Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung mit einem federbelasteten Ventilkörper, welcher zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung axial verschiebbar stromaufwärts einer Querschnittverengung in einem Strömungskanal angeordnet ist, wobei der Ventilkörper durch eine Feder in Richtung der ersten Stellung belastet ist, und wobei der Durchfluss bei gegebenem Druckgefälle in der ersten Stellung größer ist, als in der zweiten Stellung.

Aus der EP 0 969 233 AI ist ein Durchflussbegrenzer mit einem durch einen federbelasteten Ventilkörper bekannt, wobei der fed erbe lastete Ventilkörper in einer Engstelle des Strömungskanals angeordnet ist. Die düsenartige Form der Wand des Gehäuses weist dabei Längsrippen auf, welche im geschlossenen Zustand des Ventilkörpers Strömungskanäle ausbilden, durch welche ein begrenzter Durchfluss in der Schließstellung des Ventilkörpers möglich ist.

Nachteilig ist, dass derartige Durchflussbegrenzer im offenen Zustand relativ hohe Druckverluste aufweisen. Des Weiteren ist nachteilig, dass bekannte Durchflussbegrenzer erst bei relativ hohen Differenzdrücken von der ersten Stellung in die zweite Stellung schalten. Der Umschaltpunkt liegt also erst bei einem relativ hohen Differenzdruckniveau.

Nachteilig ist außerdem, dass bekannte Durchflussbegrenzer ein relativ starkes Hystereseverhalten aufweist, so dass die Öffnung des Ventilkörpers aus der Schließstellung stark verzögert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Durchflussbegrenzer mit geringem Druckverlust im geöffneten Zustand und mit verzögerungsarmen Ansprechverhalten zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Querschnittverengung durch zumindest eine Bypassleitung umgehbar ist, wobei die Bypassleitung stromaufwärts der Querschnittsverengung vom Strömungskanal abzweigt und stromabwärts der Querschnittsverengung in den Strömungskanal einmündet, wobei vorzugsweise die Bypassleitung außerhalb des Strömungskanals in einem Gehäuse der Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung angeordnet ist.

Um ein rasches Öffnen aus der zweiten Stellung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der Ventilkörper durch eine feststehende axiale Führungsstange geführt ist, wobei die Führungsstange stromabwärts des Ventilkörpers einen vorzugsweise verstellbaren Anschlag aufweisen kann, auf welchem der Ventilkörper - - in der zweiten Stellung aufliegt. Der Anschlag kann beispielsweise durch eine Hülse gebildet sein, welche axial einstellbar auf der Führungsstange angeordnet ist. Die Hülse kann dabei gleichzeitig auch das Gegenlager für die Feder bilden. Durch die Hülse kann somit einerseits die Federvorspannung und andererseits der Anschlag für den Ventilkörper axial eingestellt werden.

Bei Erreichen des definierten Durchflusses schaltet die erfindungsgemäße Durch- flussbegrenzungsvorrichtung schlagartig und selbständig, ohne jegliche Eingriffe oder Aktuatorik von außen, wobei die Schaltkräfte zur Ventilbetätigung ausschließlich aus strömungstechnischen Effekten aufgebracht werden.

Durch den definierten Anschlag im Bereich der Führungsstange wird verhindert, dass der Ventilkörper in seiner zweiten Stellung am Gehäuse anliegt. In der zweiten Stellung verbleibt somit ein definierter Spalt zwischen dem Ventilkörper und einer inneren Mantelfläche des Gehäuses, wodurch ein sehr rasches Öffnen des Ventilkörpers aus der zweiten Stellung heraus möglich wird. Die sich in Strömungsrichtung verjüngende innere Mantelfläche des Gehäuses kann dabei kegelig oder düsenartig verlaufend gestaltet sein.

Besonders geringe Strömungsverluste lassen sich erreichen, wenn der Ventilkörper eine doppelkonische Form aufweist. Alternativ kann auch eine andere strömungsgünstige Form für den Ventilkörper gewählt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der drehsymmetrische Ventilkörper eine nichtlineare Kurve als Erzeugende aufweist. Dadurch lassen sich mit der erfindungsgemäßen Durchflussbegrenzungsvorrichtung im geöffneten Zustand besonders geringe Druckverluste erreichen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Umschaltpunkt zwischen der ersten und der zweiter Stellung auf einen Differenzdruck zwischen einem Bereich des Strömungskanals stromaufwärts der Durch- flussbegrenzungseinrichtung und einem Bereich des Strömungskanals stromabwärts der Durchflussbegrenzungseinrichtung von maximal 500 mbar, vorzugsweise maximal 200 mbar eingestellt ist. Dadurch ergibt sich ein sehr sensibles und verzögerungsarmes Ansprechverhalten. Im Vergleich dazu schalten bekannte Durchflussbegrenzungseinrichtung üblicherweise erst bei einer Druckdifferenz von etwa 1.000 mbar.

Der Umschaltpunkt wird dabei im Wesentlichen durch die strömungsgünstige Form des Ventilkörpers und des umgebenden Gehäuses und durch die Auslegung der Federkraft bestimmt. Dabei werden die Schaltkräfte rein aus strömungstechnischen Effekten aufgebracht. Um geringe Druckverluste zu ermöglichen, muss die Schaltkraft über diesen strömungstechnischen Effekten verstärkt werden. - -

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Durchflussbegrenzungseinrichtung kann der Schaltpunkt bei äußerst geringer Druckdifferenz und völlig ohne Aktu- atorik realisiert werden .

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung in einem Längsschnitt; und

Fig. 2 ein Druckverlust-Massenstrom-Diagramm .

Die in Fig. 1 dargestellte Durchflussmengenbegrenzungseinrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem Strömungskanal 3 auf, in welchem ein Ventilkörper 4 an einer feststehenden Führungsstange 5 axial verschiebbar im Bereich einer düsenartigen Querschnittsverengung 6 angeordnet ist.

Der Ventilkörper 4 und die Querschnittsverengung 6 sind durch eine Bypassleitung 7 umgehbar, wobei die Bypassleitung 7 stromaufwärts des Ventilkörpers 4 vom Strömungskanal 3 abzweigt und stromabwärts der Querschnittsverengung 6 in den Strömungskanal 3 wieder einmündet.

Die Führungsstange 5 weist eine Hülse 8 auf, auf welcher eine Feder 9 gelagert ist, die den Ventilkörper 4 in eine in der Fig. 1 dargestellten ersten Stellung vorspannt. Mit Bezugszeichen 10 ist eine Befestigungsmutter für die Führungsstange 5 bezeichnet.

Der Ventilkörper 4 ist im Wesentlichen doppelkonisch ausgebildet, wodurch möglichst geringe Strömungsverluste auftreten.

Die Hülse 8 bildet einen Anschlag 11 für den Ventilkörper 4 aus, wobei der Ventilkörper 4 in der zweiten Stellung auf dem Anschlag 11 aufliegt. Der Anschlag 11 wird über die Hülse 8 dabei so eingestellt, dass in der zweiten Stellung des Ventilkörpers 4 ein definierter Spalt zwischen der konischen Mantelfläche 4a des Ventilkörpers 4 und einer kegeligen Mantelfläche 2a des Gehäuses 2 verbleibt. Dieser Spalt ermöglicht ein rasches Öffnen des Ventilkörpers 4 aus der zweiten Stellung, so dass das Hystereseverhalten möglichst klein gehalten werden kann. Der verbleibende Spalt kann durch entsprechende Formgebung der Mantelfläche 4a des Ventilkörpers 4 und der Mantelfläche 2a des Gehäuses 2 eine nicht konstante Stärke haben.

In der in Fig. 1 dargestellten ersten Stellung des Ventilkörpers 4 fließt eine große Menge des Strömungsmediums am Ventilkörper 4 vorbei, eine kleinere Menge passiert die Bypassleitung 7. Ab einem durch die Feder 9 definierten Differenzdruck Δρ wird der Ventilkörper 4 schlagartig von der ersten Stellung in die zweite - -

Stellung verschoben, wodurch der Strömungskanal 3 bis auf einen geringen verbleibenden Spalt zwischen den Mantelflächen 4a und 2a verschlossen wird. Das Strömungsmedium strömt unter Umgehung des Ventilkörpers 4 nun zum Großteil in der Bypassleitung 7 und mündet stromabwärts der Querschnittverengung 6 wieder in den Strömungskanal 3 ein.

In Fig. 2 ist der Differenzdruck Δρ über dem Volumenstrom V aufgetragen. Mit Bezugszeichen 12 ist der Schließpunkt des Ventilkörpers 4, mit Bezugszeichen 13 der Öffnungspunkt des Ventilkörpers 4 bezeichnet. Bis zum Schließpunkt weist die Vorrichtung einen relativ geringen Strömungswiderstand auf. Dieser wird durch den Schaltvorgang schlagartig erhöht, was die gewünschte Durchflussbegrenzung bewirkt. Der Schaltpunkt liegt dabei bei etwa 20 mbar bis 200 mbar Differenzdruck zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Bereich des Strömungskanals 3.

Wie ersichtlich ist, ist die Öffnungs- und Schließcharakteristik des Ventilkörpers 4 hysteresebehaftet. Die Hysterese zwischen dem Schließen und dem Öffnen des Ventilkörpers 4 ist mit Bezugszeichen 14 angedeutet. Durch den definierten Spalt in der zweiten Stellung des Ventilkörpers 4 und dem Bypasskanal 7 kann das Hystereseverhalten 14 möglichst klein gehalten werden. Durch den definierten Spalt ist auch bei "geschlossenem" Ventilkörper 4 eine geringe Durchströmung möglich.