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Die
Erfindung betrifft ein regelbares Druckminderventil zur Herabsetzung
des Drucks von Flüssigkeiten, insbesondere zur Herabsetzung
des Drucks der Bohrspülung in einer an ein Bohrgestänge
angeschlossenen Zulaufleitung einer Spülungspumpe.
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Aus
DE 1 107 471 A ist
ein mehrstufiges, regelbares Druckminderventil zur Druckherabsetzung von
Flüssigkeiten bekannt, das vornehmlich für Speisewasser
oder die Einspritzung von Wasserdampf bestimmt ist. Das Druckminderventil
hat ein Gehäuse mit einem sich in Längsrichtung
erstreckenden Innenraum, einer Einlassöffnung und einer
Auslassöffnung und mit mehreren, zwischen der Einlassöffnung und
der Auslassöffnung angeordneten, durch Gehäuseausnehmungen
voneinander getrennten, ringförmigen Wänden, die
koaxiale Ventilöffnungen enthalten. Durch die Ventilöffnungen
erstreckt sich eine Spindel, die in den Ventilöffnungen
kolbenartig geführt ist und in Längsrichtung der
Spindel verlaufende Ausfräsungen aufweist, welche die Regelcharakteristik
bestimmen. Die bekannte Gestaltung des Druckminderventils ist nur
für reines Wasser geeignet, da sich Schmutzpartikel in
den Ausfräsungen anlagern und die Bewegbarkeit der Spindel
beeinträchtigen können. Die sich in Längsrichtung
erstreckenden Ausfräsungen schränken außerdem
den Regelbereich erheblich ein.
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Andere,
beispielsweise aus
DE
32 15 224 A1 und
DE
37 44 730 C1 , bekannte Druckminderventile haben einen in
einer Gehäusebohrung axial beweglich angeordneten Ventilkolben
mit ringförmigen Ausnehmungen, durch den radial in die
Ventilbohrung mündende Ventilöffnungen freigebbar
sind. Zur Energieherabsetzung durch Verwirbelung sind die Ventilöffnungen
im Gehäuse zusätzlich von ringförmig
angeordneten Drosseleinrichtungen umgeben. Auch diese Ventil gestaltungen
eignen sich nur für reine Flüssigkeiten, die die
engen Drosselöffnungen nicht zusetzen können.
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Es
ist weiterhin aus
EP
0 744 527 B1 eine Vorrichtung zur Übertragung
von obertägig vorliegenden Informationen an einen untertage
in einem Bohrloch befindlichen Informationsempfänger bekannt, bei
der an die Vorlaufleitung einer mit konstanter Leistung angetriebenen
Spülungspumpe eine in den Spülungstank mündende
Abzweigleitung angeschlossen ist, in die ein von einem Druckmittelantrieb betätigbares
Absperrorgan eingeschaltet ist. Dem Absperrorgan ist stromab eine
Drossel nachgeordnet, welche die Druckenergie des bei geöffnetem
Absperrorgan aus der Vorlaufleitung entweichenden Spülungsmittels
herabsetzt. Zur Übermittlung von Informationen an einen
untertägigen Informationsempfänger wird während
des ununterbrochenen Bohrbetriebs das Absperrorgan im Öffnungssinne
betätigt, wodurch der Volumenstrom des Spülungsmittels
im Bohrstrang verringert wird. Die Änderung des Volumenstroms über
der Zeit bildet ein Signal, das von dem Informationsempfänger
untertage erfasst werden kann. Entsprechend der Betätigung
und Ausgestaltung des Absperrorgans kann den Volumenstromänderungen
ein pulsförmiger Verlauf gegeben werden, und durch Variation
des Pulsverlaufs können als digitale Folge codierte Signale
erzeugt werden, die zur Steuerung von Komponenten des Untertagesystems
dienen.
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Die
Umsetzung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Signalerzeugung
bereitet in der Praxis jedoch erhebliche Schwierigkeiten, weil je nach
Betrieb einer Bohranlage die Bedingungen in der Vorlaufleitung der
Spülungspumpe sehr unterschiedlich sein können.
Bei geringer Bohrtiefe ist der Spülungsdruck am Bohrkopf
in der Regel verhältnismäßig niedrig,
der Volumenstrom hingegen recht groß. Zur Erzielung von
für die Signalübertragung geeigneten Volumenstromänderungen
muss daher mit niedrigem Druck ein verhältnismäßig
großer Bypassstrom in den Tank geleitet werden. Bei großer
Bohrtiefe ist der Spülungsdruck am Bohrkopf zwangsläufig
sehr hoch, der Volumenstrom jedoch in der Regel relativ klein. Hierbei
besteht das Problem, trotz des hohen Drucks nur einen begrenzten
Volumenstrom durch die Bypassleitung in den Spülungstank
entweichen zu lassen, wobei eine entsprechende Druckenergie des
abgezweigten Bypassstroms herabgesetzt werden muss. Zwischenzustände
zwischen den genannten Extremen müssen von der zur Signalerzeugung
vorgesehenen Absperreinrichtung ebenfalls beherrscht werden können.
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Ein
weiteres Problem stellt die unvermeidliche Belastung der Bohrspülung
mit abrasiven Feststoffpartikeln dar, die einerseits einen sehr
hohen Verschleiß der Absperr- und Drosseleinrichtung verursachen
können, andererseits aber auch zur Verstopfung und dadurch
bedingt Ausfall der Absperr- und Drosseleinrichtungen führen
können.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein regelbares Druckminderventil zu schaffen, welches zur Herabsetzung
des Drucks einer zum Tiefbohren verwendeten Bohrspülung
geeignet ist. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Druckminderventil
zu schaffen, welches die Steuerung des Volumenstroms in einer Bypassleitung
ermöglicht, die von einer eine Spülungspumpe mit
einem Bohrstrang verbindenden Vorlaufleitung abgezweigt ist. Ferner
ist es Aufgabe der Erfindung, ein Druckminderventil zu schaffen, welches
eine stufenlose Regelung des von dem Druckminderventil durchgelassenen
Volumenstroms ermöglicht. Weiteres Ziel der Erfindung ist
es, das Druckminderventil so zu gestalten, dass es verschleißunempfindlich
ist und dass es in seiner Funktion durch in der Bohrspülung
enthaltene Feststoffpartikel nicht beeinträchtigt wird.
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Zur
Lösung der genannten Aufgabe sieht die Erfindung ein regelbares
Druckminderventil vor mit einem Gehäuse, das einen sich
in Richtung einer Längsachse erstreckenden Innenraum mit
einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung
hat, wobei die Einlassöffnung und die Auslassöffnung
in axialem Abstand voneinander in den Innenraum münden
und wobei der Innenraum zwischen den Mündungen der Einlassöffnung
und der Auslassöffnung wenigstens eine ringförmige
Wand mit einer zylindrischen Ventilbohrung aufweist, und mit einem
in dem Innenraum angeordneten, axial bewegbaren Ventilkörper,
der sich durch die Ventilbohrung erstreckt und einen in der Ventilbohrung
geführten, kolbenartigen Abschnitt hat, durch den die Ventilbohrung
verschließbar ist, wobei der kolbenartige Abschnitt wenigstens
eine Regelausnehmung aufweist, die von einer sich in axialer Richtung
und in Umfangsrichtung erstreckenden Regelstufe begrenzt wird, die
mit dem Rand der Ventilbohrung eine regelbare Ventilöffnung
bildet.
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Das
Druckminderventil nach der Erfindung ermöglicht eine präzise
Regelung des Öffnungsquerschnitts, wobei die Regelcharakteristik
in weiten Grenzen beliebig sein kann. Auch im Bereich kleiner Öffnungsquerschnitte
ist eine Regelung möglich. Die Regelcharakteristik kann
außerdem durch den Verlauf der Regelstufe beeinflusst werden.
Für die Auslegung des Antriebs zur Ventilbetätigung
kann dies vorteilhaft sein. Eine für die Signalerzeugung
vorteilhafte Regelcharakteristik kann erreicht werden, wenn der
Verlauf der Regelstufe in der Abwicklung dem Kurvenverlauf einer
Sinusfunktion oder einer Exponentialfunktion entspricht. Die Regelstufe
des Druckminderventils verläuft vorzugsweise im Wesentlichen rechtwinklig
zur Mantelfläche des kolbenartigen Abschnitts. Die Ansammlung
von Ablagerungen und die Bildung eines Filterkuchens wird dadurch
vermieden. Außerdem trägt dies zur genauen Regelung
bei.
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Vorzugsweise
weist der kolbenartige Abschnitt des Ventilkörpers mehrere,
insbesondere zwei Regelausnehmungen auf, wobei die Regelausnehmungen
in Umfangsrichtung nebeneinander liegen und insbesondere rotationssymmetrisch
ausgebildet und angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich in den Offenstellungen
des Druckminderventils ein Druckausgleich in radialer Richtung,
so dass die Reibkräfte zwischen Ventilkörper und
Gehäuse klein bleiben.
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Die
Regelstufe kann nach der Erfindung so ausgestaltet sein, dass die
sich bildende Ventilöffnung einen möglichst kompakten Öffnungsquerschnitt
hat. Ein kompakter Öffnungsquerschnitt zeichnet sich dadurch
aus, dass sein Umfang im Verhältnis zur Querschnittsfläche
klein ist, Idealfall wäre ein kreisförmiger Öffnungsquerschnitt.
Durch einen kompakten Öffnungsquerschnitt der Ventilöffnung wird
einer Verstopfung durch Feststoffpartikel im Druckmedium und der
Bildung von Filterkuchen wirksam begegnet.
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Erfindungsgemäß kann
weiterhin vorgesehen sein, dass die Regelstufe zwei divergierende
Abschnitte hat, die sich von einer Stelle in Durchflussrichtung
erstrecken. Hierdurch wird ein kompakter Öffnungsquerschnitt
der Ventilöffnung gebildet. Vorzugsweise sind die divergierenden
Abschnitte in Bezug auf eine die Längsachse enthaltende
Symmetrieebene symmetrisch und treffen an der Symmetrieebene zusammen.
Durch eine solche symmetrische Gestaltung werden auf den Ventilkörper
einwirkende Drehmomente vermieden. Weiterhin hat sich diese Gestaltung
für die Herabsetzung von Druckenergie durch Verwirbelung
als besonders wirksam erwiesen.
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In
den Offenstellungen des Druckminderventils können hydrodynamische
Kräfte dazu führen, dass der Ventilkörper
dazu angeregt wird, zu schwingen. Um dies zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der kolbenartige Abschnitt des Ventilkörpers über
seinen gesamten Regelhub in der Ventilbohrung geführt ist.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Rand der Ventilbohrung
von einer sich an die Ventilbohrung anschließenden Kegelfläche
gebildet ist. Hierdurch wird die Strömung in den Offenstellungen
des Ventils radial nach innen gelenkt und ein dem Strömungsverlauf
entgegengerichteter Wirbel erzeugt, der die Energieherabsetzung
begünstigt.
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Nach
einem weiteren Vorschlag der Erfindung weist das Druckminderventil
mehrere, hintereinander geschaltete Druckminderstufen auf, wobei jede
Druckminderstufe wenigstens eine ringförmige Wand mit einer
zylindrischen Ventil bohrung und einen in der Ventilbohrung geführten,
kolbenartigen Abschnitt des Ventilkörpers aufweist, durch
den die Ventilbohrung verschließbar ist und wobei der kolbenartige
Abschnitt oder die Ventilbohrung wenigstens eine Regelausnehmung
haben, die von einer sich in axialer Richtung und in Umfangsrichtung
erstreckenden Regelstufe begrenzt wird. Durch eine solche Gestaltung
kann die Druckreduzierung auf mehrere Drosselstellen gleichmäßig
verteilt und vor allem bei größeren Druckdifferenzen
Beanspruchung und Verschleiß der einzelnen Stufen klein
gehalten werden. Weiterhin wird das Regelverhalten bei hohen Drücken
und kleinen Durchlassmengen durch mehrere, hintereinander geschaltete
Stufen verbessert.
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Die
Anpassung an sehr unterschiedliche Betriebsbedingungen kann nach
einem weiteren Vorschlag der Erfindung dadurch erweitert werden,
dass das Druckminderventil mehrere Gruppen von hintereinander geschalteten
Druckminderstufen aufweist, wobei stromab einer jeden Gruppe eine
verschließbare Auslassöffnung vorgesehen ist.
Hierdurch kann, je nachdem welche der Auslassöffnungen
freigegeben wird, das Druckminderventil mit einer anderen Zahl von
hintereinander geschalteten Druckminderstufen betrieben werden.
Die Zahl der Druckminderstufen der einzelnen Gruppen kann verschieden
groß sein und mit dem Abstand der Gruppe von der Einlassöffnung
wachsen. Auf diese Weise lässt sich mit wenigen Gruppen
eine die Gruppenzahl übersteigende Zahl von unterschiedlichen
Betriebsbedingungen realisieren.
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Eine
vorteilhafte Gestaltung des Druckminderventils kann erfindungsgemäß darin
bestehen, dass das Gehäuse aus ringförmigen Gehäuseabschnitten
zusammengesetzt ist, wobei ein erster ringförmiger Gehäuseabschnitt
zur Aufnahme einer ringförmigen Wand mit zylindrischer
Ventilbohrung ausgebildet ist und ein zweiter ringförmiger
Gehäuseabschnitt eine radiale Anschlussöffnung
aufweist. Außerdem kann vorgesehen sein, dass die ringförmige Wand
mit zylindrischer Ventilbohrung als separates Einsetzteil ausgebildet
ist und insbesondere aus einem besonders verschleißfestem
Material hergestellt ist. Zur Bildung eines Gehäuses können
erste und zweite ringförmige Gehäuseabschnitte
zwischen Endplatten angeordnet sein, die durch stabförmige Elemente
miteinander verbunden sind. Auf diese Weise ist es möglich,
mit wenigen, einheitlichen Bauteilen Gehäuse von Druckminderventilen
verschiedener Ausgestaltung und Zahl an Druckminderstufen herzustellen.
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Der
Ventilkörper des Drosselventils weist nach der Erfindung
eine zentrale Längsbohrung auf, die mit der Einlassöffnung
des Gehäuses verbunden ist. Hierdurch wird eine druckbedingte
Aufweitung des Gehäuses durch eine gleich gerichtete Aufweitung
des Ventilkörpers teilweise kompensiert, so dass der Gleitspalt
zwischen der Ventilbohrung und dem kolbenartigen Abschnitt des Ventilkörpers
auch bei hohen Eingangsdrücken keine wesentliche und für
das Betriebsverhalten nachteilige Erweiterung erfährt.
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Vorzugsweise
ist weiterhin der Ventilkörper so ausgebildet, dass er
in axialer Richtung im Wesentlichen druckausgeglichen ist, damit
die erforderlichen Stellkräfte auch bei sehr hohen Drücken
klein bleiben können. Der Ventilkörper kann weiterhin
aus einer Ventilspindel und auf dieser befestigten Ventilhülsen
gebildet sein, wobei die Ventilhülsen jeweils einen kolbenartigen
Abschnitt bilden. Die Ventilhülsen können hierbei
aus einem besonders harten und verschleißfesten Material
bestehen.
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Die
mehrteilige Gestaltung des Ventilkörpers ermöglicht
auf einfach Weise die Anpassung des Ventilkörpers an unterschiedliche
Ventilausführungen. Weiterhin können die Ventilhülsen
als Automaten- oder Sinterteile kostengünstig hergestellt
werden.
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Das
erfindungsgemäße Druckminderventil eignet sich
bevorzugt zur Erzeugung von nach untertage übertragbaren
Druckänderungssignalen in einer an ein Bohrgestänge
angeschlossenen Vorlaufleitung einer Spülungspumpe, wobei
die Einlassöffnung des Druckminderventils mit einer von
der Vorlaufleitung der Spülungspumpe abgezweigten Bypassleitung
und die Auslassöffnung mit einer zu einem Spülungstank
führenden Rücklaufleitung verbunden werden. Die
Betätigung des Ventilkörpers erfolgt hierbei vorzugsweise
durch einen weggesteuerten, insbesondere pneumatischen Stellantrieb,
der durch einen elektropneumatischen Stellungsregler steuerbar ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt
sind. Es zeigen
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1 einen
Längsschnitt durch ein Druckminderventil nach der Erfindung,
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Ventilhülse des Druckminderventils
gemäß 1,
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Ventilkörpers
des Druckminderventils gemäß 1,
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4 ein
Diagramm des Verhältnisses von Volumenstrom zu Öffnungshub
des Druckminderventils gemäß 1 und
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5 eine
schematische Darstellung einer Tiefbohranlage mit einer Vorrichtung
zur Signalerzeugung unter Verwendung des Druckminderventils gemäß 1,
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Das
in 1 dargestellte Druckminderventil 1 weist
ein langgestrecktes Gehäuse 2 mit einem Innenraum 3 und
einen in dem Innenraum 3 längs beweglich angeordneten
und geführten Ventilkörper 4 auf. Das
Gehäuse 2 ist aus ersten ringförmigen
Gehäuseabschnitten 5 und zweiten ringförmigen
Gehäuseabschnitten 6, 7 zusammengesetzt.
Die Gehäuseabschnitte 5, 6, 7 sind
zwischen zwei Endplatten 8, 9 angeordnet, die
durch mehrere stabförmige Elemente 10 miteinander
verbunden sind. Die stabförmigen Elemente 10 erstrecken
sich auf der Außenseite des Gehäuses 2 parallel
zu seiner Längsmittelachse und pressen die ringförmigen
Gehäuseabschnitte 5, 6, 7 in
axialer Richtung fest aneinander. Die ringförmigen Gehäuseabschnitte 5, 6, 7 haben
in ihren Stirnseiten nach außen offene Ringausnehmungen,
die jeweils eine innerhalb der Gehäuseab schnitte 5, 6, 7 liegende
Schulter bilden. In den einander zugekehrten Ringausnehmungen benachbarter
erster Gehäuseabschnitte 5 und benachbarter erster
und zweiter Gehäuseabschnitte 5, 6 bzw. 5, 7 ist
jeweils eine als separates Einsatzteil ausgebildete ringförmige
Wand 11 angeordnet. Die ringförmigen Wände 11 greifen
hierbei jeweils in beide benachbarten Ringausnehmungen ein und zentrieren
mit ihren ringförmigen Mantelflächen die Gehäuseabschnitte 5, 6, 7 zueinander.
In axialer Richtung stützen sich die ringförmigen
Wände 11 an den Schultern der Gehäuseabschnitte 5, 6, 7 ab
und sie sind durch Dichtringe 12 gegenüber den
Gehäuseabschnitten 5, 6, 7 abgedichtet.
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Die
zweiten ringförmigen Gehäuseabschnitte 6, 7 sind
in axialer Richtung länger als die ersten Gehäuseabschnitte 5 und
weisen jeweils eine in den Innenraum 3 mündende
Anschlussöffnung 13 auf, die von einem sich radial
nach außen erstreckenden Rohrstutzen 14 gebildet
ist. Der Gehäuseabschnitt 7 ist an einem Ende
des Gehäuses 2 unmittelbar angrenzend an die Endplatte 8 angeordnet
und bildet den Einlass 15 des Druckminderventils 1.
Am anderen Ende des Gehäuses 2 ist angrenzend
an die Endplatte 9 ein Gehäuseabschnitt 6 zur
Bildung eines ersten Auslasses 16 angeordnet. Beide Endplatten 8, 9 greifen
zur Zentrierung mit Ringabschnitten 19 in die Ringausnehmungen
der Gehäuseabschnitte 7, 6 ein und sind
mittels Dichtringen 12 gegenüber den Gehäuseabschnitten 7, 6 abgedichtet.
Zwei weitere Auslässe 17, 18 werden von
Gehäuseabschnitten 6 gebildet, die zwischen Gehäuseabschnitten 5 angeordnet
und durch Gehäuseabschnitte 5 voneinander getrennt
sind. Hierbei ist eine solche Aufteilung gewählt, dass
zwischen Einlass 15 und Auslass 17 zwei, zwischen
Auslass 17 und Auslass 18 vier und zwischen Auslass 18 und
Auslass 16 acht von Gehäuseabschnitten 5 gehaltene
Wände 11 vorgesehen sind.
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Alle
Wände 11 sind gleich und haben eine zylindrische
Ventilbohrung 20, eine sich zur Ventilbohrung 20 hin
verjüngende Kegelfläche 21 auf ihrer Anströmseite
und eine ebene Stirnfläche 22 auf ihrer Abströmseite.
Durch die Kegelfläche 21 und einen sich an diese
anschließenden Ringraum innerhalb der Gehäuse abschnitte 5, 6 werden
auf den Anströmseiten der Wände 11 Ringkammern
für den Durchtritt und die Verwirbelung des hindurchströmenden
Mediums gebildet. Nur im einlassseitigen Gehäuseabschnitt 7 befindet
sich auf der Anströmseite vor der Wand 11 anstelle
eines Ringraums eine ringförmige Drosselscheibe 23.
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Der
Ventilkörper 4 umfasst eine Ventilspindel 25,
die sich in Längsrichtung des Innenraums 3 erstreckt
und eine der Anzahl der Wände 11 entsprechende
Anzahl Ventilhülsen 26 trägt. Die Ventilspindel 25 hat
ein Betätigungsende 27, das sich durch eine abgestufte
Zylinderbohrung 28 in der Endplatte 9 erstreckt
und einen Kolbenabschnitt 29 bildet, der in der Zylinderbohrung 28 geführt
und abgedichtet ist. Die Ventilhülsen 26 haben
eine axiale Länge, die dem axialen Abstand der Wände 11 entspricht,
und sind dort, wo sie im Wirkungsbereich der Wände 11 liegen,
unmittelbar aneinander abgestützt. Die Ventilhülsen 26 sind
mit Hilfe von Abstandshülsen 30 und einer am eingangsseitigen
Spindelende angeordneten Gewindehülse 31 auf der
Ventilspindel 25 in einer Lage fixiert, dass jede Ventilhülse 26 sich
in der gleichen Position zu einer ihr zugeordneten Wand 11 befindet.
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Die
Gewindehülse 31 ist in einer Buchse 32 verschiebbar
gelagert, die in einer endseitig geschlossenen Bohrung 33 in
der Endplatte 8 angeordnet ist. Die Buchse 31 weist
in ihrer Mantelfläche Längsnuten 34 auf,
durch die das geschlossene Ende der Bohrung 33 mit dem
Einlass 15 in Verbindung steht. Die Ventilspindel 25 ist
weiterhin mit einer durchgehenden Längsbohrung 35 versehen,
die innerhalb des Betätigungsendes 27 mit einem
Stopfen 36 druckdicht verschlossen ist. Eine die Längsbohrung 35 kreuzende
Querbohrung 37 mündet in einer Ringkammer 38,
die sich auf der dem Betätigungsende 27 zugewandten
Seite des Kolbenabschnitts 29 befindet und die nach außen
von einer an der Endplatte 9 befestigten Buchse 39 begrenzt
wird. in der Bohrung der Buchse 39 ist das Betätigungsende 27 der
Ventilspindel 25 gedichtet und axial bewegbar geführt.
Durch die beschriebene Anordnung ist die Ringkammer 38 mit
dem Einlass 15 verbunden, so dass der Kolbenabschnitt 29 zur
Erzielung eines Druckausgleichs mit dem Einlassdruck beaufschlagt werden
kann.
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Wie
aus 2 zu ersehen, haben die Ventilhülsen 26 jeweils
einen kolbenartigen Abschnitt 41 mit zylindrischer Mantelfläche 42,
die sich zwischen den stirnseitigen Endflächen 43, 44 erstreckt.
Der kolbenartige Abschnitt 41 weist zwei einander entgegengesetzte
Regelausnehmungen 45 auf, die durch scharfkantige Regelstufen 46 von
der Mantelfläche 42 abgesetzt sind. Der Boden
der Regelausnehmungen 45 wird jeweils von einer koaxialen
Zylinderfläche 47 begrenzt, die sich bis zur Endfläche 43 erstreckt
und deren Krümmungsradius kleiner ist als der Krümmungsradius
der Mantelfläche 42. Beide Regelausnehmungen 45 sind
in Bezug auf eine zwischen ihnen liegende axiale Mittelebene und
in Bezug auf eine zu dieser senkrechten axialen Mittelebene symmetrisch
ausgebildet.
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Die
Regelstufe 46 jeder Regelausnehmung 45 hat zwei
divergierende erste Abschnitte 48, die sich von einer nahe
der Endfläche 44 liegenden Engstelle 49 aus
in axialer Richtung und in Umfangsrichtung erstrecken. Die Abschnitte 48 verlaufen
hierbei längs einer gekrümmten Bahn, deren Krümmung
mit der Entfernung von der Engstelle 49 abnimmt. In der Abwicklung
kann der Verlauf dieser Bahn einer Exponentialfunktion, einer Sinusfunktion
oder einer anderen Gesetzmäßigkeit folgen. An
die Abschnitte 48 schließen sich Abschnitte 50 der
Regelstufe 46 an, die parallel zur Längsachse
der Ventilhülse 26 verlaufen. Zwischen den Abschnitten 50 der
beiden entgegengesetzten Regelausnehmungen 45 erstreckt
sich ein schmaler, rippenförmiger Bereich 51 des
Abschnitts 41, der zur Führung der Ventilhülse 26 in
der Offenstellung des Druckminderventils dient. In radialer Richtung
erstrecken sich die Regelstufen 46 im Wesentlichen senkrecht
zu den Ebenen, die die Mantelfläche 42 und die
Regelstufe 46 an den jeweiligen Stellen berühren.
Hierdurch bildet die Regelstufe 46 mit der Mantelfläche 42 im
gesamten Verlauf eine scharfe, im Wesentlichen rechtwinklige Regelkante. Durch
diese Ausbildung der Regelkante wird eine genaue Regelung des Öffnungsquer schnitts
im Druckminderventil ermöglicht und die Bildung von Filterkuchen
und anderen störenden Ablagerungen vermieden.
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3 zeigt
einen Abschnitt des Ventilkörpers 4 mit mehreren,
gleichsinnig hintereinander angeordneten Ventilhülsen 26.
Die baugleichen Ventilhülsen 26 liegen mit ihren
Endflächen 43, 44 aneinander und sind
jeweils in einem Winkel von 90° gegeneinander verdreht
angeordnet, so dass den Engstellen 49 einer Ventilhülse 26 jeweils
die rippenförmigen Bereiche 51 der angrenzenden
Ventilhülse 26 benachbart sind. Hierdurch wird
die Führung des Ventilkörpers 4 in den
Ventilbohrungen 20 der Wände 11 verbessert
und das flüssige Medium, welches das Ventil in der Offenstellung
durchströmt, wird zur Bildung von in Umfangsrichtung verlaufenden
Teilströmen und damit zur stärkeren Verwirbelung
gezwungen.
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1 zeigt
das Druckminderventil 1 vorbereitet für eine Anwendung,
bei der alle Druckminderstufen, die jeweils aus einer Wand 11 und
einer Ventilhülse 26 bestehen, zum Einsatz kommen.
Dies ist dann angebracht, wenn eine hohe Druckdifferenz zwischen
Einlass und Auslass zu bewältigen ist. Damit alle Druckminderstufen
nacheinander durchströmt werden, sind die Auslässe 17, 18 jeweils
durch eine Deckelplatte 53 verschlossen. Alternativ könnten
an den Auslässen auch Absperrventile vorgesehen sein.
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Der
Ventilkörper 4 ist in der Zeichnung in der Schließstellung
dargestellt. In dieser Stellung befinden sich die Ventilhülsen 26 mit
ihren an die angeströmten Endflächen 44 angrenzenden,
ringförmig geschlossenen Bereichen innerhalb der Ventilbohrungen 20 der
Wände 11.
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Zum Öffnen
des Druckminderventils 1 wird der Ventilkörper 4 in
Richtung der Endplatte 8 bewegt. Hierbei treten zu Beginn
des Öffnungshubs die Regelstufen 46 nur an den
Stellen 49 aus den Ventilbohrungen 20 heraus,
so dass jeweils zwei kleine kompakte Ventilöffnungen auf
den Anströmseiten der Wände 11 gebildet
werden, durch die das dem Einlass 15 zugeführte
Druckmedium hindurchtreten und in die sich in Strömungsrichtung
erweiternde Regelausnehmungen 45 einströmen kann.
in den Regelausnehmungen 45 strömt das Druckmedium
durch die Ventilbohrungen 20 zur Anströmseite
der jeweils nächsten Wand und schließlich zum
Auslass 16. Die Größe der gebildeten
Ventilöffnungen ist an allen Wänden 11 gleich.
Nach kurzer Öffnungszeit bildet sich an jeder Wand 11 ein
im Wesentlichen gleiches Druckgefälle, welches dem Gesamtdruckgefälle
zwischen dem Einlass 15 und dem Auslass 16 geteilt durch
die Anzahl der Druckminderstufen entspricht. Wird der Ventilkörper
weiter in Richtung der Endplatte 8 bewegt, so treten immer
längere Abschnitte der Regelstufen 46 aus den
Ventilbohrungen 20 heraus, wobei sich durch den divergierenden
Verlauf der Regelstufen 46 die Ventilöffnungen
für den Durchtritt des Druckmediums kontinuierlich vergrößern.
Entsprechend der Vergrößerung der Ventilöffnungen wächst
der Volumenstrom, der bei gegebenem Druckgefälle das Druckminderventil
durchströmt. Der maximale Volumenstrom wird erreicht, wenn
die divergierenden ersten Abschnitte 48 der Regelstufen 46 sich
außerhalb der Ventilbohrungen 20 der Wände 11 befinden.
Es zeigt sich somit, dass der Volumenstrom von dem Öffnungshub
des Ventilkörpers 4 abhängig ist und
durch gezielte Steuerung des Öffnungshubs verändert
werden kann. Durch Änderung des Verlaufs der Regelstufen 46 kann
außerdem das Verhältnis von Volumenstrom zu Öffnungshub
variiert werden.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Beeinflussung des Volumenstroms
bei gegebenem Druckgefälle ist durch die Auslässe 17 und 18 gegeben.
Durch die Anordnung der Auslässe 17, 18 werden
die vorhandenen Druckminderstufen in drei Gruppen unterschiedlicher
Größe unterteilt, so dass auch eine kleinere Zahl
von Druckminderstufen und damit eine geringere Drosselwirkung zur
Anwendung gebracht werden kann. Wird beispielsweise der Auslass 16 verschlossen
und stattdessen der Auslass 18 geöffnet, so werden
anstelle von 14 Drosselstufen nur noch sechs durchströmt.
Aufgrund des entsprechend geringeren Drosselwiderstands ergibt sich
bei gleichem Eingangsdruck ein größerer, das Druckminderventil
durchströmender Volumenstrom.
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4 zeigt
eine Graphik, in der der Volumenstrom V, der das Druckminderventil 1 bei
einem gegebenen Druckgefälle durchströmt, bei
konstantem Druckgefälle zwischen Einlass und Auslass in Abhängigkeit
von dem Öffnungshub H des Ventilkörpers 4 für
die drei Auslässe 16, 17, 18 gezeigt
ist. Es zeigt sich, dass z. B. bei Verwendung des Auslasses 17 der
Volumenstrom mehr als das Doppelte des Volumenstroms beträgt,
der sich bei Verwendung des Auslasses 16 ergibt.
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5 zeigt
eine bevorzugte Anwendung des beschriebenen Druckminderventils in
einer Vorrichtung zur Erzeugung von Signalen, die bei Tiefbohranlagen
mit Hilfe der Bohrspülung von übertage an einen
untertage im Bohrloch befindlichen Empfänger übertragbar
sind. Schematisch dargestellt sind ein Bohrturm 60, von
dem aus sich ein Bohrstrang 61 in einem Bohrloch nach untertage
zu einem Bohrmeißel 62 erstreckt. Der Bohrstrang 61 ist
an die Vorlaufleitung 63 einer Spülungspumpe 64 angeschlossen,
die aus einem Tank 65 Bohrspülung ansaugt und
mit einem von der Bohrtiefe abhängigen Druck durch den Bohrstrang 61 zum
Bohrmeißel 62 fördert. Die Bohrspülung
tritt an dem Bohrmeißel 62 in das Bohrloch aus
und strömt durch dieses zum Bohrturm 60 zurück,
wo sie aufgefangen, gereinigt und in den Tank 65 zurückgeleitet
wird. Von der Vorlaufleitung 63 zweigt eine Bypass-Leitung 66 ab,
die durch ein Absperrventil 67 verschließbar ist.
Die Bypass-Leitung 66 ist an eine Signalerzeugungsvorrichtung 70 angeschlossen,
die in einem transportablen Behälter untergebracht ist.
Die Signalerzeugungsvorrichtung 70 umfasst ein pneumatisch
gesteuertes Eingangsventil 71, ein der beschriebenen Ausführung
entsprechendes Druckminderventil 1, dessen Einlass 15 an
den Ausgang des Eingangsventils 71 angeschlossen ist, einen
pneumatischen Hubantrieb 72 zur Betätigung des
Druckminderventils 1 und eine elektropneumatische Regel-
und Steuereinrichtung 73, durch die das Eingangsventil 71 und
der Hubantrieb 72 steuerbar sind. Die Regel- und Steuereinrichtung 73 ist
an eine Druckluftversorgung 74 und über Leitungen 75, 76 an eine
außerhalb des Behälters in einem nicht explosionsgefährdeten
Bereich angeordnete, elektrische Steuerschaltung 77 angeschlossen,
die mit einem Computer 78 ansteuerbar ist. Das Eingangsventil 71 ist
an die Bypassleitung 66 angeschlossen und der Auslass 16 des
Druckminderventils 1 ist mit einer zum Tank 65 führenden
Rücklaufleitung 68 verbunden.
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Um
während des Bohrbetriebs Signale zu erzeugen, die von der
Bohrspülung mit gewünschter Deutlichkeit an einen
untertägigen Empfänger übertragen werden,
werden das Absperrventil 67 und das Eingangsventil 71 geöffnet.
Anschließend wird das Druckminderventil 1 durch
die Regel- und Steuereinrichtung 73 und in Abhängigkeit
von den Steuersignalen des Computers 78 und der Steuerschaltung 77 zeitgesteuert
periodisch geöffnet und geschlossen. Beim Öffnen
des Druckminderventils 1 entweicht ein Teilstrom aus der
Vorlaufleitung 63 über die Bypassleitung 66 des
Druckminderventils 1 und die Rücklaufleitung 68 in
den Tank 65, so dass sich der zum Bohrstrang 61 geförderte
Volumenstrom entsprechend verringert. Wegen des im Wesentlichen
konstanten Strömungswiderstands des Bohrstrangs 61 und
des Bohrmeißels 62 führt die Verringerung
des zum Bohrstrang 61 geförderten Volumenstroms
zu einer Druckänderung in der Vorlaufleitung 63,
die von der Bohrspülung nach untertage übertragen
wird. Durch die periodische Ansteuerung des Druckminderventils 1 in
zeitlich festgelegter Folge können auf diese Weise Druckpulssignale
zur Übertragung von Informationen nach untertage moduliert
werden. Hierzu geeignete Modulationsverfahren sind bekannt.
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Der Öffnungs-
und Schließzyklus des Druckminderventils 1 wird
zur Signalerzeugung vorzugsweise so gesteuert, dass die Volumenstromänderung und
damit auch die Druckänderung einen sinusförmigen
Verlauf erhält. Dieser Verlauf verursacht weniger Oberschwingungen
und beeinträchtigt daher nicht eine gleichzeitig mögliche
Signalübertragung in der Gegenrichtung, die mit einem höheren
Frequenzband arbeitet. Neben einer sinusförmigen Öffnungs charakteristik
sind aber auch zahlreiche andere Öffnungscharakteristiken,
beispielsweise rechteckförmige oder trapezförmige
Volumenstromänderungen über der Zeit mit dem beschriebenen
Druckminderventil 1 möglich. In allen Fällen
ist ein wesentlicher Vorteil des Druckminderventils seine Eigenschaft, den
das Druckminderventil durchströmenden Volumenstrom in Abhängigkeit
von dem Öffnungshub genau zu regeln und damit vorgegebene
Signalformen in entsprechende Druckänderungen umzusetzen.
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Ein
weiterer, für die Verwendung zur Signalerzeugung beim Tiefbohren
wesentliches Merkmal des Druckminderventils besteht darin, dass
die Zahl der wirksamen Druckminderstufen durch die Wahl eines anderen
Auslasses für den Anschluss der Rücklaufleitung 68 in
idealer Weise an die unterschiedlichen Vorlaufdrücke und
Fördermengen der Bohrspülungsförderung
angepasst werden kann. Der Aufbau des Druckminderventils aus einer
vergleichsweisen geringen Zahl baugleicher Bestandteile macht es
darüber hinaus einfach, die vorhandene Zahl der Druckminderstufen
zu verringern oder zu erhöhen und auch die Zahl der Auslässe
oder die Zahl der einem Auslass zugeordneten Druckminderstufen zu
verändern. Hierdurch kann das erfindungsgemäße
Druckminderventil an eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle
mit wenig Aufwand angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1107471
A [0002]
- - DE 3215224 A1 [0003]
- - DE 3744730 C1 [0003]
- - EP 0744527 B1 [0004]