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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Druckbegrenzungsventil
für den Untertagebau, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches Ventil ist aus der
DE
20 2006 009 403 bekannt.
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Bei
derartigen Druckbegrenzungsventilen, die üblicherweise
nur einen Anschluss haben und beispielsweise bei einem Öffnungsdruck
von 380 bar öffnen sollen, kann das Problem entstehen,
dass der beim Öffnen des Ventils erzielbare Durchfluss
zu gering ist. Ein solches Problem kann insbesondere dann auftreten,
wenn das Ventil einen vergleichsweise kleinen Durchmesser aufweist.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Druckbegrenzungsventil der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, dass bei kleinem Durchmesser ein
möglichst großer Durchfluss erzielt werden kann, wenn
das Ventil öffnet.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs
1 und insbesondere dadurch, dass die Kolbenführung eine
Leitfläche aufweist, die ein bei sich öffnendem
Ventil durch den Dichtsitz ausströmendes Fluid in Axialrichtung
umlenkt und so auf eine an dem Ventilkolben vorgesehene radial orientierte
Prallfläche richtet, dass das Fluid den Ventilkolben mit
dynamischem Fluiddruck in Axialrichtung beaufschlagt.
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Die
an der Kolbenführung vorgesehene Leitfläche wird
gezielt dazu verwendet, das durch den Dichtsitz strömende
Fluid bei Öffnen des Ventilkolbens in Axialrichtung umzulenken,
damit dieses den Ventilkolben mit dynamischem Fluiddruck beaufschlagen
kann. Durch die an dem Ventilkolben vorgesehene Prallfläche
ist eine Gegenfläche geschaffen, auf die das derart umgelenkte
Fluid auftreffen kann, so dass bei einem Öffnen des Ventils
der dynamische Druck des durchströmenden Fluids zusätzlich
dazu verwendet wird, den Ventilkolben mit einer Kraft zu beaufschlagen,
damit der Ventilkolben ausreichend weit öffnet und die
gewünschten Durchflüsse erzielt werden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung,
in der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
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Nach
einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann die Leitfläche
anströmseitig eine radiale Tangente und abströmseitig
eine axiale Tangente aufweisen und insbesondere konkav gekrümmt
sein. Durch eine derartig geformte Leitfläche wird der
die Kolbenführung durchströmende Fluidstrom so
abgelenkt und umgelenkt, dass dieser nahezu vollständig auf
die Prallfläche des Ventilkolbens gelenkt wird, ohne dass
dabei der Fluidstrom unerwünscht aufgeweitet oder in radialer
Richtung abgelenkt wird.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann es vorteilhaft
sein, wenn der Ventilkolben im Bereich der Kolbenführung
kreiszylindrisch ausgebildet ist, da hierdurch auch ein unerwünschtes Aufweiten
des Strahls des durchströmenden Mediums verhindert wird.
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Versuche
in der Praxis haben gezeigt, dass eine maximale radiale Spaltweite
zwischen Leitfläche und Ventilkolben in der Größenordnung
von etwa 0,5 bis 1 mm, insbesondere etwa 0,7 mm, vorteilhaft sein kann.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die größte
Ringfläche zwischen der Leitfläche und dem Ventilkolben
etwa gleich groß ist wie der engste Strömungsquerschnitt
vor der Leitfläche.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Ventilkolben
stirnseitig eine konkav gekrümmte Anströmfläche
aufweisen, die insbesondere anströmseitig eine axiale Tangente
und abströmseitig eine radiale Tangente aufweist. Mit einer solchen
Anströmfläche lässt sich der Fluidstrom
bei Öffnen des Ventils vorteilhaft auf die Leitfläche
der Kolbenführung lenken. Hierbei kann es auch vorteilhaft
sein, die Leitfläche und die Prallfläche so auszubilden,
dass das durch das Ventil ausströmende Fluid durch den
Ventilkolben aus axialer Richtung zunächst in radiale Richtung
und anschließend durch die Kolbenführung wieder
in axiale Richtung umgelenkt wird.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen
Feder und Ventilkolben ein Federteller vorgesehen, wobei die Anlageflächen
von Ventilkolben und Federteller die Form einer Kugelkalotte aufweisen.
Bei dieser Ausführungsform ist durch die beiden Anlageflächen
in Form einer Kugelkalotte sichergestellt, dass der Federteller
reibungsarm in eine Endlage gedrückt wird, in welcher der
Federteller u. U. auch eine schiefe Orientierung besitzt.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann auch
die Kolbenführung eine Anlagefläche besitzen,
welche die Form einer Kugelkalotte aufweist und welche der Kugelkalottenform
des Federtellers entspricht. Hierdurch ist für eine definierte
Anlage des Federtellers auch dann gesorgt, wenn der Ventilkolben
sich in seiner vollständig geschlossenen Position befindet.
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Es
kann vorteilhaft sein, wenn jede Kugelkalotte den gleichen Mittelpunkt
aufweist.
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Um
kleinere Federn verwenden zu können, kann es vorteilhaft
sein, wenn der Ventilkolben eine Durchgangsbohrung aufweist, um
einen Ringraum zwischen Ventilkolben und Kolbenführung
mit Fluid zu beaufschlagen.
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Weiterhin
kann es vorteilhaft sein, wenn der Ventilkolben nicht flächig
sondern nur mit einer Umfangskante gegen einen Dichtring gedrückt
ist, da in diesem Fall die Umfangskante bei Öffnen des
Ventils in Zusammenwirken mit der Leitfläche eine definierte Strahlführung
bewirkt, die den Fluidstrahl wie gewünscht in Richtung
der Prallfläche lenkt, ohne diesen aufzufächern
bzw. aufzulösen.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter
Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch ein Druckbegrenzungsventil mit geöffnetem
Ventilkolben;
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2 eine
vergrößerte Teilansicht des Ventils von 1;
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3 einen
Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform
eines Druckbegrenzungsventils mit geschlossenem Ventilkolben;
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4 eine
Teilvergrößerung des Ventils von 3,
jedoch bei sich öffnendem Ventilkolben;
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5 eine
der 2 entsprechende Darstellung mit einer Illustration
der auftretenden Druck- und Geschwindigkeitsverläufe; und
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6 einen
Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform
eines Druckbegrenzungsventils.
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1 zeigt
einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform
eines Druckbegrenzungsventils mit einem Ventilkörper, der
aus zwei miteinander verschraubten Gehäusehälften 10 und 12 zusammengesetzt
ist, wobei die zweite Gehäusehälfte 12 eine
axiale Durchgangsbohrung 14 aufweist, die sich von einem
größeren Durchmesser auf einen kleineren Durchmesser
verringert und durch die das Ventil über einen Teil seiner
Länge axial durchströmbar ist.
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In
einer Kolbenführung 16, die über ein
Gewinde 11 mit der zweiten Gehäusehälfte 12 verschraubt
ist, ist ein von einer Feder 18 mit Kraft beaufschlagter
Ventilkolben 20 angeordnet.
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Der
in 2 vergrößert dargestellte Ventilkolben 20 ist
gegenüber der Kolbenführung 16 über einen
O-Ring 22 abgedichtet, an der Kolbenführung über
einen Sprengring 19 gesichert und weist an seinem in Strömungsrichtung
hinteren Ende einen kreiszylindrischen Zapfen 24 auf, dessen
Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Kolbenführung 16 an
ihrer engsten Stelle entspricht. Nach seinem Zapfen 24 verbreitert
sich der Ventilkolben 20 in Strömungsrichtung
gesehen und bildet dort eine ringförmig umlaufende Prallfläche 26,
die im Wesentlichen radial orientiert ist. Mit der hinteren Umfangskante 28 des
Zapfens 24 liegt der Ventilkolben 20 im geschlossenen
Zustand des Ventils an einem O-Ring 30 an, der zwischen
der zweiten Gehäusehälfte 12 und der Kolbenführung 16 gehalten
ist.
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Weiterhin
zeigen die 1 und 2, dass die
Kolbenführung 16 im Anschluss an den O-Ring 30 eine
quer zur Axialrichtung verlaufende Durchgangsbohrung 32 aufweist,
durch die bei sich öffnendem Ventil Fluid austreten kann,
das den Spalt zwischen dem kreiszylindrischen Zapfen 24 des
Ventilkolbens 20 und der engsten Stelle der Kolbenführung 16 durchströmt
hat.
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Für
eine gezielte Führung des Fluids bei sich öffnendem
Ventil weist die Kolbenführung 16 in Strömungsrichtung
gesehen zwischen dem O-Ring 30 und der Querbohrung 32 eine
Leitfläche 34 auf, die das bei sich öffnendem
Ventil durch die Kolbenführung 16 ausströmende
Fluid in Axialrichtung umlenkt und auf die Prallfläche 26 des
Ventilkolbens 20 richtet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Leitfläche 34 konkav gekrümmt
und weist anströmseitig eine radiale Tangente und abströmseitig
eine axiale Tangente auf.
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Wie
die 1 und 2 ferner verdeutlichen, ist
zwischen der Feder 18 und dem Ventilkolben 20 ein
Federteller 36 vorgesehen, wobei die Anlagenflächen
von Ventilkolben 20 und Federteller 36 jeweils
die Form einer Kugelkalotte mit gleichem Mittelpunkt aufweisen.
Weiterhin weist auch die Kolbenführung 16 eine
Anlagefläche 38 auf, welche an eine entsprechende
Anlagefläche 39 des Federtellers 36 angepasst
ist.
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Die 3 und 4 zeigen
eine weitere Ausführungsform eines Druckbegrenzungsventils, wobei
für gleiche Teile bzw. Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet
sind und auf die nochmalige Beschreibung diese Teile verzichtet
wird.
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Bei
der Kolbenführung 16 dieses Ausführungsbeispiels
ist ein Teil der Kolbenführung als ringförmiger
Einsatz 17 ausgebildet, wobei der Einsatz 17 mit
der ringförmigen Leitfläche 34 versehen
ist, die wiederum im Querschnitt konkav gekrümmt ausgebildet
ist. Der Einsatz 17 ist bei diesem Ausführungsbeispiel
in die Kolbenführung 16 eingesetzt und wird von der
zweiten Gehäusehälfte 12 gehalten.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist ferner der Ventilkolben 20 an
seinem in Strömungsrichtung hinteren Ende mit einer konkav
gekrümmten Anströmfläche 29 versehen,
die anströmseitig eine axiale Tangente und abströmseitig
eine radiale Tangente aufweist. Hierdurch wird das Fluid bei sich öffnendem
Ventil aus der axialen Richtung der Bohrung 14 zunächst
radial umgelenkt, trifft dann auf die Leitfläche 34 auf
und wird durch diese aus der radialen Richtung wiederum in axiale
Richtung umgelenkt, und trifft anschließend auf die Prallfläche 26 des
Ventilkolbens 20 auf, um diesen zusätzlich mit
Kraft zu beaufschlagen.
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Der
Ventilkolben 20 weist bei diesem Ausführungsbeispiel
ferner eine Durchgangsbohrung 40 auf, durch die ein Ringraum 42 zwischen
dem Ventilkolben 20 und der Kolbenführung 16 mit
Druck beaufschlagbar ist. Weiterhin weist bei dieser Ausführungsform
der Federteller 36 eine Anlagefläche 46 auf,
die an dem vorderen, als Zapfen ausgebildeten Ende des Ventilkolbens 20 anliegt
und die die Form einer Kugelkalotte besitzt. Ebenso besitzt der
Ventilkolben 20 in diesem Bereich eine korrespondierende Anlagefläche 44 in
Form einer Kugelkalotte mit gleichem Mittelpunkt. Schließlich
weist die Kolbenführung 16 im Bereich des Federtellers
eine weitere Anlagefläche 48 auf, die ebenfalls
die Form einer Kugelkalotte mit gleichem Mittelpunkt besitzt.
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Die
Bezugszeichen 50 bezeichnen einen Spritzschutz aus elastischem
Material, der über die das Gehäuse durchdringenden
Austrittsbohrungen 54 geschoben ist, durch die das Fluid
aus dem Ventilkörper austreten kann.
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5 verdeutlicht
die bei der Ausführungsform nach 2 vorhandenen
Strömungsverhältnisse. Wie zu erkennen ist, steigt
die Strömungsgeschwindigkeit zunächst an, wenn
sich die Innenbohrung 16 der zweiten Gehäusehälfte 12 auf
den geringeren Durchmesser verringert, wobei gleichzeitig der Druck
entsprechend abfällt. Bei sich öffnendem Ventil fällt
der Druck im Bereich der Leitfläche 34 stark ab, da
die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund des sich verringernden
Strömungsquerschnitts zwischen Zapfen 24 und Leitfläche 34 stark
ansteigt.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Druckbegrenzungsventils,
wobei hier Bauteile, die gleich zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen
sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und nicht näher
beschrieben werden.
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Das
in 6 dargestellte Ventil ist als zweistufig schaltendes
Druckbegrenzungsventil ausgebildet und weist zwischen dem ersten
Gehäuseteil 10 und dem zweiten Gehäuseteil 12 einen
dritten Gehäuseteil 62 auf, in dem ein Kolbenschieber 64 angeordnet
ist, der gegen die Kraft einer weiteren Feder 66 verschiebbar
ist und der gegen einen O-Ring 68 gedrückt ist,
der zwischen dem zweiten Gehäuseteil 12 und dem
dritten Gehäuseteil 62 gehalten ist. Der Kolbenschieber
weist eine zentrale Bohrung 70 auf, die mit einer Drosselstelle 72 versehen
ist. Die Bezugszeichen 74 und 76 bezeichnen jeweils
einen Dichtring. Mit dem Bezugszeichen 78 ist ein Dämpfungsvolumen
bezeichnet, das mit einem Dämpfungsspalt 80 zusammenwirkt.
Mit dem Bezugszeichen 34 ist eine Dämpfungsbüchse
bezeichnet, die mit dem Kolbenschieber 64 zusammenwirkt.
Das Bezugszeichen 82 bezeichnet einen Haltering. Mit dem Bezugszeichen 84 ist
wiederum ein Spritzschutz bezeichnet.
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Bei
dem in 6 dargestellten Ventil ist der Bereich des Ventilkolbens 20 in
gleicher Weise wie bei den vorstehend ausgebildeten Druckbegrenzungsventilen
ausgebildet. Für den Kolbenschieber 64 bildet
das Gehäuseteil 62 die Kolbenführung
und weist in Strömungsrichtung gesehen im Anschluss an
den Dichtring 68 wiederum eine Leitfläche 86 auf, die
konkav gekrümmt ist und die mit einer radial orientierten
Prallfläche 88 des Kolbenschiebers 64 zusammenwirkt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist somit der Erfindungsgedanke
zweimal verwirklicht.
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Wenn
bei dem in 6 dargestellten Druckbegrenzungsventil
der anstehende Druck einen Maximalwert erreicht hat, öffnet
zunächst der Ventilkolben 20 etwas, so dass im
Inneren des Kolbenschiebers 64 der Druck abfällt
und über der Blende 72 eine Druckdifferenz entsteht,
so dass sich anschließend der Kolbenschieber 64 in
Strömungsrichtung bewegt und Druckfluid in den Bereich
der Leitfläche 86 freigibt. Von dieser Leitfläche 86 wird
das Druckfluid so gelenkt, dass es auf die Prallfläche 88 des
Kolbenschiebers 64 auftrifft und diesen in Strömungsrichtung
bewegt, um eine große Öffnungsweite zu erzielen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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