Die Erfindung betrifft ein Stellventil gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

In verfahrenstechnischen Anlagen werden bekanntlich Prozessfluidströme in Prozessfluidleitungen über Stellventile verfahrenstechnischen Prozessen zugeführt. Die Prozessfluidströme sind verfahrens- und betriebsgemäß nach bestimmten Regelgrößen einzustellen, unter anderem im Hinblick auf die Durchflussmenge. Es ist weiterhin hinlänglich bekannt, in verfahrenstechnischen Anlagen sogenannte Drosselelemente zur Druckreduzierung vorzusehen.

Derartige Drosselelemente sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und umfassen in der Regel einen mehrere Durchflusskanäle aufweisenden, von einem Prozessfluid zu durchströmenden Drosselkörper. Ein derartiges, gattungsgemäßes Drosselelement ist beispielsweise in der

DE 10 2015 005 611 A1 offenbart.

Es ist weiterhin bekannt, dass durch eine entsprechende Ausgestaltung der Durchflusskanäle im Drosselkörper eine gezielte Einflussnahme auf die Durchströmung, die Druckreduzierung und Kavitation ermöglicht ist. Neben einer Ausbildung des Querschnittsprofils der Durchflusskanäle als Rund-, Quadrat- oder Langlöcher mit einem über der gesamten Länge geraden oder gewendelten Verlauf, vgl. DE 10 2015 005 611 A1 , sind auch Durchflusskanäle mit gekrümmten, schrägen, konischen und/oder mit Kanten und/oder Hinterschneidungen versehenen Innenwandungen bekannt, siehe

DE 10 2016 102 756 A1.

Allgemein bekannt sind auch Teslaventile. Teslaventile werden vor allem in der Mikrofluidik verwendet, um eine vorbestimmte Strömungsrichtung einzustellen und die Strömung entgegen dieser Richtung zu hemmen. Das Teslaventil ist in der US 1 329 559 A offenbart. Um eine Rückströmung zu unterbinden, werden häufig Rückschlagventile, die ein mechanisch bewegliches Bauteil, beispielsweise eine Rückschlagklappe zum Verschließen einer Strömungsrichtung aufweisen, verwendet. Dabei wirkt das Prozessfluid eine große Kraft auf das bewegliche Bauteil auf. Das bewegliche Bauteil ist anfällig für Verschleißschäden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stellventil gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, dass unter Vermeidung des genannten Nachteils ein Rückstrom des Prozessfluides gehemmt wird.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß sind die Kanäle derart ausgebildet, dass eine fluidische Hemmung einer Rückströmung des Prozessfluides durch die Kanäle realisiert ist.

Bevorzugt weisen die Kanäle jeweils einen Hauptkanal und einen Nebenkanal auf. Dadurch können der Strom durch den Hauptkanal und der Strom durch den Nebenkanal durch die entsprechenden Kanalverläufe unterschiedlich beeinflusst werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Nebenkanal einen geringeren Durchmesser als der Hauptkanal auf.

Vorzugsweise sind die Kanäle als Teslaventile ausgebildet. Durch die Ausbildung der Kanäle als Teslaventile ist der Strömungswiderstand entgegen der Prozessflussrichtung stark.

Bevorzugt weist das Teslaventil in Abhängigkeit der angestrebten Rückströmungshemmung, also der Strömung entgegen der Prozessflussrichtung, einen Hauptkanal und mehrere Nebenkanäle auf. Je mehr Nebenkanäle vorgesehen sind desto größer ist die Hemmung der Rückströmung.

Vorzugsweise ist das Drosselelement als Vollzylinder mit einer Zylinderhöhe ausgebildet, wobei die Kanäle den Vollzylinder axial zu einer Zylinderachse durchdringen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Länge der Kanäle größer als die Zylinderhöhe. Hierdurch lassen sich mehr Nebenkanäle in die Kanäle einbringen und somit die Rückströmungshemmung vergrößern.

Bevorzugt ist das Drosselelement in dem Ventilein- oder in dem Ventilauslass angeordnet. Durch die Anordnung im Ventilein- oder Ventilauslass kann eine Rückströmung aus dem Ventil bzw. in das Ventil verhindert werden.

Gemäß einer weitern vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Drosselelement als Hohlzylinder mit einer Wandstärke ausgebildet, wobei die Kanäle den Hohlzylinder radial zu einer Zylinderachse durchdringen.

Vorzugsweise ist die Länge der Kanäle größer als die Wandstärke des Drosselelements. Durch einen längeren Kanal lässt sich die Rückflusshemmung für ein Prozessfluid vergrößern.

Bevorzugt ist das Drosselelement aus mehreren Teilelementen gebildet, wobei ein Teilelement mehrere Kanäle umfasst. Hierdurch lässt sich die Baugröße und die Drosselwirkung des Drosselelements je nach Anwendung einstellen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Teilelemente als Scheiben ausgebildet. Dadurch wird eine einfache und gezielte Wartung ermöglicht. Beschädigte Scheiben können einfach ausgetauscht werden.

Vorzugsweise werden die Kanäle in den Teilelementen durch Abtragung des Materials eingebracht. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung der Teilelemente.

Das Stellventil kann als ein Käfigventil und das Drosselelement als ein das Ventilglied umfassender Ventilkäfig ausgebildet sein. Durch ein Käfigventil kann der Durchsatz des Ventils zusätzlich festgelegt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Drosselelement einteilig ausgebildet.

Durch die einteilige Ausbildung des Drosselelements sind verschleißanfällige Bauteilen, wie z.B. Dichtungen zwischen zwei Bauteilkomponenten, nicht vorhanden. Bevorzugt wird das Drosselelement mit den mehreren Kanälen schichtweise durch ein additives Verfahren hergestellt. Durch dieses additive Verfahren lassen sich komplexe Strukturen der Kanäle präzise, schnell und ohne Materialverluste fertigen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein fluidisches System, umfassend eine Leitung und ein damit verbundenes Stellventil nach Anspruch 1 , wobei durch die Leitung und das Stellventil ein Prozessfluid geführt wird und die Kanäle auf das Prozessfluid im Hinblick auf die Rücklaufhemmung ausgebildet sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines Käfigventils mit einem mehrteiligen Drosselelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht von oben eines Käfigventils mit einem Drosselelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Kanäle als Teslaventile ausgebildet sind;

Fig. 3 eine Detailansicht nach Fig. 2 der Teslaventile;

Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht eines Stellventils mit einem im Einlass angeordneten Drosselelement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine seitliche Schnittansicht eines Stellventil mit einem schematischen Verlauf der Kanäle im Drosselelement, und

Fig. 6 eine Schnittansicht von oben eines Stellventils mit einem schematischen Verlauf der Kanäle im Drosselelement. Die Fig. 1 bis 4 zeigen jeweils ein Stellventil 10, das ein Drosselelement 12 aufweist.

Das Stellventil 10 umfasst einen Einlass 14 mit einem Einlassraum 16, einen Auslass 18 mit einem Auslassraum 20, ein Ventilgehäuse 22 und eine Antriebsstange 24, die mit einem Ventilglied 28 verbunden ist.

Die Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Stellventils 10 mit einem Drosselelement 12 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Stellventil 10 ist derart ausgebildet, dass der Einlass 14 mit dem Einlassraum 16 auf der linken Seite und der Auslass 18 mit dem Auslassraum 20 auf der rechten Seite angeordnet ist. Das Drosselelement 12 ist rotationssymmetrisch zu einer Zylinderachse 32 als ein Hohlzylinder ausgebildet. Das Ventilglied 28 ist kolbenförmig ausgebildet und im Drosselelement 12 in axialer Richtung entlang der Zylinderachse 32 über die Antriebsstange 24 verschiebbar gelagert. Am unteren Ende ist das Drosselelement 12 mit dem Einlassraum 16 über einen Ventilsitz 33 fluidisch verbunden. Das Ventilglied 28 ist in Fig. 1 in der Öffnungsstellung dargestellt, also oberhalb des Drosselelements 12.

Das Drosselelement 12 umfasst zumindest bereichsweise in axialer Richtung entlang der Zylinderachse 32 mehrere Teilelemente 35. Die Teilelemente 35 sind scheibenförmig ausgebildet. Die Teilelemente 35 sind in axialer Richtung entlang der Zylinderachse 32 übereinander angeordnet. Jedes Teilelement 35 hat mehrere Drosseleingangsöffnungen 34, an die sich das Teilelement 35 durchdringende Kanäle 36 anschließen. Die Kanäle 36 münden in Drosselausgangsöffnungen 37. Durch die Anordnung der Teilelemente 35 übereinander sind eine Vielzahl von Drosseleingangsöffnungen 34 mit den zugeordneten Kanälen 36 dem Einlassraum 16 und die Drosselausgangsöffnungen dem Auslassraum 20 zugeordnet. Das Prozessfluid durchströmt somit das Drosselelement 12 von dem Einlassraum 16, durch die Drosseleingangsöffnungen 34, die Kanäle 36 und die Drosselausgangsöffnung 37 in den Auslassraum 20.

In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform ist das Drosselelement 12 einteilig ausgebildet.

Das durch die Teilelemente 35 gebildete Drosselelement 12 ist hohlzylindrisch ausgebildet. Die Zylinderinnenwand bildet in axialer Richtung entlang der Zylinderachse 32 einen Führungsbereich 38 für das Ventilglied 28, welches zwischen der Öffnungsstellung, wie in Fig. 1 gezeigt, und einer Schließstellung verfahren werden kann. Die Schließstellung wird erreicht, indem das Ventilglied 28 nach unten verfahren ist und sämtliche Drosseleingangsöffnungen 34 abdeckt und fluidisch verschließt In der Öffnungsstellung ist der Einlass 14 über die Kanäle 36 mit dem Auslass 18 fluidisch verbunden.

Durch eine axiale Verschiebung des Ventilglieds 28 im Drosselelement 12 mittels der durch einen nicht dargestellten Antrieb angetriebenen Antriebsstange 24 lassen sich mehrere Stellungen des Stellventils 10 zur Regelung eines Prozessfluides realisieren: Eine Öffnungsstellung, mehrere Teilöffnungsstellungen und eine Schließstellung.

In Fig. 1 ist eine Öffnungsstellung des Stellventils 10 dargestellt. Das Ventilglied 28 ist in axialer Richtung entlang der Zylinderachse 32 im Führungsbereich 38 angeordnet. Dadurch sind alle Drosseleingangsöffnungen 34 mit den Kanälen 36 und den Drosselausgangsöffnungen 37 mit dem Einlass 14 und dem Auslass 18 fluidisch verbunden.

Gemäß der nicht dargestellten Teilöffnungsstellung ist das Ventilglied 28 teilweise im Bereich der Drosseleingangsöffnungen 34 angeordnet. Ein Teil der Drosseleingangsöffnungen 34 ist durch das Ventilglied 28 verschlossen. Hierdurch wird der durch die einzelnen Querschnitte der Drosseleingangsöffnungen 34 ausgebildete Durchlassquerschnitt im Vergleich zur Öffnungsstellung verkleinert.

Die nicht dargestellte Schließstellung zeichnet sich durch ein vollständig in das Drosselelement 12 eingebrachtes Ventilglied 28 aus. Das Ventilglied 28 schließt an einem unteren freien Ende mit dem Ventilsitz 33 ab. Durch diese Anordnung des Ventilglieds 28 sind alle Drosseleingangsöffnungen 34 verschlossen. Durch ein Zusammenwirken des Ventilglieds 28 mit dem Ventilsitz 33 ist die fluidische Verbindung des Einlassraums 16 mit dem Drosselelement 12 verschlossen.

In einer vorbestimmten Prozessflussrichtung wird das Prozessfluid in dem Stellventil 10 durch den Einlass 14 in den Einlassraum 16 geleitet. Anschließend gelangt das Prozessfluid bei einer Öffnungsstellung oder Teilöffnungsstellung in den Innenraum des Drosselelements 12. Vom Innenraum des Drosselelements 12 wird das Prozessfluid über die Drosseleingangsöffnungen 34 und die Kanäle 36 durch das Drosselelement 12 über die Drosselausgangsöffnungen 37 in den Auslassraum 20 geleitet und kann anschließend durch den Auslass 18 abgeleitet werden.

Die Prozessflussrichtung kann in einer anderen Ausführungsform auch vom Auslass 18 zum Einlass 14 ausgebildet sein. Die Prozessflussrichtung wird von der Ausbildung der Kanäle 36 vorgegeben bzw. wird durch die Gestaltung der Kanäle 36 festgelegt. Die Kanäle 36 sind so gestaltet, dass ein Rückfluss entgegen der vorbestimmten Prozessflussrichtung gehemmt wird, wobei in Prozessflussrichtung keine Hemmung des Prozessfluides erfolgt.

Die Teilelemente 35 mit den eingebrachten Kanälen 36 werden insbesondere durch Materialabtragung hergestellt.

In Fig. 2 ist eine Schnittansicht von oben einer weiteren Ausführungsform eines in ein Stellventil 10 eingebrachten Drosselelements 12 dargestellt. Der Einlass 14 ist auf der linken Seite und der Auslass 18 auf der rechten Seite des Stellventils 10 angeordnet. In der Mitte des Stellventils 10 ist das Drosselelement 12 eingebracht.

Die das Drosselelement 12 durchdringenden Kanäle 36 weisen jeweils die Form eines Teslaventils auf. Der Verlauf der als Teslaventile ausgebildeten Kanäle 36 kann je nach Anwendung auch in axialer Richtung zur Zylinderachse 32 und in Umfangsrichtung zur Zylinderachse 32 im Drosselelement 12 ausgebildet sein, um die Kanallänge zu vergrößern.

Das Stellventil 10 ist als ein Käfigventil und das Drosselelement 12 als eine Käfigdrossel ausgebildet. Das Käfigventil mit der Käfigdrossel wird durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt.

In Fig. 3 ist eine Detailansicht der Fig. 2 dargestellt. Das Teslaventil umfasst einen Hauptkanal 40 und mehrere Nebenkanäle 42. Der Hauptkanal 40 weist einen nahezu geraden Verlauf auf. Der Nebenkanal 42 zeichnet sich durch eine Schleifenform aus.

Die Prozessflussrichtung ist hierbei vom Innenraum des Drosselkörpers 30 über die Kanäle 36 zum Auslass 18 hin ausgebildet. Die Teslaventile sind so ausgebildet, dass das Prozessfluid in Prozessflussrichtung dem Hauptkanal 40 folgt. Der Strömungswiderstand ist durch die Form des Hauptkanals 40 minimal. Gegen die Prozessflussrichtung wird das Prozessfluid vorzugsweise durch die Nebenkanäle 42 geleitet. Durch die Form der Nebenkanäle 42, einen geringeren Kanaldurchmesser der Nebenkanäle 42 im Vergleich zum Hauptkanal 40 und den mit der Form einhergehenden längeren Strömungsweg ist der Strömungswiderstand erheblich größer als in Prozessflussrichtung. Durch die Kreuzungen der Nebenkanäle 42 mit dem Hauptkanal 40 entstehen an den Kreuzungen Wirbel, welche eine Rückströmung zusätzlich hemmen. Durch die unterschiedliche Ausprägung des Strömungswiderstands je nach Prozessflussrichtung wird eine bevorzugte und eine gehemmte Prozessflussrichtung ausgebildet.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Stellventils 10 mit einem Drosselelement 12 in einer Schließstellung. Das Drosselelement 12 ist im Einlassraum 16 des Einlasses 14 angeordnet. Das Drosselelement 12 ist hierbei als eine Rohrdrossel ausgebildet. In dieser Ausführungsform wirkt das Stellventil 10 in axialer Richtung entlang der Zylinderachse 32, wobei eine Regelung des Prozessfluides durch die Positionierung des Ventilglieds 28 in axialer Richtung entlang der Zylinderachse 32 ausgebildet ist.

In einer weiteren nicht dargestellten Weiterbildung ist das Drosselelement 12 im Auslassraum 20 des Stellventils 10 angeordnet.

Die Fig. 5 und 6 zeigen jeweils schematisch den Verlauf der Kanäle 36 im Drosselelement 12 eines Stellventils 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.

In Fig. 5 weisen die Verläufe der Kanäle 36 jeweils einen Anteil in y-Richtung als auch in z-Richtung auf.

In Fig. 6 weisen die Verläufe der Kanäle 36 jeweils einen Anteil in x-Richtung als auch in y-Richtung auf.

Durch eine Ausbildung der Kanäle 36 in mehrere Richtungen innerhalb des Drosselelements 12 wird die Länge der Kanäle 36 relativ zur Wandstärke des Drosselelements 12 vergrößert. Durch eine größere Länge der Kanäle 36 ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kanäle 36 eine größere Rückströmungshemmung gegeben.

Eine weitere Ausführungsform ist ein fluidisches System, umfassend ein Ventil 10, ein Drosselelement 12 und ein das fluidische System durchströmende Prozessfluid. Die Kanäle 36 des Drosselelements 12 sind dabei so ausgebildet, dass eine Rückströmung gegen die Prozessflussrichtung gehemmt wird.

Das Stellventil 10 mit dem Drosselelement 12 weist durch die Ausbildung der Kanäle 36 als Teslaventile eine Hemmung des Prozessfluides entgegen der Prozessflussrichtung auf, ohne dabei den Fluss in Prozessflussrichtung wesentlich zu beeinflussen und ohne bewegliche Teile für die Hemmung zu berücksichtigen. Bezugszeichen liste

10 Stellventil

12 Drosselelement

14 Einlass

16 Einlassraum

18 Auslass

20 Auslassraum

22 Ventilgehäuse

24 Antriebsstange

28 Ventilglied

32 Zylinderachse

33 Ventilsitz

34 Drosseleingangsöffnung

35 Teilelement

36 Kanal

37 Drosselausgangsöffnung

38 Führungsbereich

40 Hauptkanal

42 Nebenkanal