Die Erfindung bezieht sich auf einen Einsatz zur Montage in ein Ventilgehäuse oder ein Rohrglied zur dynamischen Strömungssteuerung eines Strömungsmediums, wobei der Einsatz umfasst:

• – einen ersten becherförmigen Teil, der mit einer Ausströmungsfläche versehen ist, die zumindest einen in einer Seitenwand des ersten becherförmigen Teils vorgesehenen, axialen Ausströmungsschlitz umfasst;
• – einen zweiten becherförmigen Teil, der im ersten becherförmigen Teil axial verlagerbar angeordnet und mit einer Einströmungsfläche versehen ist;
• – eine Druckfeder, die zum Ausüben einer Kraft angeordnet ist, welche die beiden becherförmigen Teile voneinander weg zu treiben sucht; wobei der zweite becherförmige Teil bezüglich des ersten becherförmigen Teils derart konfiguriert ist, dass der zumindest eine in der Seitenwand des ersten becherförmigen Teils vorgesehene, axiale Ausströmungsschlitz in Antwort auf eine Verlagerung des zweiten becherförmigen Teils bezüglich des ersten becherförmigen Teils geschlossen wird.

Ein solcher Einsatz ist z.B. aus der WO 95/12082 bekannt, die ein Ventil mit einem auf diese Weise konfigurierten Einsatz zeigt. Bei diesem Einsatz des Stands der Technik ist die Einströmungsfläche konstant, wohingegen die Ausströmungsfläche in Antwort auf den Druckunterschied über den Einsatz variiert; wobei die Schlitze, die die Ausströmungsfläche im ersten becherförmigen Teil festlegen, mittels des zweiten becherförmigen Teils nach und nach bedeckt werden, wenn sich der Druckunterschied erhöht. Dadurch wird die Ausströmungsfläche verringert, wodurch im Fall von variierenden Druckunterschieden eine im Wesentlichen konstante Menge von Strömungsflüssigkeit pro Zeiteinheit erhalten wird.

In der Praxis hat sich jedoch erwiesen, dass eine vollkommen konstante Menge pro Zeiteinheit nicht erhalten werden kann, und dies hauptsächlich aufgrund von Veränderungen der Federkraft, die für den Druckabfall über die Einströmungsfläche des Einsatzes kennzeichnend sind.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Einsatz zur Montage in ein Ventilgehäuse oder ein Rohrglied zur dynamischen Strömungssteuerung eines Strömungsmediums vorzusehen, wobei es mit diesem Einsatz, im Vergleich zu Einsätzen des Stands der Technik, in sogar noch höherem Maße möglich ist, einen konstanten Durchsatz pro Zeiteinheit zu erhalten.

Dies wird mittels des oben beschriebenen Einsatzes erreicht, der derart konfiguriert ist, dass die Einströmungsfläche des zweiten becherförmigen Teils zumindest einen in einer Seitenwand des zweiten becherförmigen Teils vorgesehenen, axialen Einströmungsschlitz umfasst, wobei der Einströmungsschlitz in Antwort auf die Verlagerung des zweiten becherförmigen Teils bezüglich des ersten becherförmigen Teils geschlossen wird.

Hierdurch wird erreicht, dass sowohl die Einströmungsfläche als auch die Ausströmungsflache in Antwort auf den Druckunterschied über den Einsatz variiert, wodurch es möglich ist, trotz der Änderungen der Federkraft von der verwendeten Druckfeder eine vollkommen konstante Flüssigkeitsströmung pro Zeiteinheit zu erhalten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform muss die Fläche des zumindest einen Einströmungsschlitzes derart ausgewählt sein, dass sie der folgenden Bedingung genügt: &Dgr;V_i/V_i = –S·&Dgr;s/s wobei V_i die gesamte Einströmungsfläche darstellt, &Dgr;V_i eine Änderung der gesamten Einströmungsfläche darstellt, s die vollständige Komprimierung der Druckfeder bezeichnet und &Dgr;s eine Änderung der vollständigen Komprimierung der Druckfeder bezeichnet. Die Einhaltung dieser Bedingung führt zu einem vollständigen Ausgleich der Erhöhung der Federkraft, wenn die Druckfeder während der Verformung (Komprimierung) des Einsatzes zusammengedrückt wird.

Vorzugsweise ist der Einsatz derart konfiguriert, dass die Verformung des Einsatzes innerhalb des Intervalls von 0 bis 35% der Komprimierung der Druckfeder von ihrem freien Ende aus stattfindet. Innerhalb dieses Intervalls verhält sich die antwortende Federkraft der Druckfeder zu deren Komprimierung linear proportional, und ist es deshalb möglich, eine einfache Konfiguration der Einströmungsschlitze zu erhalten. Unter diesen Bedingungen kann der zumindest eine Einströmungsschlitz mit einer konstanten Weite konfiguriert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine axiale Einströmungsschlitz mittels eines Dichtungsrings verschlossen, der im offenen Ende des ersten becherförmigen Teils vorgesehen ist, wobei der Dichtungsring bezüglich des zweiten becherförmigen Teils eine dynamische Dichtung bildet.

Die Einströmungsfläche des zweiten becherförmigen Teils kann in verschiedenen Ausführungsformen eine Anzahl von vorzugsweise kreisförmigen Einströmungsöffnungen umfassen, die in seiner Seitenwand vorgesehen sind, eine Einströmungsöffnung, die in seinem Endboden oder in der Form von Einströmungsöffnungen vorgesehen ist, deren Größen kontinuierlich eingestellt werden können. Diese verschiedenen Ausführungsformen von Einströmungsöffnungen bringen verschiedene Vorteile hervor, wie aus dem Nachfolgenden ersichtlich wird.

Die Erfindung wird nun ausführlicher und mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in welcher

1 eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einsatzes ist;

2 eine Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einsatzes ist;

3A eine Längsschnittansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einsatzes ist;

3B eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A der in 3A gezeigten Ausführungsform ist;

4A den in 1 gezeigten Einsatz zeigt, der in einem Ventilgehäuse angeordnet ist;

4B das Gleiche wie 4A mit einem betätigten Einsatz zeigt;

5 eine charakteristische Strömungskurve mit einem variierenden Druckunterschied über den Einsatz zeigt; und

6 eine Längsschnittansicht des in 1 gezeigten Einsatzes und der ihm zugeordneten Druckfeder ist.

Im Folgenden wird auf 1 Bezug genommen, die eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einsatzes zeigt. Der Einsatz umfasst einen ersten becherförmigen Teil 1 mit einer Seitenwand 3 und einem Endboden 4 und einen zweiten becherförmigen Teil 10 mit einer Seitenwand 18 und einem Endboden 19. Der zweite becherförmige Teil 10 kann im Inneren des ersten becherförmigen Teils 1 axial verlagert werden, wie später beschrieben werden wird. Zwischen den beiden becherförmigen Teilen 1, 10 ist eine teilweise zusammengedrückte Druckfeder 30 vorgesehen, von welcher ein Ende 31 auf dem Endboden 4 des ersten becherförmigen Teils 1 anliegt, wohingegen das andere Ende auf dem Endboden 42 einer Federführung 40 anliegt. Die Federführung 40 umfasst einen ersten Ring 41, der in gewissem Maße in den ersten becherförmigen Teil 1 passt, und einen zweiten Ring, der den Endboden 42 der Federführung 40 festlegt. Zwischen den beiden Ringen 41, 42 ist die Federführung 40 mit großen Öffnungen durchlöchert, die den Durchtritt des Mediums ohne wesentlichen Druckabfall zulassen.

Die Federführung 40 grenzt an der Unterseite des Rings 41 an den zweiten becherförmigen Teil 10 an und ist mittels der über die Druckfeder 30 übertragenen Federkraft an diesem befestigt. Zwischen dem ersten becherförmigen Teil 1 und dem zweiten becherförmigen Teil 10 ist ein Dichtungsring 50 vorgesehen, der bezüglich des zweiten becherförmigen Teils 10 eine dynamische Dichtung bildet, wenn der Letztgenannte bezüglich des ersten becherförmigen Teils 1 axial verlagert wird. Um alle diese Teile zum Bilden eines zusammengebauten Einsatzes zu befestigen, ist eine Bördelung 60 vorgesehen, die einen auf dem ersten becherförmigen Teil 1 nach außen vorspringenden Flansch umgibt und sich unter dem Dichtungsring 50 und einem nach außen vorspringenden Flansch erstreckt, der über demselben auf dem zweiten becherförmigen Teil 10 angeordnet ist.

In an sich bekannter Weise ist der erste becherförmige Teil 1 in der Seitenwand 3 mit einer Anzahl von sich axial erstreckenden Ausströmungsschlitzen 2 versehen, die in der gezeigten Ausführungsform entlang des gesamten Umfangs gleichmäßig verteilt sind. In ebenfalls an sich bekannter Weise ist der zweite becherförmige Teil 10 mit Einströmungsöffnungen 11 versehen, die in dieser Ausführungsform als kreisförmige Öffnungen konfiguriert sind, die sich in der Seitenwand 18 befinden. Der zweite becherförmige Teil 10 ist ferner mit einer Anzahl von sich axial erstreckenden Einströmungsschlitzen 12 von konstanter Weite versehen, deren Wirkung mit Bezug auf die 4A und 4B nachstehend beschrieben werden.

2 zeigt eine Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einsatzes. Dieser Einsatz entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Einsatz, und für die gleichen Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Der Unterschied zwischen den in den 1 und 2 gezeigten Einsätzen besteht in der Lage der Einströmungsöffnungen 11. Bei dem in 1 gezeigten Einsatz befindet sich eine Anzahl von Einströmungsöffnungen 11 in der Seitenwand 18 des zweiten becherförmigen Abschnitts 10, wohingegen der in 2 gezeigte Einsatz mit nur einer Einströmungsöffnung 11 versehen ist, die sich im Endboden 19 des zweiten becherförmigen Teils 10 befindet. Bezüglich der Strömung spielt es jedoch keine Rolle, ob sich die Einströmungsöffnungen 11 in der Seitenwand 18 oder im Endboden 19 befinden, wobei es jedoch möglich ist, durch das Auswählen einer Stelle anstelle einer anderen verschiedene Vorteile zu erhalten.

Durch das Anordnen einer Anzahl von Einströmungsöffnungen 11 in der Seitenwand 18 (1) ist es möglich, die Größe der gesamten Einströmungsfläche einzustellen, indem entweder während der Herstellung der Einströmungsöffnung 11 die Größe derselben variiert wird oder mittels Düseneinsätzen (nicht gezeigt), die in den kreisförmigen Einströmungsöffnungen 11 montiert werden können. Auf diese Weise kann der maximale Durchsatz durch den Einsatz äußerst einfach eingestellt werden. Unter Verwendung von z.B. sechs Einströmungsöffnungen 11 und nur drei verschiedenen Größen von Löchern (optional mittels Düseneinsätzen) ist es daher möglich, die gesamte Strömungsfläche in 13 verschiedenen Größen voreinzustellen.

Durch das Anordnen der Einströmungsöffnung 11 am Endboden 19 des zweiten becherförmigen Teils 10 (2) wird eine kürzere axiale Ausdehnung des zweiten becherförmigen Teils 10 erhalten, was beim Einfügen in ein Ventil oder Rohrglied eine Rolle spielen kann. Darüber hinaus ist es einfacher, diese Ausführungsform herzustellen als die Ausführungsform, bei welcher sich die Einströmungsöffnungen 11 in der Seitenwand 18 des zweiten becherförmigen Teils 10 befinden.

3A zeigt eine Ausführungsform eines Einsatzes, der kontinuierlich auf eine gewünschte Einströmungsfläche und somit auf einen gewünschten Maximaldurchsatz pro Zeiteinheit durch den Einsatz eingestellt werden kann. Auch bei dieser Ausführungsform werden für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 verwendet.

In der in 3A gezeigten Ausführungsform ist der zweite becherförmige Teil 10 nicht mit einem integralen Endboden 19 versehen, wie es bei den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen der Fall ist. Stattdessen ist der zweite becherförmige Teil 10 mit einer Einfassung 13 versehen, die derart konfiguriert ist, dass sie in der Lage ist, mittels einer entsprechenden Verlagerung derselben eine oder mehrere Einströmungsöffnungen 11 zu verschließen. Vorzugsweise ist die Einfassung 13 derart konfiguriert, dass das Mittel in der Lage ist, ohne wesentlichen Druckabfall durch diese hindurchzuströmen, wobei ihr Einfluss auf die Strömung minimal ist. Außerdem sind Mittel vorgesehen, um die Drehung der Einfassung 13 zu verhindern, wobei die Mittel bei der gezeigten Ausführungsform in 3B, die eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 3A ist, ausführlicher gezeigt sind. Diese Mittel umfassen eine sich axial erstreckende Nut 17 im zweiten becherförmigen Teil 10 und einen Vorsprung 13A, der mit der Nut 17 in Eingriff steht und auf dem einen Bein auf der Einfassung 13 vorgesehen ist.

Die Einfassung 13 ist über ein Führungsgewinde 14 derart mit einer Welle 15 verbunden, dass eine Drehung der Welle 15 eine lineare, axiale Verlagerung der Einfassung 13 erzeugt, um die Einströmungsflächen 11 mehr oder weniger zu verschließen. Die Größe der Einströmungsfläche wird somit mittels eines geeigneten Schlüssels durch die Drehung der Welle 15 voreingestellt, und kann das Einstellen anschließend mittels einer Verriegelungsmutter 16 abgeschlossen werden, die nach dem Festziehen eine unerwünschte Selbstbetätigung der Welle 15 verhindert.

Die 4A und 4B zeigen eine Draufsicht der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einsatzes, der in 1 gezeigt und in einem Ventilgehäuse 80 angeordnet ist. Wie gezeigt, liegt der auf dem ersten becherförmigen Teil 1 nach außen vorspringende Flansch an einem nach innen vorspringenden Flansch 83 an, der im Ventilgehäuse vorgesehen ist, wobei zwischen dem Einsatz und dem Ventilgehäuse 80 jedoch ein O-Ring 81 angeordnet ist, um zwischen diesen Teilen eine statische Dichtung vorzusehen. Dadurch wird sichergestellt, dass das Medium durch den Einsatz hindurchtritt und von diesem gesteuert wird. In einer Nut im Ventilgehäuse 80 ist ein Federring montiert, um den Einsatz darin zu befestigen.

Falls das Ventilgehäuse 80 in einem Rohrsystem angeordnet ist, nimmt der Einsatz zunächst die in 4A gezeigte Lage ein, wobei der Druckunterschied über das Ventil so klein ist, dass der Einsatz nicht betätigt wird, um den Durchsatz zu steuern. Diese Situation ist in 5 ausführlicher gezeigt, die eine charakteristische Strömungskurve im Fall von einem variierenden Druckunterschied über den Einsatz zeigt. So lange der Druckunterschied unter dem in 5 anhand der strichpunktierten Linie angegebenen Steuerungsschwellenwert bleibt, ist die Federkraft der Druckfeder 30 groß genug, um die Verlagerung des zweiten becherförmigen Abschnitts 10 in den ersten becherförmigen Teil 1 zu verhindern.

Falls sich der Druckunterschied über den Einsatz auf einen Wert erhöht, der über dem angegebenen Schwellenwert liegt, ist die Federkraft der Druckfeder 30 nicht mehr in der Lage, dem Zugangsdruck standzuhalten, und wird der zweite becherförmige Abschnitt 10 nach und nach in den ersten becherförmigen Teil 1 verlagert, wie in 4B gezeigt. Wie aus der 4B ersichtlich, sind die Einströmungsöffnungen 11 nicht geschlossen, wohingegen sich die Einströmungsschlitze 2 als Folge des erhöhten Druckunterschieds nach und nach schließen. Diese allgemein bekannte Funktion bringt einen ungefähr konstanten Durchsatz pro Zeiteinheit durch den Einsatz hervor. Die Druckfeder 30 steuert jedoch eine Federkraft bei, die sich mit dem erhöhten Druckunterschied und folglich mit der stärkeren Verlagerung des zweiten becherförmigen Teils 10 in den ersten becherförmigen Teil 1 erhöht, und um diese Variation der Federkraft mit zu berücksichtigen, ist der zweite becherförmige Teil 10 gemäß der Erfindung mit sich axial erstreckenden Einströmungsschlitzen 12 von konstanter Weite versehen, die in Antwort auf die Verlagerung des zweiten becherförmigen Teils 10 in den ersten becherförmigen Teil 1 geschlossen werden. Das Schließen der Einströmungsschlitze 12 wird mittels des Dichtungsrings 50 bewerkstelligt, der, wie oben erwähnt, bezüglich des zweiten becherförmigen Teils 10 eine dynamische Dichtung bildet, wenn sich der letztgenannte bezüglich des ersten becherförmigen Teils 1 axial verlagert.

Im Folgenden wird die Theorie hinter der vorliegenden Erfindung erörtert, wobei auf 6 Bezug genommen wird, die eine Längsschnittansicht des in 1 gezeigten, in einem Ventilgehäuse montierten Einsatzes und der ihm zugeordneten Druckfeder 30 in einem nicht vorgespannten Zustand ist.

Der erste becherförmige Teil 1 und der zweite becherförmige Teil 10 können als Zylinder bzw. Kolben betrachtet werden, und ein solcher Kolben nimmt bezüglich des Zylinders eine Lage ein, in welcher der Druckunterschied (P₁–P₂) und sein Einfluss auf die Kolbenfläche A mittels der Federkraft F ausgeglichen wird, die das Ergebnis einer antwortenden Komprimierung der Druckfeder 30 ist. Der Druckunterschied (P₁–P₂) ist durch den Druck P₁ außerhalb des Einsatzes und den Druck P₂ im Innern des Einsatzes festgelegt und hängt von der Größe der gesamten Einströmungsfläche ab. Im Fall einer zylindrischen Druckfeder verhält sich die Federkraft F der Druckfeder 30 zu der vollständigen Komprimierung der Druckfeder 30 proportional und wird die Federkonstante im Folgenden mit C_s bezeichnet.

Der gesamte Druckabfall über den Einsatz kann mit (P₁–P₃) bezeichnet werden und ist in den Druckunterschied (P₁–P₂) und den verbleibenden Druckabfall (P₂–P₃) aufgeteilt. Der verbleibende Druckabfall (P₂–P₃) beeinflusst lediglich die relative Verformung (Komprimierung) des Einsatzes und gehört daher nicht zu den folgenden Ableitungen.

Bei einem gegebenen Kräftegleichgewicht des Kolbens trifft Folgendes zu: (P₁–P₂)·A = F(1) und da sich die Druckkraft F, wie oben angegeben, zu der vollständigen Komprimierung s der Druckfeder 30 proportional verhält, wie ausgedrückt durch: F = C_s·s(2) ergibt die Kombination von Gleichung (1) und (2): (P₁–P₂)·A = C_s·s(3) wovon die folgende Differenzialgleichung abgeleitet werden kann: d(P₁–P₂) = (C_s/A)·d(s)(4)

Der Durchsatz oder die Strömung Q durch die gesamte Einströmungsfläche ist durch das Produkt der Einströmungsfläche V_i, eines konstanten Durchsatz- oder Strömungskoeffizienten f_c und der Quadratwurzel des Druckunterschieds über den Einsatz festgelegt, d.h.: Q = V_i·f_c·√(P₁–P₂)(5)

Die Differenzialgleichung davon kann abgeleitet werden als: d(Q) = d(V_i)·f_c·√(P₁–P₂) + V_i·f_c·S(d(P₁–P₂)/√(P₁–P₂))(6)

Da das Ergebnis der Steuerungsfunktion des Einsatzes derart sein muss, dass der Durchsatz konstant gehalten wird, muss zutreffen, dass d(Q) = 0 ist, was bedeutet, dass: S·V_i·f_c·(d(P₁–P₂)/√(P₁–P₂)) = –fc·√(P₁–P₂)·d(V_i)(7) ↓ S·V_i·f_c·d(P₁–P₂) = –(P₁–P₂)·d(V)(8)

Aus den Gleichungen (8), (1), (2) und (4) kann abgeleitet werden: S· V_i·(C_s/A)·d(s) = –(C_s/A)·s·d(V_i)(9) ↓ S·V_i·d(s) = –s·d(V_i)(10)

Bei relativ kleinen Änderungen der Verformung des Einsatzes bezüglich der vollständigen Komprimierung der Druckfeder 30 von ihrem freien Ende aus drückt die Gleichung (10) aus, dass sich die relative Änderung der Einströmungsfläche zu der Verformung des Einsatzes proportional verhält. Dies kann auch folgendermaßen ausgedrückt werden: &Dgr;V_i/V_i = –S·&Dgr;s/s(11)

Somit wird ersichtlich, dass zumindest im Fall einer relativen Verformung von weniger als 35% der Komprimierung des Druckfeder 30 von ihrer freien Länge aus eine lineare Änderung der Einströmungsfläche im Übereinstimmung mit der Gleichung (11) einen konstanten Durchsatz durch den Einsatz zur Folge hat. Es ist genau dieser Umstand, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bei welchem der zweite becherförmige Teil 10 mit axialen Einströmungsschlitzen 12 von konstanter Weite versehen ist, die in Antwort auf die Verlagerung des zweiten becherförmigen Teils 10 in den ersten becherförmigen Teil 1 geschlossen werden.

Die Erfindung ist mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden. Es steht anderen als den oben beschriebenen und in den Figuren gezeigten Konfigurationen jedoch nichts im Wege. Beispielsweise können mehr oder weniger Einströmungsöffnungen 11 und/oder Einströmungsschlitze 12 vorgesehen sein, und je nach Bedarf kann selbstverständlich des Weiteren auch die Anzahl von Ausströmungsöffnungen 2 variiert werden. Die Größe und die Lage der Einströmungsöffnungen 11, der Einströmungsschlitze 12 und der Ausströmungsschlitze 2 können je nach Bedarf selbstverständlich ebenfalls variiert werden. Schließlich kann mittels Kombinieren einer Anzahl von Einströmungsschlitzen verschiedener Weiten unter der Voraussetzung ein einzelner Einströmungsschlitz 12 von konstanter Weite erhalten werden, dass die Summe dieser Breiten in jeglichem Querschnitt konstant ist.