Absperrventil für hohe Drücke Die vorliegende Erfindung betrifft ein Absperr ventil für hohe Drücke bis etwa 280 atü. Das Ventil soll beispielsweise in einem Flugzeug mittels mecha nischer Steuerungen oder durch verhältnismässig kleine Elektromotoren mit Vorgelegen ferngesteuert werden können.
Das Absperrventil für hohe Drücke ist nach vor liegender Erfindung gekennzeichnet durch zwei Ab dichtorgane, von denen das eine ein elastisch nach giebiges Verschlussorgan und das andere ein Ventil sitz ist und von denen das eine von einem beweg lichen Kolben getragen wird und das andere in dich ter Verbindung mit dem Gehäuse ist, wobei der Kol ben mit einem Betätigunsgmechanismus gekuppelt ist, der von aussen betätigt werden kann, um den Kolben zwischen einer Stellung, in der die Abdichtorgane ge trennt sind, um einen Durchlass zwischen dem Ein lass und dem Auslass des Gehäuses freizugeben, und einer Stellung,
in der die Abdichtorgane aneinander anliegen, zu bewegen, wobei die letztgenannte Stel lung erreicht wird, bevor der Betätigungsmechanis mus seine Schliessbewegung vollendet hat, und Fe dern, die die Vollendung der Bewegung ermöglichen, und durch Mittel, zu denen das Strömungsmittel Zu tritt hat und dahin wirksam ist, die Abdichtorgane mit einem Druck zusammenzudrücken, der grösser ist als der direkte Druck, der die Abdichtorgane aus einanderzudrücken versucht.
Es kann ein Totgang zwischen Mechanismus und Kolben vorgesehen sein. Der Totgang kann aber auch zwischen dem den Ventilsitz bildenden Abdicht- organ und dem Ventilgehäuse vorgesehen sein, wobei das letztgenannte Abdichtorgan unter Kontakt mit dem Kolben verschoben wird.
Dabei ist dann auch das Ventilsitzabdichtorgan verschiebbar anzuordnen, wobei der Kolben direkt mit dem Mechanismus ver bunden ist und der Strömungsmitteldruck beständig auf der Rückseite dieses Kolbens wirkt, so dass der Druck des Strömungsmittels bei geschlossenem Ven til den Mechanismus wenigstens teilweise entlastet, während das Ventilsitzabdichtungsorgan mit Totgang im Ventilgehäuse verschiebbar ist.
Vorteilhafterweise befindet sich der Mechanis mus zum Trennen der beiden Dichtungsorgane in einer Totpunktlage bei geschlossenem Ventil. Er kann somit eine Kurbel und einen Pleuel in solcher Anordnung aufweisen, dass sie sich beim Schliessen des Ventils etwas über eine Totpunktlage hinaus bewegen, so dass das Ventil in der Schliessstellung selbsthemmend ist. Eine solche Anordnung ergibt auch einen sehr grossen mechanischen Vorteil in der Nähe der tatsächlichen Schliessstellung, wobei auch die auftretenden Kräfte in jedem Fall durch passende Wahl der wirksamen Fläche auf der Rückseite des Kolbens auf einem mässigen Wert gehalten werden können.
Die Praxis hat gezeigt, dass die Elastizität des Verschlussringes nicht zu hoch gewählt werden soll, da sonst das Strömungsmittel mit hohem Druck letz teren hinausdrücken könnte. Ein geeignetes Material ist ziemlich harter Gummi mit genügender Elastizi tät zum Gewährleisten einer guten Abdichtung, aber auch von genügender Härte, um ein Herausdrücken zu verhindern. Natürlich soll ein solcher Gummi nur dort verwendet werden, wo das Strömungsmittel, dessen Durchfluss geregelt werden soll, Gummi che misch nicht angreift oder gar auflöst. Im allgemeinen werden diese Ventile für neutrales Gas, z. B. Stick stoff, oder ein leidlich neutrales Gas, z. B.
Luft, ver wendet, so dass Hartgummi durchaus annehmbar ist. Die Verwendung des vorliegenden Ventils ist jedoch nicht auf neutrale Gase oder Luft beschränkt, da durch Wahl eines geeigneten Materials, zum Beispiel einer passenden Qualität von elastischem Kunst- gummi, das Ventil für andere Gase, Öle, flüssige Brennstoffe oder für in hydraulischen Apparaten ver- vendete Flüssigkeiten benutzt werden kann. Bei Ver wendung eines geeigneten Schmiermittels kann das Ventil auch für Sauerstoff unter Druck Verwendung finden.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen standes ist in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 das geschlossene Ventil im Längsschnitt, Fig. 2 eine Einzelheit in Draufsicht, Fig. 3 einen Querschnitt der Fig. 1, Fig. 4 einen gegenüber Fig. 1 um 90 versetzten Längsschnitt bei geschlossenem Ventil und Fig. 5 denselben Schnitt, aber bei geöffnetem Ventil.
Das Ventilgehäuse 11 weist eine Querbohrung 12 auf, in der ein mittels wenigstens eines Ringes 14 abgedichteter Kolben 13 gleitbar angeordnet ist. In einer weiteren, rechtwinklig zur Querbohrung 12 an geordneten Bohrung ist eine Ventilbetätigungsspindel 15 drehbar gelagert und mittels in Nuten liegender Ringe 16 abgedichtet. Angesichts des hohen End- druckes, der an der Ventilspindel 15 auftreten kann, ist zwischen einem Bund 18 der Spindel 15 und einer von Schrauben 21 (Fig. 3) festgehaltenen Kappe 19 ein Kugellager 17 eingesetzt.
Aus fabrikationstech nischen Gründen befindet sich die Bohrung 12 in einem vom Ventilgehäuse 11 getrennt hergestellten Teil 22, der darnach in das Gehäuse 11 eingepasst wird, wobei die Spindel 15 den Teil 22 in seiner Stel lung festhält. Das Innenende der Spindel 15 weist einen exzentrischen, in eine am einen Ende eines kurzen Pleuels 24 vorgesehene Bohrung greifenden Kurbelzapfen 23 auf, wobei das andere Ende des Pleuels bei 25 am Kolben 13 schwenkbar gelagert ist.
An seinem dem Pleuel abgekehrten Ende weist der Kolben 13 einen aus der Bohrung 12 austreten den Gewindezapfen 26 auf, auf dem eine abgesetzte, einen Kolbenkopf 28 festhaltende Mutter 27 sitzt. Zwischen diesem Kopf und der Mutter ist ein Ver- schlussring 29 eingesetzt, der genügend elastisch ist und zum Beispiel aus ziemlich hartem Gummi besteht, um eine gute Abdichtung herzustellen.
Dieser Ver- schlussring 29 weist einen Dichtungsring 31 auf, um den Ring gegenüber dem Kopf 28 abzudichten und das Austreten von Strömungsmittel längs der Innenfläche des Kopfes zu verhindern, und in Fig.5 ragt die rechtsseitige Stirnfläche des Verschlussringes 29 bei offenem Zustand des Ventils etwas über die von der Mutter 27 und dem Kopf 28 gebildete Fläche vor. Der Kolbenkopf 28 weist einen Mantel 32 auf, der auf einer maschinell bearbeiteten Fläche 33 des vom Ventilgehäuse abstehenden Teils 22 beweglich angeordnet ist und gegenüber letzterem mittels eines oder mehrerer in Nuten sitzender Ringe 34 abgedich tet ist.
Auf diese Weise wird zwischen dem Kolben 13, dem Kopf 28 und dem Mantel 32 einerseits und dem Ende des Teils 22 anderseits ein Ringraum 35 gebildet, der über einen Radialkanal 36 mit einem am Ende des Zapfens 26 mündenden Axialkanal 37 in Verbindung steht.
Der Verschlussring 29 arbeitet mit einem Sitz 38 am Innenende eines tassenartigen Hohlraumes 39 eines Ventilsitzkörpers 41 zusammen. Dieser Ventil sitzkörper 41 ist in einem auf der einen Seite des Ventilgehäuses befestigten und einen Rohrverbin- dungsstutzen aufweisenden Einlassstutzen 42 gleitbar und gegenüber letzterem mittels wenigstens eines Ringes 43 abgedichtet, der in einer Nut eines zen tralen, in eine Bohrung des Stutzens 42 passenden Zapfens. 44 des Ventilsitzkörpers 41 sitzt. Zwei Tel lerfedern 45 drücken den Ventilsitzkörper 41 gegen das Ventilgehäuse 11.
Das Strömungsmittel hat auf der Einlassseite über eine zentrale Bohrung 40 im Zapfen 44 Zugang in den Hohlraum 39 innerhalb des Sitzes 38 und auch zur ringförmigen Stirnfläche 44a des Zapfens 44. Zwei kreisbogenförmige, das Ventilgehäuse 11 durchsetzende Kanäle 46 bilden eine Verbindung zwischen dem Hohlraum 39 und einem Auslassstutzen 47 auf der andern Seite des Gehäuses. Der Durchgang auf dieser Seite ist zwecks Verbesserung des Durchflusses mittels einer halb kugeligen, seitlich am Gehäuse 11 befestigten Haube 48 ausgekleidet, die mittels Ansätzen 49 zwischen dem Gehäuse 11 und dem Auslassstutzen 47 fest gehalten wird. Die beiden Stutzen 42, 47 sind im Gehäuse 11 zentriert.
Eine Öffnung 51 in der Haube 48 verhindert, dass von am Kolben 13 austretendes Strömungsmittel in der Haube zurückgehalten wird.
Der Pfeil 50 in Fig. 1 bezeichnet die Strömungs richtung des Strömungsmittels. Bei geschlossenem Ventil wirkt der Druck des Strömungsmittels innen- seitig direkt auf die ringförmige Stirnfläche 44a des Zapfens 44 zwischen Durchmesser C und Durchmes ser B und füllt den Raum innerhalb des Verschluss- ringes 29 und Sitzes 38 bis zum Durchmesser A in Fig. 1.
Der gleiche Strömungsmitteldruck wirkt auch auf eine Ringfläche zwischen dem Durchmesser C und dem Durchmesser A in einer Richtung, die der Richtung des Druckes auf die Ringfläche am Zap fen 44 entgegengesetzt ist, so dass nur der Druck des Strömungsmittels auf die Ringfläche 44a am Zapfen 44 unausgeglichen bleibt, die ausserhalb des Durch messers A liegt, das heisst der Druck auf die Ring fläche des Zapfens 44 zwischen dem Durchmesser A und dem Durchmesser B. Durch die Kanäle 37, 36 wirkt der Strömungsmitteldruck auch auf den Innen raum 35.
Der Mechanismus 15, 23, 24 hält das den ersten Kolben darstellende Aggregat 13, 27-29, 31 fest, während der obenerwähnte, unausgeglichene Druck des Strömungsmittels auf die Ringfläche 44a und die Federn 45 zusammen den Druck des Sitzes 38 gegen den Verschlussring 29 bestimmten. Dabei ist der von den Federn 45 ausgeübte Druck verhältnismässig klein und wenigstens annähernd konstant. Der auf die Ringfläche 44a zwischen den beiden Durchmessern<I>A</I> und<I>B</I> wirkende Netto-Strö- mungsmitteldruck ist dem Leitungsdruck proportio nal. Wenn das Ventil geschlossen ist, besteht immer ein positiver Druck des Strömungsmittels, der das Ventil geschlossen hält.
Durch Wahl der Durchmes ser<I>A</I> und<I>B</I>in bezug auf die Elastizität und andere Eigenschaften des Verschlussringes 29 kann immer eine gute Abdichtung des Verschlussringes 29 auf dem Sitz 38 erhalten werden.
Der in der Kammer 35 herrschende Druck des Strömungsmittels drückt das Kolbenaggregat in die Schliessrichtung, das heisst in Fig. 1 nach rechts. Er wirkt auf die Ringfläche des Kopfes 28 zwischen dem Durchmesser D des Kolbens 13 und dem Durch messer E. Der gesamte, dieses Aggregat in die ent gegengesetzte Richtung, also in Fig. 1 nach links, drückende Druck des Strömungsmittels ist der auf. eine Kreisfläche vom Durchmesser B einwirkende Druck. Die genannte Kreisfläche bis zum Durchmes ser<I>B</I> ergibt sich einmal bis zum Durchmesser<I>A</I> als Ringfläche innerhalb des Verschlussringes 29 und zum andern als Fläche, die an der Ringfläche 44a vom Durchmesser<I>A</I> bis zum Durchmesser<I>B</I> gebildet wird.
Bei Ausserachtlassung des von den Federn 45 ausgeübten Druckes bestimmt die Differenz zwischen den Kräften in den beiden genannten Richtungen, das heisst die Differenz zwischen der Ringfläche mit dem Innendurchmesser D und dem Aussendurchmes ser E und der Kreisfläche vom Durchmesser B multi pliziert mit dem Druck des Strömungsmittels, die reine, auf das erste Kolbenaggregat einwirkende Axial kraft, die ihrerseits die am Pleuel 24 auszuübende Kraft bestimmt.
Daher ist das auf die Spindel 15 auszuübende und zum Einleiten der Ventilöffnungs- bewegung erforderliche Drehmoment ganz unab hängig vom tatsächlichen Dichtunsgdruck des Ver- schlussringes gegen den Sitz 38. Somit erlaubt die hier beschriebene Konstruktion des Ventils das unab hängige Festsetzen des Dichtunsgdruckes und der Öffnungskraft.
Durch geeignete Wahl der beiden Durchmesser D und E in bezug auf den Durchmesser B kann dem zum Einleiten der Ventilöffnungsbewe- gung benötigten Drehmoment ein beliebiger ge wünschter Wert in bezug auf den Strömungsmittel druck gegeben werden. Weiter entlastet die infolge des Zutrittes des Strömungsmitteldruckes in die Kam mer 35 auf das erste Kolbenaggregat wirkende Kraft den Pleuel 24 im gleichen Ausmass. Es ist sogar möglich, die Kraft so gross zu machen, dass der Pleuel 24 auf Zug beansprucht wird.
Die beiden Durchmesser D und E werden so gewählt, dass die das Kolbenaggregat nach rechts drückende Kraft die in der entgegengesetzten Richtung wirkende Kraft etwas übersteigt.
Der Drehbereich der Spindel 15 ist auf etwa 180 beschränkt, und das Ventil wird geöffnet, wenn die Spindel, in Fig.4 gesehen, im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird. Die Teile sind so proportioniert, dass in der Spindelendlage bei geschlossenem Ventil der Kurbelzapfen 23 sich gerade etwas über dem Tot punkt hinaus befindet (siehe Fig.4), wodurch das Ventil selbsthemmend ist. Zum Begrenzen des Spin- deldrehbereiches können beliebige geeignete Mittel vorgesehen und in den äussern Betätigungsmechanis mus oder in die Ventilkonstruktion selbst eingebaut werden.
Beim vorliegenden Beispiel weist der Bund 18 einen vorstehenden Teil 52 (Fig. 2) auf, der mit den in einer zwischen der Kappe 19 und dem Ventil gehäuse festgehaltenen Platte 55 gebildeten Anschlä gen 53, 54 zusammenarbeitet. Ein Vorteil dieses spe ziellen Betätigungsmechanismus liegt darin, dass in der ersten Öffnungsphase Kurbelzapfen und Pleuel mechanisch sehr günstig arbeiten, so dass - selbst wenn der das Ventil geschlossen haltende Druck des Strömungsmittels hoch ist - das Ventil mittels eines nur kleinen, auf die Spindel ausgeübten Drehmomen tes geöffnet werden kann.
Nach einer sehr kleinen Bewegung stösst der Ventilsitzkörper 41 gegen das Ventilgehäuse 11, und dann beginnt das Ventil sich zu öffnen, wobei der in der Öffnungsrichtung wir kende Druck des Strömungsmittels nicht mehr auf die Fläche vom Durchmesser A beschränkt ist, und es daher keine Frage mehr ist, ob der Druck auf die Zapfenstirnfläche 44a oder der Druck in der Kammer 35 die Tendenz des Strömungsmitteldruckes, das Ventil zu öffnen, übersteigt.
Beim weiteren Drehen der Spindel zwecks Zurückziehens des Kolbens 13 strömt das Strömungsmittel in der Ringkammer 35 einfach durch die Kanäle 36, 37 in den Einlass zurück und dann zwischen den Kopf 28 und die Innenseite des Ventilsitzkörpers 41 und durch die Kanäle 46 im Ventilgehäuse 11 zum Austrittsstutzen 47.
Ein Zweck des verschiebbaren Ventilsitzkörper\s 41 und der Federn 45 besteht darin, mit mässigen Herstellungstoleranzen auszukommen, da diese Teile die Notwendigkeit für eine hohe Präzision in der Stellung des Verschlussringes 29 bei geschlossenem Ventil überflüssig machen. Bei einem grossen Ventil kann die notwendige Toleranz dadurch erreicht wer den, dass der Pleuel 24 einen entsprechenden, gefeder ten kleinen Längenänderungsbereich erhält.
In einem solchen Fall kann der Ventilsitzkörper 41 mit dem Zapfen 44 weggelassen werden, wobei der Hohlraum 39 und der Sitz 38 im Eintrittstutzen 42 vorgesehen werden. Dann kann der Strömungsmitteldruck zum. Abdichten und zum Entlasten des Pleuels 24 gänzlich von der Kammer 35 geliefert, aber durch geeignete Wahl der beiden Durchmesser D, E in bezug auf den Durchmesser B in irgendeine gewünschte Beziehung zum Strömungsmitteldruck gebracht werden.
Der Abdichtdruck des Strömungsmittels wirkt dann der durch den Pleuel 24 ausgeübten Öffnungskraft direkt entgegen. Aber auch in diesem Zusammenhang ist wiederum zu betonen, dass die Kurbel und der Pleuel einen grossen mechanischen Vorteil bieten. Durch Verwendung kurzer Federn im Pleuel oder durch Anbringen von Anschlägen zum Begrenzen des vor genannten Längenänderungsbereiches würden Schwie rigkeiten durch die Tendenz des Kolbenaggregates, hinter dem Pleuel zurückzubleiben, vermieden.
Eine kleinere, sowohl beim erstbeschriebenen wie auch bei dem zuletzt angeführten Ventil mögliche Änderung besteht darin, den Verschlussring im Hohl- raum 39 zu montieren und den Sitz 38 an den Kol benkopf 28 zu verlegen.