DE4316486A1 - Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Solche Ventile werden als Absperr- und/oder Regelventile verwendet, die in Anlagen mit Flüssigkeitskreisläufen eingebaut sind. In solchen Flüssigkeitskreisläufen ist mindestens eine Umwälzpumpe vorhanden, die das flüssige Medium fördert. Typische Beispiele solcher Anlagen sind Warmwasserheizungen. Durch die Umwälzpumpe wird im Flüssigkeitskreislauf eine mit dem Flüssigkeitsstrom einhergehende Druckdifferenz erzeugt. Über in der Anlage vorhandenen Absperr- und Regelventilen entstehen dadurch Druckdifferenzen, deren Größe eine Funktion des Öffnungsgrades, also der Ventilstellung ist.

In Flüssigkeitskreisläufen bilden Strömungsgeräusche ein Problem. Bei Absperr- und Regelventilen treten oftmals unangenehme Pfeifgeräusche mit Frequenzen von 2 kHz oder höher auf, die als sehr störend empfunden werden. Das Auftreten solcher Pfeifgeräusche hängt mit dem Öffnungsgrad der Ventile zusammen. Da der Öffnungsgrad bei Regelventilen durch die regeltechnischen Erfordernisse gegeben ist, hätte es nachteilige Folgen, wenn die Regelungseinrichtung so gestaltet würde, daß hinsichtlich Pfeifgeräuschen kritische Öffnungsgrade nicht zugelassen werden. Zudem hängt das Auftreten von Pfeifgeräuschen auch mit allerlei Zufälligkeiten einer Anlage zusammen, so daß das Vermeiden bestimmter Ventilstellungen keine Garantie für das Ausbleiben von Pfeifgeräuschen darstellt.

Bisherige Versuche zur Vermeidung von Pfeifgeräuschen betrafen vor allem Maßnahmen, die Druckverhältnisse in solchen Anlagen zu variieren. Das ist nicht nur sehr aufwendig, sondern hat vor allem den Nachteil, daß hingenommen werden muß, daß bei neu installierten Anlagen erst auf das Auftreten von Pfeifgeräuschen gewartet werden muß, ehe Maßnahmen zu deren Beseitigung eingeleitet werden können. In Anlagen mit einer Vielzahl von Regelventilen, beispielsweise Heizungsanlagen mit Einzelraumregelung durch thermostatische Regelventile, sind die hydraulischen Verhältnisse so stark variabel, daß mit Maßnahmen des Netzabgleichs oftmals keine befriedigende Lösung gefunden werden kann.

In der Schrift "F 1893" aus der Schriftenreihe des deutschen Bundesministers für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau, deren Inhalt vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik stammt, ist im März 1983 über Geräusche von Heizkörperventilen eingehend berichtet worden. Das Problem war zu diesem Zeitpunkt schon lange bekannt, denn beispielsweise in "Gesundheits-Ingenieur", 91. Jahrgang 1970, Heft 5, Seite 141 ff. ist über Untersuchung, Prüfung und Bewertung solcher Geräusche eine Abhandlung erschienen. Lösungsansätze wurden nicht angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Ventile zu schaffen, die im gesamten Arbeitsbereich frei von Pfeifgeräuschen sind.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Ventil mit einem Ventilkegel,

Fig. 2 ein Strömungsprofil-Diagramm,

Fig. 3 eine erste Ausführungsform eines Ventilkegels und

Fig. 4a und 4b eine weitere Ausführungsform.

In der Fig. 1 bedeutet 1 ein Ventilgehäuse eines als Durchgangsventil gestalteten Absperr- und Regelventils 2. Im Ventilgehäuse 1 ist ein Ventilsitz 3 angeordnet. Relativ zu diesem Ventilsitz 3 ist ein an einer Ventilspindel 4 befestigter Schließkörper wie beispielsweise ein Ventilkegel 5 bewegbar. Die Ventilspindel 4 ist in einer mit dem Ventilgehäuse 1 verschraubten Spindelführung 6 gehalten. Ein regelmäßig vorhandenes Antriebsorgan ist nicht gezeichnet.

Der Ventilsitz 3 weist in bekannter Weise eine ringförmige Sitzfläche 7 auf, ebenso der Ventilkegel 5 eine Sitzfläche 8. Zwischen diesen Sitzflächen 7 und 8 befindet sich ein Regelspalt 9. Durch Bewegung der Ventilspindel 4 relativ zum Ventilsitz 3 läßt sich der Regelspalt 9 in seiner Größe verändern. Liegen die Sitzflächen 7 und 8 unmittelbar aufeinander, so ist das Ventil 2 geschlossen, der Regelspalt 9 hat die Größe Null. Wird die Ventilspindel 4 in ihrer Lage so verändert, daß sich die Sitzfläche 7 von der Sitzfläche 8 entfernt, so wird der Regelspalt 9 größer und erreicht in der Endstellung "Geöffnet" seinen Maximalwert. Dieser Maximalwert bestimmt den größtmöglichen Durchfluß.

Mit einem Pfeil ist die Durchflußrichtung des Mediums durch das Ventil 2 eingezeichnet. Das Medium durchströmt zunächst einen Einlaßraum 10, gelangt dann in einen Anströmraum 11, passiert den Regelspalt 9 und verläßt schließlich das Ventil 2 durch einen Auslaßraum 12. Der Anströmraum 11 wird seitlich begrenzt durch eine Steuerfläche 13 des Ventilkegels 5 und eine Innenfläche 14 des Ventilsitzes 3. Üblicherweise hat die Steuerfläche 13 kegelstumpfförmige Gestalt, während die Innenfläche 14 zylindrisch ist. Der Anströmraum 11 hat am einlaßseitigen Ende seinen größten Querschnitt, der sich zum Regelspalt 9 hin verkleinert. Die Form des Anströmraums 11 hat Einfluß auf die Regelcharakteristik des Ventils 2. Die Abnahme des Querschnitts des Anströmraums 11 kann linear oder nichtlinear sein.

Die Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem auf der Abszissenachse die Abwicklung des Regelspalts 9 dargestellt ist. Da der Regelspalt 9 in der Projektion einen Kreisring darstellt, kann die Abwicklung als Umfangslinie von 0 bis 360 Grad aufgefaßt werden. Auf der Ordinatenachse ist die Strömungsgeschwindigkeit v des durch den Regelspalt 9 hindurchtretenden Mediums dargestellt. Bekannte Ventile zeigen ein Strömungsprofil gemäß Kurve A: An jedem Punkt der Abwicklung des Umfangs ist die Strömungsgeschwindigkeit v gleich groß.

Erfindungsgemäß ist beim Ventil 2 der Anströmraum 11 so gestaltet, daß sich im Regelspalt 9 ein ungleichmäßiges Strömungsprofil ergibt, wofür die Kurve B ein Beispiel darstellt. Bei einem ungleichmäßigen Strömungsprofil variiert die Strömungsgeschwindigkeit v über den Umfang.

Erfindungsgemäß bleibt für die Gestaltung des Anströmraumes 11 ein großer Freiraum, um die beabsichtigte Wirkung zu erreichen. Entscheidend ist, daß die Breite des Anströmraums 11 in Umfangsrichtung variiert. Die Breite des Anströmraums 11 an jedem Punkt des Umfangs wird bestimmt durch den Abstand zwischen der Steuerfläche 13 und der Innenfläche 14. Damit ist die Breite des Anströmraums 11 beeinflußbar durch die Gestaltung der Steuerfläche 13 und/oder der Innenfläche 14.

Vorteilhaft wird die Breite des Anströmraums 11 durch eine besondere Gestaltung der Steuerfläche 13 bestimmt, während die Innenfläche 14 eine regelmäßige zylindrische Gestalt aufweist. Dies bietet herstellungstechnische Vorteile.

In der Fig. 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Ventilkegel 5 gezeigt. Der Ventilkegel 5 besitzt in bekannter Weise die Sitzfläche 8. Die Steuerfläche 13 weist eine zylindrischen Teilfläche 13a, eine kegelstumpfförmige Teilfläche 13b und mindestens eine beispielsweise durch eine Fräsoperation herstellbare ebene Teilfläche 13c auf. Im Bereich der ebenen Teilfläche 13c ist somit der Anströmraum 11 (Fig. 1) erweitert, so daß hier die Strömungsgeschwindigkeit variiert und abweicht von jener, die sich im Bereich der zylindrischen Teilfläche 13a und der kegelstumpfförmigen Teilfläche 13b ergibt. Die sich im Anströmraum 11 ergebende unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit ergibt auch örtlich unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten im Regelspalt 9 (Fig. 1).

Sind am Ventilkegel 5 zwei ebene Teilflächen 13c vorhanden, die sich auf dem Umfang gegenüber liegen, so ergibt sich ein Strömungsprofil gemäß der Kurve B (Fig. 2). Mit einem Pfeil ist in der Fig. 3 die Strömungsrichtung dargestellt.

Die Fig. 4a und 4b zeigen zwei perspektivische Ansichten eines Ventilkegels 5, wie er in einem Dreiweg-Mischventil zur Anwendung kommt. Ein solches Dreiweg- Mischventil ist gekennzeichnet durch zwei Einlaßräume 10 und einen Auslaßraum 12. Der Ventilkegel 5 für ein solches Mischventil besitzt eine erste Sitzfläche 8 (Fig. 4a) und auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite Sitzfläche 8′ (Fig. 4b). In mit einem Pfeil gekennzeichneter Strömungsrichtung vor der Sitzfläche 8 befindet sich (Fig. 4a) wiederum eine erste Steuerfläche 13, die aus zylindrischen Teilflächen 13a, einer kegelstumpfförmigen Teilfläche 13b und beispielsweise vier, um 90 Grad gegeneinander versetzten ebenen Teilflächen 13c besteht. Es ist leicht einzusehen, daß das Strömungsprofil vier Maxima und vier Minima aufweist.

Auf der gegenüberliegenden Seite (Fig. 4b) befindet sich die zweite Sitzfläche 8′, vor der (in Strömungsrichtung gesehen, die wiederum mit einem Pfeil gekennzeichnet ist) eine zweite Steuerfläche 13′ angeordnet ist. Diese Steuerfläche 13′ besteht aus kegelstumpfförmigen Teilflächen 13b′ und ebenen Teilflächen 13c′, von denen je zwei vorhanden sind. Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen haben diese ebenen Teilflächen 13c eine andere Orientierung: sie liegen schräg zur Längsachse des Ventilkegels 5.

Bei dem in den Fig. 4a und 4b dargestellten Ventilkegel 5 weisen die Steuerflächen 13 und 13′ unterschiedliche Profilierung auf, was den Vorteil bietet, daß keine Resonanzerscheinungen auftreten.

Durch die Wahl der Gestaltung der Steuerflächen 13 bzw. 13′ durch unterschiedlich geformte und nach Anzahl verschiedene Teilflächen 13a, 13b und 13b bzw. 13a′, 13b′ und 13c′ besteht große Freiheit in der Erzeugung einer gewünschten Regelcharakteristik des Ventils 2.

Die Erfindung ist vorstehend zunächst am Beispiel eines Durchgangsventils dargestellt und dann ist auch angegeben, wie ein Ventilkegel 5 für ein Mischventil gestaltet werden kann. Sie ist in analoger Weise auch anwendbar bei Verteilventilen und sonstigen Bauarten von Absperr- und Regelarmaturen. Die Erfindung ist auch nicht beschränkt auf Ventile mit zylindrischen Ventilkegeln, sondern in gleicher Weise beispielsweise auch anwendbar bei Ventilen mit tellerförmigem Absperrorgan. Die dargestellten Beispiele der Gestaltung der Steuerflächen 13 bzw. 13′ mit zylindrischen, kegelstumpfförmigen und ebenen Teilflächen 13a, 13b und 13c bzw. 13a′, 13b′ und 13c′ sind ebenfalls nur eine beschränkte Auswahl aus den mannigfach sich bietenden Möglichkeiten. So sind auch gänzlich andere Formen denkbar. Dabei können auch kompliziertere Formen wirtschaftlich dann realisiert werden, wenn die Ventilkegel 5 als Sinter- oder Gußteile hergestellt werden.

Statt den Anströmraum 11 wie vorstehend beschrieben zu gestalten, läßt sich auch der als Abströmraum zu bezeichnende Raum, der in Strömungsrichtung hinter dem Regelspalt 9 liegt ausführen. Hier bestehen jedoch gewisse einschränkende Randbedingungen, die mit der Form des Ventilgehäuses 1 verbunden sind, so daß es vorteilhaft ist, in zuvor beschriebener Weise den Anströmraum erfindungsgemäß zu gestalten. Es ist auch möglich, sowohl den Anströmraum 11 als auch den Abströmraum entsprechend geometrisch zu profilieren.

Claims (8)

1. Ventil (2) für flüssige Medien mit mindestens einem Einlaßraum (10) und mindestens einem Auslaßraum (12), die durch ein Absperrorgan (3, 5) voneinander getrennt sind, wobei das Absperrorgan (3, 5) mindestens ein Paar von Sitzflächen (7, 8) aufweist, deren Abstand zueinander mit Hilfe eines Antriebsorgans zwischen Null und einem Maximalwert variierbar ist, wobei der Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Sitzfläche (7, 8) jedes Sitzflächen-Paares je einen Regelspalt (9) bildet, und mit einem jedem Regelspalt (9) zugeordneten Anströmraum (11), der sich in Strömungsrichtung vor dem Regelspalt (9) befindet und der die Regelcharakteristik des Ventils (2) durch eine Steuerfläche (13, 13′) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Anströmraum (11) und/oder ein in Strömungsrichtung hinter dem Regelspalt liegender Abströmraum geometrisch so gestaltet sind bzw. ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit v des Mediums im Regelspalt (9) ein ungleichmäßiges Strömungsprofil aufweist.

2. Ventil nach Anspruch 1, daß die gestalterischen Maßnahmen allein den Anströmraum (11) betreffen.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Anströmraums (11) in Umfangsrichtung variiert ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan mindestens einen Ventilsitz (3) und mindestens einen Schließkörper (5) aufweist, die den Regelspalt (9) einschließen und daß die Breite des Anströmraums (11) durch eine geometrische Profilierung einer Innenfläche (14) des Ventilsitzes (3) und/oder der Steuerfläche (13, 13′) des Schließkörpers (5) variiert ist.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfläche (13,13′) aus unterschiedlich geformten Teilflächen (13a, 13b, 13c) besteht.

6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfläche (13,13′) aus zylindrischen und ebenen Teilflächen (13a, 13a′; 13c, 13c′) besteht.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfläche (13) außerdem kegelstumpfförmigen Teilflächen (13b, 13b′) aufweist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 7 mit wenigstens zwei Einlaßräumen (10), dadurch gekennzeichnet, daß die an jeden der Einlaßräume (10) anschließenden Anströmräume (11) durch unterschiedliche Gestaltung der Steuerflächen (13,13′) unterschiedliche Geometrien aufweisen.