ЭЛЕМЕНТ РЕГУЛИРУЮЩЕГО ВЕНТИЛЯ
CONTROL VALVE ELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к разгруженному от давления элементу регулирующего вентиля согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Подобного типа элементы регулирующего вентиля клапана применяются в области регулирования расхода или регулирования перепада давлений в регулирующих вентилях, в частности в системах отопления или охлаждения в зданиях.
Уровень техники
Прежде всего в управляемых с помощью мембраны регулирующих вентилях часто возникает проблема, состоящая в том, что регулирующий элемент подвержен различным силам, вызываемыми протекающей водой, в зависимости от расхода воды. Если вода с небольшой скоростью и высоким давлением проходит через седло клапана подлежащего регулированию вентиля, то регулирующий элемент этим высоким давлением отклоняется, например, против давления пружины. При небольшом расходе воды регулирующий элемент отклоняется менее сильно, так как давление воды и сила пружины уравнивают друг друга в другом положении. Подобного типа поведение регулирующего элемента вентиля, однако, проблематично, если наряду с силами пружины, дополнительные установочные силы, например, оказывая действие через мембрану, воздействуют на регулирующий элемент или соединенный с ним исполнительный элемент, так как в этом случае положение регулирующего элемента зависит от мгновенного расхода воды через седло клапана. Это ведет к поведению регулирующего элемента таким образом, что положение регулирующего элемента зависит как от заданной установочной силы, так и от фактического расхода воды через седло клапана. Подобного типа дополнительная зависимость представляет проблему поскольку таким образом не определяется регулировочная характеристика или дополнительная величина неравномерности воздействует на регулирующий элемент.
Задачей изобретения является разработка элемента регулирующего вентиля клапана, регулирующий элемент которого имеет установочную характеристику, при которой положение регулирующего элемента остается в значительной степени независимым от расхода воды через седло клапана. Габариты должны быть ограничены и устройство должно быть простым по конструкции.
Давление воды, проходящей через седло клапана, является не постоянным, а из-за сужения живого сечения при проходе седла клапана снижается от середины седла клапана или закрывающей поверхности регулирующего элемента в направлении к его или ее наружной области. На этом основании для этого случая не применимы распространенные методы разгрузки от давления элемента регулирующего вентиля, так как в зависимости от скорости воды и также положения регулирующего элемента в середине или в наружной области торцевой поверхности регулирующего элемента господствуют различные условия давления.
В изобретении разгруженный от давления элемент регулирующего вентиля независимо от давления воды или расхода, а также своего положения показывает ту же самую регулировочную характеристику. Положение регулирующего элемента при этом определяется только заданным извне регулирующим воздействием, в то время как положение регулирующего элемента, а также расход воды не оказывают никакого влияние на регулирующий элемент.
Раскрытие изобретения
Изобретение решает задачу с элементом регулирующего вентиля согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения с признаками отличительной части пункта 1.
Предпочтительные формы осуществления элемента регулирующего вентиля описываются в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно изобретению преимущество заключается в том, что благодаря снятию давления на двух радиально отстоящих друг от друга устьях отделенных друг от друга отверстиях раздельно друг от друга снимаются различные условия давления в центральной внутренней области и близкой к краю наружной области торцевой поверхности регулирующего элемента и направляются в отдельные, уплотненные взаимно и не имеющие непосредственного жидкостного соединения камеры.
Предпочтительный вариант исполнения согласно п.2 дает преимущество в том, что позиционирование периферического отверстия или его устья может просто устанавливаться в области течения, лежащей перед торцевой поверхностью регулирующего элемента. Благодаря применению различных концевых пластинок могут устанавливаться различные положения устья периферического отверстия. Поскольку имеется несколько периферических отверстий, они имеют то же самое расстояние от оси цилиндрического регулирующего корпуса. Преимущественным образом периферическое отверстие выходит на крае или периметре имеющей форму круга концевой пластинки.
Особенно простая конструкция может получаться с признаками отличительной части пункта 3 формулы изобретения.
С отличительной частью пункта 4 формулы изобретения изготавливается простой регулятор разности давления, разность давления которого получается как разность между давлением, приложенным к центральному отверстию, и заданным давлением на мембрану.
Особенно просто изготовляемая и точно работающая форма осуществления предложенного согласно изобретению элемента вентиля характеризуется признаками отличительной части пункта 5 формулы изобретения.
Предпочтительная форма осуществления согласно пункту 6 формулы изобретения позволяет при простой конструкции простую подачу внешне снятого давления для управления вентилем.
Элемент вентиля с признаками отличительной части пункта 7 формулы изобретения предлагает особенно простую конструкцию периферического отверстия. Радиальное расстояние выбирается в зависимости от ожидаемых рабочих параметров расхода воды или желательной характеристики регулирования.
Элемент вентиля с признаками отличительной части пункта 8 формулы изобретения имеет особо экономящую место конструкцию при широких диапазонах остающейся точной характеристики регулирования.
У элемента вентиля согласно признаку отличительной части пункта 9 формулы изобретения положение устья или устьев периферического отверстия может оптимально регулироваться для многих областей применения.
С признаками отличительной части пункта 10 формулы изобретения уравнительное давление, исходящее от периферической камеры, или из этого следующее уравнительное давление регулируется оптимально. К тому же мембрана может выбираться меньше, чем у нынешних конструкций мембранных регулирующих вентилей.
Предпочтительные формы осуществления предложенного согласно изобретению элемента вентиля или вентильного устройства ниже более подробно поясняются с помощью фигур.
Фиг.1 показывает форму осуществления предложенного согласно изобретению элемента регулирующего вентиля.
Фиг.2 показывает вентильное устройство со встроенным элементом регулирующего вентиля в открытом состоянии.
Фиг.3 показывает концевую пластинку элемента регулирующего вентиля.
Фиг.4 показывает регулирующий элемент элемента регулирующего вентиля.
Фиг.1 показывает предпочтительное предложенное в соответствии с изобретением исполнение элемента 10 регулирующего вентиля в разрезе. Элемент 10 регулирующего вентиля включает корпус 1 вентиля, который пронизан установленным с возможностью перемещения в нем исполнительным элементом 2. При этом исполнительный элемент 2 образован цилиндрическим и пронизывает цилиндрическую выемку 11 корпуса 1 вентиля. Радиус цилиндрической выемки 11 при этом на около от 1 до 5% больше радиуса исполнительного элемента, так что исполнительный элемент 2 без трения может перемещаться по отношению к корпусу 1 вентиля. Дополнительно во время работы элемента 10 регулирующего вентиля промежуточная область между исполнительным элементом 2 и корпусом 1 вентиля заполнена водой, причем эта промежуточная область функционирует в качестве напорного трубопровода.
На удаленном от корпуса 1 вентиля конце исполнительного элемента 2 расположен имеющий форму поршня или цилиндрический регулирующий элемент 3, детально изображенный на фиг.5. Этот регулирующий элемент 3 имеет уплотнительную или торцевую поверхность 31, которая обращена от корпуса 1 вентиля. Ось X цилиндрического регулирующего элемента 3 в этой особой форме осуществления идентична с осью X цилиндрически образованного исполнительного элемента 2.
Регулирующий элемент 3 имеет сквозное центральное отверстие 4, которое проходит от торцевой поверхности 31 регулирующего элемента 3 к его противоположной торцевой поверхности 31 задней поверхности 35 аксиально в направлении к корпусу 1 вентиля. Это центральное отверстие 4 преимущественным образом только частично пронизано исполнительным элементом 2, так что с одной стороны движения исполнительного элемента 2 передаются непосредственно регулирующему элементу 3 и с другой стороны давление воды, которое господствует у устья 47 центрального отверстия 4 на торцевой стороне 31, беспрепятственно действует в области общего центрального отверстия. Это означает, что для передачи давления в распоряжении имеется достаточно большое поперечное сечение, например, в диапазоне нескольких квадратных миллиметров, таким образом давление от устья 47 центрального отверстия 4 в течение всего времени может передаваться на торцевую поверхность 31 через центральное отверстие 4.
В представленной на фиг.1 форме осуществления предложенного согласно изобретению элемента 10 регулировочного вентиля корпус 1 вентиля имеет два концентрических в форме полых цилиндров или в форме цилиндрических колец кольцевых выступа 14, 15, которые имеют примерно одинаковую толщину. Радиус внутреннего кольцевого выступа 14, естественно, меньше, чем радиус наружного кольцевого выступа 15. Далее, регулирующий элемент имеет на своей задней поверхности два кольцевых выступа 32, 33 в форме полых цилиндров или цилиндров с различным радиусом, т.е. внутренний кольцевой выступ 32 регулирующего элемента 3, а также наружный кольцевой выступ 33 регулирующего элемента 3. Внешняя область боковой поверхности внутреннего или наружного кольцевого выступа 14, 15 корпуса 1 вентиля, а также внутренние области боковой поверхности внутреннего или наружного кольцевого выступа 32, 33 регулирующего элемента 3 не должны при этом обязательно быть выполнены в виде цилиндра, а могут, как в качестве примера изображено в наружной области внутреннего кольцевого выступа 14 корпуса 1 вентиля, иметь слегка коническую форму.
Внутренний радиус внутреннего кольцевого выступа 14 корпуса при этом соответствует в основном наружному радиусу 32 внутреннего кольцевого выступа регулирующего элемента 3, причем наружный радиус внутреннего кольцевого выступа 32 регулирующего элемента 3 примерно на 0,15-0,2 мм меньше, чем внутренний радиус внутреннего кольцевого выступа корпуса 1.
Таким же образом размеры наружных кольцевых выступов 15, 33 находятся друг к другу в соотношении: внутренний радиус наружного кольцевого выступа 15 корпуса 1 соответствует при этом в основном наружному радиусу наружного кольцевого выступа 33 регулирующего элемента 3, причем наружный радиус наружного кольцевого выступа 33 регулирующего элемента 3 примерно на 0,15-0,2 мм меньше, чем внутренний радиус наружного кольцевого выступа 15 корпуса 1.
Внутренний кольцевой выступ 14 корпуса 1 клапана охватывает таким образом внутренний кольцевой выступ 32 регулирующего элемента 3. Наружный кольцевой выступ 15 корпуса 1 вентиля охватывает таким образом наружный кольцевой выступ 33 регулирующего элемента 3. В этом примере осуществления внутренний и наружный кольцевой выступ 14, 15 корпуса 1 вентиля имеют на своей наружной области боковой поверхности кольцевые канавки 16, 17, в которые установлены уплотнительные кольца 18, 19. Если при движении исполнительного элемента 2 регулирующий элемент 3 смещается относительно корпуса 2 вентиля (по-видимому, позиция 1, прим. переводчика) или активизируется, уплотнительные кольца 18, 19 скользят вдоль на внутренних областях периметра внутреннего или наружного кольцевого выступа 14, 15. Две отделенные друг от друга камеры 5, 8, а именно, центральная камера 5 во внутренней области внутреннего кольцевого выступа 14 корпуса 1 вентиля и периферическая камера 8 в области между внутренним кольцевым выступом 14 корпуса 1 вентиля и наружным кольцевым выступом 15 корпуса 1 вентиля изменяются соответственно в своем объеме.
Центральная камера 5 ограничивается корпусом 1 вентиля, а также внутренним кольцевым выступом 32 регулирующего элемента 3. Центральное отверстие 4 выходит в центральную камеру 5. В этом примере осуществления корпус 1 вентиля имеет на стороне, обращенной к регулирующему элементу 3, во внутренней области внутреннего кольцевого выступа 32 выемку 51, которая охватывает область выхода по центру и соосно установленного исполнительного элемента 2. Эта выемка 51 продолжается примерно до половины поверхности корпуса 1 вентиля внутри внутреннего кольцевого выступа 14. Кроме того, от нее и внутри внутреннего кольцевого выступа 14 проходит поверхность корпуса 1 вентиля приблизительно параллельно к торцевой поверхности 31 регулирующего элемента 3 или нормально к оси X исполнительного элемента 2. Эта выемка является частью центральной камеры 5.
Периферическая камера 8 образована между внутренним и наружным кольцевым выступом 14, 15 корпуса 1 вентиля и ограничивается регулирующим элементом 3. Периферическая камера 8 имеет периферическое отверстие 8, которое ведет от периферической камеры 8 к торцевой поверхности 31 регулирующего элемента 3 и выходит на расстоянии А от оси X регулирующего элемента 3.
Когда исполнительный элемент 2 смещается относительно корпуса 1 вентиля и при этом выводит регулирующий элемент 3 из корпуса 1 вентиля, происходит увеличение центральной камеры 5 и периферической камеры 8.
Прилагаемое к устью 47 центрального отверстия 4 давление направляется внутрь центральной камеры 5 и прилагается благодаря приближенно статическому режиму давления к каждой точке, в частности к каждой точке стены стеновой поверхности центральной камеры 5. Сила, действующая на регулирующий элемент 3, зависит как от давления, так и от поверхностей, на которые воздействует давление. В данном примере осуществления поверхность центральной камеры 5, на которую воздействует давление, соответствует проекции поверхности внутреннего кольцевого выступа 32 регулирующего элемента, обращенной к корпусу 1 вентиля, на торцевую поверхность 31 регулирующего элемента 3. Если поверхность внутреннего кольцевого выступа регулирующего элемента 3, обращенная к корпусу 1 вентиля, и торцевая поверхность 31 регулирующего элемента 3 лежат параллельно, поверхность, на которую действует давление, равна поверхности внутреннего кольцевого выступа 32 регулирующего элемента 3, обращенной к корпусу 1 вентиля.
Аналогично получается сила, которая благодаря давлению в периферической камере 8 оказывает воздействие на регулирующий элемент 8 (по-видимому, позиция 3, прим. переводчика), причем давление внутри периферической камеры 8 соответствует давлению у устья 77 периферического отверстия 7 на торцевую поверхность 31 регулирующего элемента 3. Поверхность, на которую воздействует давление, соответствует примерно поверхности круглого кольца с внутренним диаметром, который соответствует наружному диаметру внутреннего кольцевого выступа 14 корпуса 1 вентиля, и наружному диаметру, который соответствует внутреннему диаметру наружного кольцевого выступа 33 регулирующего элемента 3.
2
Далее фиг.1 показывает примыкающую к регулирующему элементу 3 концевую пластинку 12; пространственный вид концевой пластинки 12 можно видеть на фиг.3. Как видно на фигурах 1 и 4, регулирующий элемент 3 имеет несколько сквозных цилиндрических каналов 71, которые ведут от торцевой поверхности 31 к задней поверхности 35 регулирующего элемента 3. Цилиндрические каналы 71 расположены преимущественно на одинаковых расстояниях от оси X регулирующего элемента 3, а также на одинаковых азимутальных расстояниях друг к другу и проходят параллельно оси X. На фиг.1 эти каналы 71 изображены в разрезе. В данном примере осуществления часть периферического отверстия 7 от периферической камеры 8 к торцевой поверхности 31 регулирующего элемента 3 образована цилиндрическими каналами 71 регулирующего элемента. Концевая пластинка 12, которая примыкает к регулирующему элементу 3, на стороне, обращенной к торцевой поверхности 31 регулирующего элемента 3, имеет выполненную в форме круга выемку 72, причем центр круга лежит на оси X цилиндрического регулирующего элемента 3 и радиус круга соответствует расстоянию выемок 71 от оси X цилиндрического регулирующего элемента 3. Ширина этой выемки 72 соответствует примерно диаметру выемок 71, при необходимости ширина выемки 72 может выбираться даже больше. Концевая пластинка 12 имеет несколько радиально направленных наружу и примыкающих к имеющей форму круга выемке 72 других выемок 73, которые ведут до периметра концевой пластинки 12. Глубина и ширина выемки 12 или других выемок 73 может выбираться в диапазоне около 100 µм. Концевая пластинка 12 непосредственно примыкает к торцевой поверхности регулирующего элемента 3. Диаметр выемок 71, ширина выемки 72, а также ширина других выемок 73 лежат в диапазоне от 500 µм до 2 мм. Поперечное сечение выемок 71, ширина выемки 72, а также ширина других выемок 73 лежат в диапазоне от 0,2 до 2 мм.
Далее концевая пластина 12 имеет отверстие 41, продолжающее отверстие 4, причем это продолжающее отверстие 41 выходит на стороне концевой пластины 12, обращенной от торцевой стороны 31, в области оси X регулирующего элемента 3. Продолжающее отверстие 41 уплотнено относительно кольцевой выемки 72, причем регулирующий элемент 3 на своей торцевой поверхности 31 имеет кольцевую канавку 69, в которую установлено кольцевое уплотнение 68. Положение или радиус кольцевого уплотнения 68 или кольцевой канавки 69 выбрано так, что кольцевым уплотнением 68 охватывается одно устье 47 центрального отверстия 4, а не расположенные с торцевой стороны устья 77 выемки 71.
Ниже более подробно поясняется понятие поверхности, на которую воздействует давление. Так как поверхности конструктивных элементов вентиля, которые находятся под воздействием давления воды, не обязательно располагаются нормально к направлению их поверхности, а зачастую стоят под углом или наклонно к направлению закрытию вентиля, для определения действующих сил, т.е. сил в осевом направлении оси X или в направлении закрытия, определяются эффективные поверхности, которые определяются проекцией соответствующей поверхности, например, поверхности мембраны, на поверхность, расположенную нормально к оси X или направлению закрытия. Проекция проходящей отчасти изогнутой поверхности, называется эффективной поверхностью или частью поверхности, на которую воздействует давление. Это делает возможным простой расчет соотношения сил только на основе имеющегося давления, воздействующего на поверхности. Поверхность мембраны, на которую воздействует давление, например, упрощенно называется мембранной поверхностью, на которую воздействует давление.
В настоящем случае в качестве предпочтительных оказался следующий выбор размеров: поверхность концевой пластинки 12, на которую воздействует давление, лежит между 60 и 80% торцевой поверхности 31 регулирующего элемента 3, на которую действует давление. Так как торцевая поверхность 31 регулирующего элемента 3 в данном случае расположена нормально к оси X, поверхность торцевой поверхности 31 и поверхность, на которую действует давление, торцевой поверхности 31 идентичны.
Периферическое отверстие 4 образуется выемками 71, кольцевой выемкой 72 концевой пластинкой 12, а также радиальными другими выемками 73 концевой пластинки 12.
В представленном на фиг.1 элементе 10 регулирующего вентиля через центральное отверстие 4, т.е. промежуточную область между исполнительным элементом 2 и корпусом 1 вентиля, давление воды от концевой пластинки 12 направлено к центральной камере 5. Кроме того, от удаленного по отношению к регулирующему элементу 3 конца центральной камеры 5 в промежуточной области между исполнительным элементом 2 и корпусом 1 вентиля продолжение центрального отверстия 4 ведет к первой камере 101 регулирования. Эта камера 101 регулирования с одной стороны ограничена корпусом 1 вентиля и с другой стороны мембраной 110. Эта мембрана 110, как представлено в данном примере осуществления, соединена с исполнительным элементом 2, причем отклонения мембраны 110 имеют следствием установочные движения исполнительного элемента 2 и в итоге регулирующего элемента 3. На другой стороне мембраны 110 присоединена вторая 102 регулирования, которая имеет подключение 105 для регулирования давления для заданного давления или противодавления на мембрану 110.
Поверхность мембраны 110 благодаря благоприятным свойствам обтекания предложенного согласно изобретению элемента 10 регулирующего вентиля может выбираться очень небольшой, так что эффективная поверхность, на которую воздействует давление, торцевой поверхности 31 регулирующего элемента 3 лежит в диапазоне между 25 и 50% эффективной мембранной поверхности 110, на которую воздействует давление.
Вентильное устройство 500, как изображено на фиг.2, может простым способом изготовляться с помощью представленного на фиг.1 элемента 10 регулирующего вентиля. Представленное вентильное устройство 500 имеет подвод 501 и отвод 502, причем предусмотрено седло 503 клапана с поверхностью, по которой протекает жидкость, параллельно к направлению потока. Вода сначала течет через подвод 501, проходит седло 503 клапана, причем регулирующий элемент 3 расположен в находящейся ниже по течению области седла 503 клапана. Элемент 10 регулирующего вентиля пронизывает отверстие 507 области боковой поверхности корпуса 510 вентильного устройства 500, расположенной ниже по течению клапанного седла 503. Отверстие 507 имеет наружную резьбу 508, причем элемент 10 регулирующего вентиля вставлен в отверстие 507. Элемент 10 регулирующего вентиля со своим корпусом 1 фиксируется между накидной гайкой 520 с внутренней резьбой и краем отверстия 507. Накидная гайка 520 навинчена при этом против наружной резьбы 508 и таким образом устанавливает положение элемента 10 регулирующего вентиля по отношению к вентильному устройству 500.
Регулирующий элемент 3 элемента 10 регулирующего вентиля закрывает седло 503 клапана или регулирует проток через седло 503 клапана против давления воды. Регулирующий элемент 3 в ходе своих регулирующих движений таким образом подвержен постоянным колебаниям давления воды, причем на торцевой поверхности 31 регулирующего элемента 3 дополнительно господствует пространственно неоднородное давление. В области оси X давление существенно выше, чем в периферических или близких к периметру областях торцевой поверхности 31.
Регулирование осуществляется, во-первых, с помощью сил, действующих на мембрану 110, которые получаются из эталонного давления, приложенного к подключению 105 для регулирования давления, а также давления воды, приложенного к центральному отверстию 4. С помощью пружины 107 мембрана 110 удерживается в предварительно установленном равновесии, а также в позиции, заданной этим положением равновесия, причем это положение равновесия зависит от расхода воды. Если расход воды возрастает, то на торцевой поверхности регулирующего элемента 3 будет иметь место большое радиальное падение давления, что нарушает установленное положение равновесия и возникает тенденция к уменьшению протока.
Напротив если, как предусмотрено согласно изобретению, давление в периферической области торцевой поверхности 31 в камере 8 оказывается на регулирующий элемент 3, вызванная потоком воды совсем небольшая сила в значительной мере компенсируется совсем небольшой противодействующей силой, исходящей от периферической камеры 8, что уменьшает зависимость положения равновесия от расхода воды. Таким образом, положение равновесия зависит только от разности давления, приложенной к мембране 110, а не от условий обтекания на седле 503 клапана соответственно торцевой поверхности 31.
На основании нелинейности зависимости от характера падения давления воды и расхода воды для заданного расхода воды могут рассчитываться оптимальные размеры периферической камеры 8. Часть поверхности эффективной внутренней поверхности периферической камеры 8, которая обращена к торцевой поверхности 31, лежит преимущественным образом между 85 и 115% седла 503 клапана.