dem Außenumfang mit einem Schneckengewinde (20) versehen ist, mit dem eine Schnecke (22) in Eingriff steht, die von einem Antriebsmotor in Dre hung versetzt wird. |
| 9. | Durchflusssteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerscheiben in einem zweiteiligen Gehäuse (2,7) angeordnet sind, dessen beide Teile durch eine Schraub hülse (6) miteinander verspannt sind. |
| 10. | Durchflusssteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerscheiben durch eine Feder (19) in Achsrichtung aneinanderliegend gehalten werden. |
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Durchflusssteuervorrichtung so auszubilden, dass der Durchflussweg und auch Durchflussmengen eingestellt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Dadurch, dass die sich seitlich von den Durchtrittsbohrungen erstreckenden Ausnehmungen in den an- einanderliegenden Seitenflächen der relativ zueinander verdrehbaren Scheiben sich unter- schiedlich überlappen können, können z. B. ausgehend von einer maximalen Durchflussmen- ge bei fluchtenden Durchtrittsbohrungen auch sehr kleine Durchflussmengen dadurch einge- stellt werden, dass sich die auslaufenden Spitzen von sich verjüngenden Ausnehmungen et- was überlappen. Auf diese Weise können Durchflussmengen stufenlos bis in den Bereich von Mikrolitern bis Nanolitern eingestellt werden.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Durchflusssteuervorrichtung mit Steuereinheit, Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Durchflusssteu- ervorrichtung mit mehreren Steuerscheiben, Fig. 3 in perspektivischer Ansicht eine stationäre Steuerscheibe, Fig. 4 in perspektivischer Ansicht eine verdrehbare Steuerscheibe, Fig. 5. die Befestigung einer verdrehbaren Steuerscheibe an einem Schneckenrad Fig : 6 eine Schnittansicht durch eine Antriebseinrichtung des Schneckenrades, und Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform einer Steuerscheibe.
In Fig. 1 ist mit 1 die Durchflusssteuervorrichtung bezeichnet, die in Achsrichtung von einer Flüssigkeit durchströmt wird, wie dies durch die Pfeile X und Y angedeutet ist. An dem Ge- häuse 2 der Durchflusssteuervorrichtung ist über einen Ansatz 2'ein Kupplungs-und Dich- tungsadapter 3 angebracht, an dem ein Motorgehäuse 4 befestigt ist, in dem beispielsweise ein Gleichstrommotor oder ein Linearmotor angeordnet ist. An dem Motorgehäuse 4 ist eine Steuereinheit 5 mit elektronischen Steuereinrichtungen angebracht.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch die Durchflusssteuervorrichtung 1. Auf dem rohrförmigen Abschnitt 2"des Gehäuses 2 ist eine Schraubhülse 6 mit einem Gewinde- abschnitt 6'aufgeschraubt, die mit einem getrennt davon ausgebildeten Gewindeabschnitt 6" ein Gehäuseteil 7 an dem rohrförmigen Gehäuseabschnitt 2"anliegend hält. Mit 8 ist eine Dichtung, beispielsweise ein O-Ring zwischen den beiden Gehäuseteilen 2 und 7 bezeichnet.
Der Gewindeabschnitt 6'ist beispielsweise als Rechtsgewinde ausgebildet, während der Ge- windeabschnitt 6"als Linksgewinde ausgebildet ist. Hierdurch können durch die Schraubhül- se 6 die beiden Gehäuseteile 2 und 7 dicht aneinanderliegend fixiert werden.
In einer mittigen Bohrung des Gehäuseteils 7 ist eine feststehende Steckachse 9 eingesteckt, die auf dem Umfang ein Zahnwellenprofil oder eine Verzahnung aufweist, die mit einem ent- sprechenden Zahnwellenprofil in der Gehäusebohrung in Eingriff steht. Auf dieser Steckachse 9 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel neun Steuerscheiben 10 bis 18 angeordnet.
Die erste Steuerscheibe 10 und die Steuerscheibe 18 am gegenüberliegenden Ende sind über das Zahnwellenprofil stationär auf der Steckachse 9 festgelegt, ebenso die Steuerscheiben 12, 14 und 16, während die dazwischenliegenden Steuerscheiben 11,13, 15 und 17 durch einen größeren Durchmesser der Bohrung auf der Steckachse 9 verdrehbar sind. Die Steuerscheiben 10 bis 18 werden durch die Vorspannung einer Tellerfeder 19 dicht aneinanderliegend gehal- ten, die in einer Ausnehmung des Gehäuses 2 angeordnet ist. Die Steuerscheiben 10 bis 18 sind von einem hülsenförmigen Schneckenrad 21 umgeben, das durch eine Schneckenwelle 22 in Drehung versetzt werden kann, die von dem im Motorgehäuse 4 angeordneten An- triebsmotor verdreht wird, wie Fig. 6 zeigt. Die verdrehbaren Steuerscheiben 11,13, 15 und 17 sind jeweils mit dem Schneckenrad 21 verbunden, während die stationären Steuerscheiben 10,12, 14,16 und 18 auf dem Innenumfang des hülsenförmigen Schneckenrades 21 gleiten können oder auch einen kleineren Außendurchmesser haben können als der Innendurchmesser des hülsenförmigen Schneckenrades 21. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die verdrehbaren Steuerscheiben über eine Madenzentrierschraube 23 mit dem Schneckenrad 21 spielfrei verbunden, wie dies Fig. 5 zeigt. Hierbei sind auf dem Außenumfang einer verdreh- baren Steuerscheibe (Fig. 4) beispielsweise vier keilförmig ausgebildete Mitnehmemuten 24 ausgebildet, in die die kegelförmige Spitze der Madenzentrierschraube 23 eingreift. Diese Madenzentrierschrauben sind mit einem Innensechskant versehen, wie in Fig. 5 angedeutet.
Das hülsenförmige Schneckenrad 21 weist im Bereich der Steuerscheibe 17 ein Schnecken- gewinde 20 auf dem Außenumfang auf, das mit dem Gewinde einer Schneckenwelle 22 in Eingriff steht. Das hülsenförmige Schneckenrad 21 ist über Gleitlager 26 an den gegenüber- liegenden Enden in den beiden Gehäuseteilen 2 und 7 verdrehbar gelagert.
An den Stirnseiten der beiden Gehäuseteile 2 und 7 ist jeweils eine Dichtung 27 vorgesehen, welche an den Seitenflächen der stationären Steuerscheiben 10 und 18 anliegt. Beide Gehäu- seteile 2 und 7 sind jeweils mit einem Anschlussstutzen 28 mit Außengewinde und einem Bördelkonus 29 für eine Bördelverschraubung eines Anschlussschlauches 52 versehen. An dem Anschlussstutzen 28 wird über eine Bördelmutter 51 der Schlauch 52 oder ein Bündel- rohr dicht angeschlossen.
Die Steuerscheiben 10 bis 18 sind jeweils mit einer Durchtrittsbohrung 30 versehen, die in Achsrichtung an den einzelnen Steuerscheiben außermittig angebracht ist, wie dies Fig. 3 und 4 zeigen. Bei der stationären Steuerscheibe 10 ist auf einer Seitenfläche 32 der Steuerscheibe ausgehend von der Durchtrittsbohrung 30, die in einem Abstand r von der Achse angeordnet ist, eine sich in der Breite und Tiefe verjüngende Ausnehmung 31 ausgebildet, die sich mit dem Abstand r von der Achse kreisbogenförmig um diese erstreckt. Bei dem in Fig. 3 wieder- gegebenen Ausführungsbeispiel verläuft diese sich verjüngende Ausnehmung 31 nahezu in einem Halbkreis um die Achse auf der Seitenfläche 32. Die gegenüberliegende Seitenfläche der Steuerscheibe 10 ist glatt ausgebildet und nur mit der Durchtrittsbohrung 30 versehen.
Fig. 4 zeigt eine verdrehbare Steuerscheibe, beispielsweise die Steuerscheibe 11. Auf der der Seitenfläche 32 der stationären Steuerscheibe 10 gegenüberliegenden Seitenfläche 33 der ver- drehbaren Steuerscheibe 11 ist ausgehend von der Durchtrittsbohrung 30 eine sich verjüngen- de Ausnehmung 31a auf etwa einem Halbkreisbogen ausgebildet, die in ihrer Ausgestaltung identisch ist mit der Ausnehmung 31 an der Steuerscheibe 10, aber in Gegenrichtung verläuft.
Während die Ausnehmung 31 an der Steuerscheibe 10 sich im Uhrzeigersinn von der Durch- trittsbohrung 30 aus erstreckt, verläuft die Ausnehmung 31a an der gegenüberliegenden Sei- tenfläche 33 der Steuerscheibe 11 in Gegenrichtung, so dass bei Ausrichtung der Durchtritts- bohrungen 30 die eine Ausnehmung 31 sich im Uhrzeigersinn und die Ausnehmung 31a der gegenüberliegenden Steuerscheibe sich im Gegenuhrzeigersinn um die Achse erstreckt. Durch Verdrehen der Steuerscheibe 11 relativ zur Steuerscheibe 10 kann der Durchtrittsquerschnitt längs der Ausnehmungen 31 und 31a stetig verkleinert werden, bis sich lediglich die auslau- fenden Spitzen der beiden Ausnehmungen 31 und 31a geringfügig überlappen, so dass nur noch ein minimaler Durchtrittsquerschnitt verbleibt.
Die verdrehbare Steuerscheibe 11 weist auf der der Seite 33 gegenüberliegenden Seitenfläche eine entsprechende, von der Durchtrittsbohrung 30 ausgehende Ausnehmung 31b auf, wie durch gestrichelte Linien in Fig. 4 angedeutet. Die Ausnehmung 31b erstreckt sich in der Ge- genrichtung zu der auf der Seitenfläche 33 bzw. in die gleiche Richtung wie die Ausnehmung 31 an der Steuerscheibe 10.
In entsprechender Weise ist die stationäre Steuerscheibe 12 mit einer längs eines Kreisbogens sich verjüngenden Ausnehmung 31a und 31b auf beiden Seitenflächen ausgebildet. Die Steu- erscheiben 11 bis 17 sind hinsichtlich Anordnung und Ausbildung der Ausnehmungen 31a und 31b identisch ausgebildet, wobei sich die jeweiligen Ausnehmungen hinsichtlich Breite und Tiefe stetig längs des Kreisbogens verjüngen. Die stationäre Steuerscheibe 18 am gegen- überliegenden Ende ist spiegelbildlich zu der Steuerscheibe 10 mit einer Ausnehmung 31 auf nur einer Seitenfläche ausgebildet.
In Fig. 2 sind die Durchtrittsbohrungen 30 aller Steuerscheiben 10 bis 18 fluchtend darge- stellt, so dass sich ein Durchgangskanal mit einem minimalen Durchmesser entsprechend dem der Bohrungen 30 ergibt. Ein vom Anschlussstutzen 28 ausgehender Durchtrittskanal 35 ver- läuft derart gekrümmt durch die Gehäuseteile 2 und 7, dass er mit der außermittigen Durch- trittsbohrung 30 der Steuerscheiben 10 und 18 fluchtet. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Innendurchmesser des Durchtrittkanals 35 und der Innendurchmesser der Durchtrittsboh- rungen 30 beispielsweise 5 mm betragen, wobei sich die Ausnehmungen 31 ausgehend von den Durchtrittsbohrungen 30 in der Breite und Tiefe stetig bis auf Null verjüngen.
Die verdrehbaren Steuerscheiben 11, 13, 15 und 17 werden synchron durch das Schneckenrad 21 relativ zu den stationären Steuerscheiben 10,12, 14,16 und 18 verdreht, so dass zwischen den aneinanderliegenden Seitenflächen der einzelnen Steuerscheiben jeweils der gleiche Durchtrittsquerschnitt entsprechend der Überlappung der Ausnehmungen 31, 31a, 31b usw. auftritt.
Durch diese hintereinander geschalteten, verkleinerten Durchtrittsquerschnitte, die Drossel- stellen entsprechen, kann ein hoher Druck der an der Eintrittsseite bei X eintretenden Flüssig- keit stufenweise an den einzelnen Drosselstellen abgebaut werden bis zum Austritt bei Y.
Durch die in Abständen hintereinander angeordneten Drosselstellen können Differenzdrücke von 2 bis 300 bar stufenweise abgebaut werden, wobei auch sehr geringe Durchtrittsmengen im Bereich von Mikrolitern und Nanolitem möglich sind.
Wenn die Steuerscheiben gegenüber der Darstellung in Fig. 2 relativ zueinander verdreht sind, so dass sich an den überlappenden Ausnehmungen 31, 31a, 31b usw. Drosselstellen durch eine Querschnittsverengung bilden, ergeben sich zwischen den einzelnen Drosselstellen im Querschnitt vergrößerte Kanalabschnitte, weil die aus einer Drosselstelle austretende Flüs- sigkeit durch den vollen Querschnitt einer Durchtrittsbohrung 30 strömt, bevor sie in die nächste Drosselstelle eintritt. Hierdurch ergibt sich eine Stufendrossel mit Expansion zwi- schen den Drosselstellen für den Druckabbau.
Eine derartige Durchflusssteuervorrichtung kann in der Biotechnologie, in der Feinchemie und auf verschiedenen Einsatzgebieten verwendet werden.
Anstelle der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehenen neun Steuerscheiben kann auch eine geringere Anzahl von Steuerscheiben bzw. eine größere Anzahl vorgesehen werden. Beispielsweise ist es auch möglich, lediglich eine verdrehbare Steuerscheibe zwi- schen den stationären Steuerscheiben 10 und 18 vorzusehen.
Die Steuerscheiben können aus Keramikmaterial oder auch aus einem Kunststoff wie Teflon gefertigt sein, wobei die aneinanderliegenden Seitenflächen derart glatt ausgebildet sind, dass sie durch die Vorspannung der Tellerfeder 19 dicht aneinanderliegen. Weiterhin können nicht dargestellte Druckausgleichskanäle an den einzelnen Steuerscheiben vorgesehen werden, um die Druckbeaufschlagung in Achsrichtung der Durchflusssteuervorrichtung auszugleichen.
Die mittige Bohrung 34 an den verdrehbaren Steuerscheiben 11,13, 15 und 17 hat einen Durchmesser, der gleich oder etwas größer ist als der Außendurchmesser der Verzahnung an der Steckachse 9, so dass diese verdrehbaren Steuerscheiben leicht auf der Steckachse ver- dreht werden können. Durch die keilförmigen Mitnehmemuten 24 ist eine spielfreie Justie- rung der verdrehbaren Steuerscheiben mit dem Schneckenrad 21 über die Madenzentrier- schrauben 23 möglich.
Bei der Ausrichtung der Durchtrittsbohrungen 30 entsprechend der Darstellung in Fig. 2, also bei durchgehend vollem Durchtrittsquerschnitt, kann die Vorrichtung von einer Spülflüssig- keit durchströmt werden, wobei auch eine Kugel durch die Durchflusssteuervorrichtung ge- leitet werden kann, um die Durchtrittskanäle zu reinigen.
Fig. 6 zeigt schematisch eine beispielsweise Antriebseinreichtung des Schneckenrades 21 über die Schnecke 22, die in dem Ansatz 2'des Gehäuses verdrehbar gelagert ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Taumellenker 40 zwischen der Schnecke 22 und einer im Gehäuseansatz 2'gelagerten Welle 41 vorgesehen, der durch eine steife Membran 42 geführt wird, die einerseits einen Anlenkpunkt für den Taumellenker 40 bildet und anderer- seits das Gehäuse gegenüber der Antriebseinheit abdichtet.
Mit 43 ist ein Radiälgleitlager für die Schnecke 22 bezeichnet, die an dem gegenüberliegen- den Ende an einem Axiallager 44 anliegt und zusätzlich durch ein Radiallager 45 im Gehäuse gelagert ist. Mit 46 ist ein Distanzring zwischen dem Axiallager 44 und einem Ring 47 be- zeichnet, der die Membran 42 hält und auf dem Außenumfang durch eine Dichtung, bei- spielsweise einem O-Ring 48 gegenüber dem Gehäuse abgedichtet ist.
Auf der Welle 41 kann eine nicht dargestellte Dichtungspackung und eine entsprechende La- gerung vorgesehen sein.
An dem Kupplungs-und Dichtungsadapter 3 können, wie Fig. 1 zeigt, Sichtfenster 50 vorge- sehen sein, durch die die Abdichtung der Durchflusssteuervorrichtung gegenüber der An- triebseinheit überwacht werden kann.
Die beschriebene Durchflusssteuervorrichtung bildet eine Mikrodosierarmatur, mittels der auch sehr kleine Durchflussmengen sehr genau gesteuert werden können.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die seitlichen Ausnehmungen 31 je nach Einsatzgebiet der Durchflusssteuervorrichtung auch eine andere als die dargestellte Form haben, bei der Breite und Tiefe der Ausnehmung 31 sich ausgehend von der Durch- trittsbohrung 30 auf den Betrag Null verjüngt. So können beispielsweise die Ausnehmungen im überlappenden Zustand einen Durchflussquerschnitt bilden, der dem der Durchtrittsboh- rungen 30 entspricht, so dass durch Verdrehen der Steuerscheiben relativ zueinander ausge- hend von einer Stellung, in der die Durchtrittsbohrung 30 miteinander fluchten und die kürze- ste Durchflussstrecke durch die Vorrichtung bilden, der Durchflussweg durch die Vorrichtung dadurch verlängert werden kann, dass zwischen aufeinanderfolgenden Durchtrittsbohrungen 30 ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Kanal ausgebildet wird. Fig. 7 zeigt entspre- chend Fig. 3 eine Steuerscheibe mit einer Ausnehmung 31', die mit der gegenüberliegenden Ausnehmung einen Kanal bildet, dessen Querschnitt dem der Durchtrittsbohrungen 30 ent- spricht und der sich über einen Winkelbereich von etwa 45° erstreckt. Diese Ausnehmung 31' kann sich aber auch über einen größeren Winkelbereich erstrecken.
Auch bei einer Ausgestaltung der Steuerscheiben nach Fig. 7 können Drosselstellen dadurch ausgebildet werden, dass sich die gegenüberliegenden Ausnehmungen 31'nur an den Enden überlappen. Hierfür können die Enden anstelle der abgerundeten Formgebung auch eine spitz zulaufende Form haben. Bei einer solchen Ausgestaltung wird das Volumen zwischen den Drosselstellen durch die Erstreckung der Ausnehmungen in Umfangsrichtung zur Durchtritts- bohrung 30 hin vergrößert.
Dieser durch die sich überlappenden Ausnehmungen 31'in Umfangsrichtung verlaufende Kanal kann-wie zuvor angegeben-einen Durchflussquerschnitt entsprechend dem der Durchtrittsbohrungen 30 beispielsweise für hoch viskose Flüssigkeiten wie Klebstoffe und dergleichen haben. Es ist aber auch möglich, diese Ausnehmungen 31'über einen kürzeren Umfangsabschnitt als dargestellt, sich verjüngend auszubilden, so dass sich bei Überlappen der Ausnehmungen 31'ein sich im Durchflussquerschnitt verjüngender Verbindungskanal zwischen den Durchtrittsbohrungen 30 ergibt. Bei einer solchen Ausgestaltung erstreckt sich beispielsweise die in Fig. 3 dargestellte Ausnehmung 31 auf einer Steuerscheibe etwa um einen Viertelkreis anstelle eines Halbkreises.
Zusätzlich kann der durch die Ausnehmungen 31 gebildete Durchflussquerschnitt auch durch eine sich über den Umfang verändernde Form der Ausnehmung 31 verändert werden, bei- spielsweise indem die sich in Umfangsrichtung erstreckenden Ausnehmungen 31 Einbuch- tungen oder in die Ausnehmung vorstehende Vorwölbungen aufweisen, durch die Hindernisse oder Querschnittsveränderungen in dem durch die sich überlappenden Ausnehmungen 31 gebildeten Kanal entstehen, so dass auch eine gewisse Mischwirkung in dem die Vorrichtung durchströmenden Fluid erzeugt wird.
Bei der beschriebenen Durchflusssteuervorrichtung beträgt der Durchmesser der Durchtritts- bohrungen 30 beispielsweise 5 mm. Es können aber auch größere Durchflussquerschnitte bei einer solchen Durchflusssteuerung vorgesehen werden.
Next Patent: BACK PRESSURE VALVE WITH DYNAMIC PRESSURE CONTROL