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Die Erfindung bezieht sich auf ein Hubventil gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Hubventile dieser Art sind in grosser Zahl bekannt, beispielsweise aus DE 36 15 229 A1. Bei ihnen umgibt der ringförmige Ventilsitz einen kreisförmigen Kanalquerschnitt, der vollstandig von einem kreisförmigen Verschlussstück abgedeckt wird. Dies führt zu einer vorgegebenen Durch- flusscharakteristik. Sie eignen sich für Fluide aller Art und insbesondere für Flüssigkeiten.
Die DE 38 44 453 A1 zeigt ein Hubventil, das aufgrund seiner beiden Ventilsitze schon bei seht kleinen Hubhöhen einen grossen Durchfluss ermöglicht. Es handelt sich dabei um ein Ventil zum dosierten Zumischen von aus dem Kraftstofftank einer Brennkraftmaschine verflüchtigtem Kraftstoff zu einem der Brennkraftmaschine über ein Ansaugrohr zugeführten Kraftstoffgemisch. Die Betäti- gung erfolgt durch einen Elektromagneten. Als Verschlussstück dient eine Rundscheibe, die auf einer Membranfeder befestigt ist und die ausser der Ventilschliessfunktion auch die Funktion des Ankers des Elektromagnets übernehmen kann. Um eine zuverlässige Dichtwirkung eines solchen Ventils zu erreichen, ist eine relativ hohe Genauigkeit bei der Herstellung erforderlich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hubventil der bekannten Art so weiterzu- entwickeln, dass auch bei kostengünstiger Herstellung eine sichere Dichtfunktion bei kleinen Schliesskräften erzielt werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 e-- reicht.
Der erstrebte grössere Durchfluss schon bei kleinen Hubhöhen wird erreicht, weil das Fluid so- wohl über den ersten als auch über den zweiten Ventilsitz abströmen kann und daher zwei Areale für den Durchfluss zur Verfügung stehen. Dies bedeutet auch, dass bei gegebener Hubhöhe der Druckabfall am Hubventil vergleichsweise gering ist. Und weil nur eine dem schmalen Kanalquer- schnitt entsprechende Fläche des Verschlussstücks dieser Druckdifferenz ausgesetzt ist, genügen verhältnismässig kleine Kräfte, um eine Hubverstellung vorzunehmen.
Unter einem "schmalen Kanalquerschnitt" wird eine Fläche verstanden, bei der die Länge der beiden Ventilsitze ein Vielfaches des Abstandes zwischen diesen beiden Ventilsitzen ist. Bevorzugt ist ein Längen-Abstands-Verhältnis von mindestens 5, vorzugsweise 10 bis 80 und insbesondere 30 bis 60. Der Abstand ist über die Ventilsitzlänge vorzugsweise konstant, kann sich aber im Rahmen des zuvor genannten Längen-Abstands-Verhältnisses ändern.
Besonders günstig ist es, dass der schmale Kanalquerschnitt ringförmig ist, so dass sich ein äusserer und ein innerer ringförmiger Ventilsitz ergeben. Unter sonst gleichen äusseren Abmessun- gen wird daher eine Verdoppelung des Abströmareals erzielt.
Des weiteren empfiehlt es sich, dass der schmale Kanalquerschnitt durch eine Nut gebildet ist.
Statt einer Nut kann auch ein durchgehender Schlitz verwendet werden.
Besonders günstig ist es, dass der erste und/oder zweite Ventilsitz mit einer Dichtlippe zusam- menwirkt. Derartige Dichtlippen sind in höherem Masse elastisch als die übrige Dichtung. Sie schlie- #en daher mit geringen Kräften dicht ab, öffnen aber auch schon bei kleinen Druckdifferenzen.
In Verbindung mit ringförmigen Ventilsitzen empfiehlt es sich, dass das Verschlussstück eine ringförmige Dichtung aufweist, die eine radial nach aussen vorstehende Dichtlippe und eine radial nach innen vorstehende Dichtlippe aufweist, die mit dem äusseren bzw. inneren Ventilsitz zusam- menwirken.
Vorzugsweise sind beide Ventilsitze an ihrer Stirnseite gerundet. Dies vermindert die Strö- mungsgeräusche.
Von Vorteil ist es auch, dass beide Ventilsitze derart gestuft sind, dass bei geringer Belastung in Schliessrichtung die Lippen an der ersten Stufe und bei stärkerer Belastung die Dichtung im Bereich des Lippenansatzes an der zweiten Stufe zur Anlage kommt. Bei zunehmender Belastung verlagert sich die Abdichtung von der ersten auf die zweite Stufe mit der Folge, dass die auf die Dichtlippen wirkende Kraft nach oben hin begrenzt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, dass die beiden Ventilsitze in der Höhe versetzt sind, so dass bei der Schliessbewegung zunächst der eine und dann der andere Ventilsitz geschlossen wird. Auf diese Weise kann eine geknickte Ventilcharakteristik erreicht werden, bei der mit zunehmender Hubhöhe der Durchfluss zunächst langsam und dann rascher ansteigt.
Besonders empfehlenswert ist die Anwendung des Hubventils auf einen Leckage-Detektor, bei dem das Verschlussstück durch eine erste Schliessfeder entgegen der Durchflussrichtung belastet
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ist und eine Hubhöhen-Messvorrichtung zur Messung des Durchflusses vorgesehen ist. Das Hub- ventil öffnet in Abhangigkeit von der Durchflussmenge. Es lässt sich ein sehr grosser Bereich des Durc hflusses bei verhältnismässig geringem Druckabfall erfassen.
Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, dass das Verschlussstück durch eine zweite Schliessfeder belastbar ist, die durch ein Widerlager in einer unwirksamen Stellung gehalten wird, und dass das Widerlager mittels einer Stellvorrichtung in eine die zweite Schliessfeder freigebende Stellung bewegbar ist. Mit Hilfe der zweiten Schliessfeder kann das Hubventil sicher geschlossen gehalten werden. Da der abzudichtende Druck nur auf einer Ringfläche des Verschlussstücks wirkt, genügt eine zweite Schliessfeder mit begrenzter Kraft, so dass auch die Verstellung des Widerlagers mit relativ geringen Kräften möglich ist.
Für die Anwendung auf einen Leckage-Detektor ist es ferner günstig, dass das Verschluss- stück einen Messrotor trägt, der in einem die Ringnut überbrückenden Nebenstrompfad liegt und dem eine Drehzahl-Messvorrichtung zur Messung des Durchflusses zugeordnet ist. Da das Hub- ventil schon bei geringer Hubhöhe grosse Durchflussmengen zulässt, dient der Messrotor dazu, auch bei kleinen Durchflussmengen genaue Ergebnisse zu erzielen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, dass eine Markierungen des Mess- rotors abtastende Impuls-Messvorrichtung durch Auswertung der Impulsfrequenz die Drehzahl und durch Auswertung des Impuls-Pausen-Verhältnisses die Hubhöhe ermittelt. Auf sehr einfache Weise lassen sich daher die Drehzahlmessung und die Hubhöhenmessung ausführen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbei- spiele näher beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 einen Längsquerschnitt durch ein erfindungsgemäss ausgestaltetes Hubventil,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäss ausgestalteten Leckage-Detektor und
Fig. 3 in vergrösserter Darstellung den Bereich A des Ventilsitzes in Fig. 2.
Das Hubventil in Fig. 1 weist ein Gehäuse 1 mit einem eingangsseitigen Anschlussraum 2 und einem ausgangsseitigen Anschlussraum 3 auf. Dazwischen befindet sich ein Einsatz 4, der am Ende einer mit dem eingangsseitigen Anschlussraum 2 in Verbindung stehenden Ringnut 5 einen äusseren Ventilsitz 6 und einen inneren Ventilsitz 7 trägt. Das offene Ende der Ringnut 5 bildet einen schmalen Kanalquerschnitt F, bei dem das Verhältnis der Länge des äusseren Ventilsitzes 6 zum Abstand vom inneren Ventilsitz 7 etwa 35 beträgt. Ein Verschlussstück 8, das von einer in Öffnungsrichtung wirkenden Rückstellfeder 9 belastet ist, wird in einem weiteren Einsatz 10, der durch Verdrehen die Einstellung des kv-Wertes ermöglicht, geführt.
Das Verschlussstück 8 kann mit Hilfe eines Stiftes 11, der durch eine Stopfbuchse 12 nach aussen geführt ist, von einem nicht veranschaulichten Stellglied axial verstellt werden. Beispielsweise ist das Stellglied ein Thermostat, der mit steigender Aussentemperatur das Ventil schliesst.
Das Verschlussstück 8 trägt eine ringförmige Dichtung 13, an der eine radial nach aussen vor- stehende äussere Dichtlippe 14, die mit dem äusseren Ventilsitz 6 zusammenwirkt, und eine radial nach innen vorstehende innere Dichtlippe 15, die mit dem inneren Ventilsitz 7 zusammenwirkt, angeformt sind. Die beiden Ventilsitze 6 und 7 haben eine gerundete Stirnfläche. Ausserdem dafür gesorgt, dass der Bereich 16 ausserhalb des äusseren Ventilsitzes 6 und über Durchtrittskanäle 18 der Bereich 17 innerhalb des inneren Ventilsitzes 7 mit dem ausgangsseitigen Anschlussraum 3 verbunden sind.
Wie durch die Pfeile 19 angegeben ist, teilt sich bei geöffnetem Ventil der über die Ringnut 5 zugeführte Flüssigkeitsstrom auf. Der eine Teil geht durch den zwischen äusserem Ventilsitz 6 und zugehöriger Dichtlippe 14 gebildeten Spalt direkt in den Bereich 16 und damit in den ausgangssei- tigen Anschlussraum 3. Der andere Teil geht über den Spalt zwischen dem inneren Ventilsitz und der zugehörigen Dichtlippe 15 über den Bereich 17 und die Öffnungen 18 in den ausgangsseitigen Anschlussraum 3. Schon geringe Hubhöhen genügen, um grosse Durchflussmengen passieren zu lassen. Der Eingangsdruck wirkt lediglich im Bereich der Ringnut 5, also der Fläche des Kanal- querschnitts F, auf das Verschlussstück 8. Entsprechend klein sind die Kräfte, die die Stellvorrich- tung benötigt, um das Verschlussstück zu verstellen.
Die ringförmige Dichtung 13 besteht in üblicher Weise aus Gummi oder einem elastischen Kunststoff. Die daran angeformten Dichtlippen 14 und 15 sind daher weich und federnd ; schlie- #en mit einer kleinen Kraft dicht ab, da sie sich dem Ventilsitz 6,7 gut anpassen.
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Bei dem Leckage-Detektor gemäss den Fig. 2 und 3 werden für entsprechende Teile um 100 erhohte Bezugszeichen verwendet.
Zunächst ist festzustellen, dass das Längen-Abstands-Verhältnis des Kanalquerschnitts F etwa bei 45 liegt. Geringe Hubhöhen erlauben daher einen erheblichen Durchfluss.
Wie aus Fig. 3 erkennbar, ist der innere Ventilsitz 107 gegenüber dem äusseren Ventilsitz 106 in der Höhe versetzt, so dass bei einer Schliessbewegung zunäc hst der Ventilsitz 107 mit der Dichtlippe 115 in Eingriff kommt und erst danach der Ventilsitz 106 mit der Dichtlippe 114. Dies führt zu einer geknickten Ventilcharakteristik, weil zu Beginn der Hubbewegung lediglich ein Ab- strömareal, nämlich zwischen dem Ventilsitz 106 und der Dichtlippe 114, vorhanden ist und das zweite Areal zwischen dem Ventilsitz 107 und der Dichtlippe 115 erst danach geöffnet wird.
Der äussere Ventilsitz 106 und der innere Ventilsitz 107 sind zweistufig ausgelegt. Die erste Stufe 120,121 wird durch eine ringförmige Erhebung, die zweite Stufe 122,123 durch die Aussen- kante der Ringnut 105 gebildet. Mit der ersten Stufe 120,121 wirken die Dichtlippen 114,115 zusammen, mit der zweiten Stufe 122,123 der Bereich des Lippenansatzes an der Dichtung 113.
Im Normalbetrieb ist das Verschlussstück 108 durch eine relativ schwache Schliessfeder 124 belastet. Das Verschlussstück 108 nimmt deshalb eine vom Durchfluss abhängige Hubhöhe ein.
Das Hubventil dient daher in Verbindung mit einer noch zu beschreibenden Hubhöhen- Messvorrichtung als Durchflussmesser.
Eine stärkere Schliessfeder 125 wird normalerweise durch ein Widerlager 126 ausser Eingriff mit dem Verschlussstück 108 gehalten. Das Widerlager 126 wird von einem Einsatz 127 getragen, der durch eine Stellvorrichtung 128 über einen Stift 129 verstellbar ist. Die Stellvorrichtung kann bei- spielsweise ein Elektromotor sein, aber auch manuell bedienbar sein. Wenn sich der Stift 129 und der Einsatz 127 nach oben bewegen, und damit die Schliessfeder 125 wirksam gemacht wird, schliesst das Hubventil unter dem Einfluss beider Schliessfedern 124 und 125, wobei eine Abdich- tung an beiden Stufen 120,121 und 122,123 erfolgt. Das Hubventil dient hierbei als Sperrvorrich- tung.
Im Verschlussstück 108 ist ein Messrotor 130 gelagert, der über eine Düse 131 aus dem ein- gangsseitigen Anschlussraum 102 mit Flüssigkeit versorgt wird, die über einen Kanal 132 in den ausgangsseitigen Anschlussraum 103 abströmen kann. Düse 131, Messrotor 130 und Kanal 132 bilden einen Nebenstrompfad, der die Ringnut 105 und damit das Hubventil überbrückt. Mit dem Messrotor 130 können kleine Durchflussmengen ermittelt werden, indem die Drehzahl des Mess- rotors 130 festgestellt wird.
Eine elektro-optische Impuls-Messvorrichtung 133, bei der ein Lichtstrahl durch Markierungen 134 in der Form von Flügeln des Messrotors 130 unterbrochen wird, erzeugt eine Impulsfolge, die über den Eingang 135 in eine Auswerteschaltung 136 eingeleitet wird. Die Impulsfrequenz ist ein Mass für die Drehzahl des Messrotors. Das Impuls-Pausen-Verhältnis ist ein Mass für die Hubhöhe des Verschlussstücks und damit des Messrotors 130, weil sich bei gleichbleibender Flügeldicke der Abstand zwischen benachbarten Flügeln mit der Hubhöhe ändert. Die Impuls-Messvorrichtung 133 bildet daher in Verbindung mit der Auswerteschaltung 136 eine Hubhöhen-Messvorrichtung und eine Drehzahl-Messvorrichtung.
Damit ergibt sich die folgende Betriebsweise des Leckage-Detektors. Kleine Durchflussmengen werden aufgrund der Drehung des Messrotors 130 bei geschlossenem Hubventil festgestellt.
Grössere Durchflussmengen werden aufgrund der Hubhöhe des Verschlussstücks 108 ermittelt und dem Durchfluss über den Messrotor 130 hinzugefügt. Wenn die Auswerteschaltung 136 anhand verschiedener Kriterien ein Leck, sei es ein Kleinleck oder ein Grossleck, feststellt, wird die Stellvor- richtung 128 derart betätigt, dass die stärkere Schliessfeder 125 wirksam wird und das Hubventil schliesst. Gleichzeitig kann der Nebenstrompfad geschlossen werden, indem die Düse 131 durch eine Abdeckung 137 am Einsatz 127 verschlossen wird.
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