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Die
Erfindung betrifft ein selbsttätiges Ventil für
eine Leitung für ein gasförmiges Medium nach dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1. Solche Ventile sind allgemein
bekannt. Sie schalten aufgrund einer Druckdifferenz zwischen einer
Eingangs- und einer Ausgangsseite des Ventils selbsttätig
zwischen einem Öffnungs- und einem Schließzustand
um, ohne dass hierzu eine aktive Stellmechanik benötigt wird.
Solche Ventile finden insbesondere als Rückschlagventile
und dergleichen in Leitungen für gasförmige Medien
Anwendung.
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Die
EP 1640585 A1 offenbart
ein Verfahren zur mehrstufigen Aufladung in Verbrennungskraftmaschinen,
bei welchem ein derartiges selbsttätiges Ventil zum Öffnen
und Schließen einer Verdichterbypassleitung verwendet wird.
Das offenbarte Ventil umfasst dabei ein Ventilgehäuse mit
einem darin aufgenommenen Verdrängerkörper, welcher
in zwei Verdrängerteile geteilt ist. Das erste Verdrängerteil
ist dabei zur Anströmseite des Ventils hin gerichtet und verschließt
im Verschlusszustand des Ventils die Anströmseite. Über
eine Feder wird eine Rückstellkraft erzeugt, welche das
erste Verdrängerteil bei niedrigen Drücken auf
der Anströmseite im Verschlusszustand festhält.
Mit zunehmendem Druck auf der Anströmseite steigt die Druckdifferenz über
das Ventil hinweg, wobei das erste Verdrängerteil aus dem Schließsitz
bewegt wird, sobald die Druckkraft auf das erste Verdrängerteil
größer wird als die Federkraft der Rückstellfeder.
Das Ventil öffnet sich dann, wobei ein Strömungskanal
freigegeben wird, über welchen Luft das Ventil durchströmen
kann.
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Damit
bei derartigen Ventilen der Öffnungszustand erhalten bleibt
muss also eine Druckdifferenz über das Ventil hinweg bestehen
bleiben. Dies führt nachteilig zu hohen Druckverlusten
an solchen Ventilen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Ventil
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiter zu bilden, dass
sein Öffnungszustand bei geringeren Druckdifferenzen aufrechterhalten
wird bzw. dass geringere Druckverluste beim Durchströmen
des Ventils auftreten.
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Diese
Aufgabe wird durch ein selbsttätiges Ventil mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ein
solches Ventil für eine Leitung für ein gasförmiges
Medium umfasst ein Ventilgehäuse und einen in diesem aufgenommenen,
einen Hohlraum umschließenden Verdrängerkörper.
Der Verdrängerkörper ist in ein erstes und ein
zweites Verdrängerteil geteilt, wobei das erste Verdrängerteil
relativ zum zweiten Verdrängerteil zwischen einer Verschlussposition,
in welcher das erste Verdrängerteil das Ventilgehäuse
verschließt, und einer Öffnungsposition, in welcher
das erste Verdrängerteil einen Strömungskanal
durch das Ventilgehäuse freigibt, bewegbar ist. Ein vorgesehenes
Rückstellelement übt dabei eine Rückstellkraft
auf das erste Verdrängerteil aus, so dass dieses bei niedrigen
Druckdifferenzen in der Verschlussstellung gehalten wird.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass der Hohlraum des Verdrängerkörpers
in der Öffnungsposition über wenigstens eine Durchgangsöffnung
mit dem Strömungskanal durch das Ventilgehäuse
in Verbindung steht. Durch die Strömungsgeschwindigkeit
des gasförmigen Mediums im Strömungskanal herrscht
dort ein besonders niedriger statischer Druck. Dieser niedrige statische
Druck wird durch die Durchgangsöffnung auch im Hohlraum
des Verdrängerkörpers erzeugt. Die der Federkraft
des Rückstellelementes entgegen wirkende Kraft, die nötig
ist, um das Ventil in seiner Öffnungsposition zu halten,
muss somit nicht mehr der Druckdifferenz über das gesamte
Ventil hinweg entsprechen, sondern lediglich der Druckdifferenz
zwischen einer Anströmseite des Ventils und dem statischen
Druck im Strömungskanal. Dadurch werden vorteilhafterweise
die Druckverluste beim Durchströmen des Ventils reduziert.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Durchgangsöffnung
so angeordnet, dass sie in der Öffnungsposition des Ventils
im Bereich eines geringsten Strömungsquerschnittes des Strömungskanals
in diesen mündet. Aufgrund des Venturi-Effektes ist am
Punkt des geringstens Strömungsquerschnittes des Strömungskanals
bekanntlich die Strömungsgeschwindigkeit des durchströmenden
Mediums am höchsten. Aus dem Bernoullischen Gesetz folgt
somit, dass an diesem Punkt auch der statische Druck des durchströmenden
Mediums am niedrigsten ist. Durch eine derartige Anordnung der Durchgangsöffnung
kann somit der Druck im Hohlraum des Verdrängerkörpers
am weitesten abgesenkt werden. Die zum Halten des Öffnungszustandes
nötige Druckdifferenz über das Ventil hinweg ist
bei dieser Anordnung somit am niedrigsten. Damit werden vorteilhafter
Weise auch möglichst geringe Druckabfälle über
das Ventil hinweg ermöglicht.
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Die
Erstreckungsrichtung der Durchgangsöffnung verläuft
bevorzugter Weise im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung
des gasförmigen Mediums im Strömungskanal. Dadurch
wird vorteilhaft gewährleistet, dass im Hohlraum des Verdrängerkörpers
lediglich der statische Druck des Mediums wirkt, da bei einer derartigen
senkrechten Anordnung der Durchgangsöffnung zur Strömungsrichtung
im Wesentlichen keine Geschwindigkeitskomponenten der Strömung
wirksam werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erweitert
sich im Öffnungszustand der Strömungsquerschnitt
des Strömungskanals in Strömungsrichtung hinter
einem Mündungsbereich der Durchgangsbohrung. Durch eine
solche diffusorartige Erweiterung des Strömungskanals sinkt
also hinter dem Mündungsbereich der Durchgangsbohrung die
Strömungsgeschwindigkeit des durchströmenden Mediums
wieder ab, wodurch wiederum Verluste aufgrund der inneren Reibung
des durchströmenden Mediums verringert werden.
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Bevorzugter
Weise umfasst das erste Verdrängerteil ein Dichtungselement,
welches in der Verschlussposition des ersten Verdrängerteils
in Anlage an eine Innenwandung des Ventilgehäuses kommt.
Damit wird ein besonders sicherer Verschluss des Ventils in der
Verschlussposition des ersten Verdrängerteils gewährleistet.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das
erste Verdrängerteil zudem einen Hülsenbereich,
welcher das zweite Verdrängerteil zumindest bereichsweise
umschließt. Damit wird sichergestellt, dass der von den
beiden Verdrängerteilen umschlossene Hohlraum in allen
Relativpositionen der beiden Verdrägerteile zueinander
im Wesentlichen dicht gegenüber den Strömungskanälen des
Ventilgehäuses abgeschlossen bleibt, so dass die gewünschte
Druckdifferenz zwischen Anströmseite des Ventils und Hohlraum
des Verdrängerkörpers aufrechterhalten werden
kann.
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Das
Rückstellelement ist in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in Form einer Spiralfeder ausgebildet. Über
die Federkonstante einer solchen Feder kann auf einfachste Weise
die benötigte Kraft und damit de benötigte Druckdifferenz über
das Ventil hinweg eingestellt werden, welche zum öffnen
des Ventils nötig ist. Spiralfedern sind zudem relativ
verschleißarm, so dass ein derart ausgebildetes Ventil über
eine Vielzahl von Schaltvorgängen hinweg betriebssicher
arbeiten kann.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite
Verdrängerteil relativ zum Ventilgehäuse unbeweglich
ist. Damit wird eine möglichst einfache Öffnungs-
und Schließkinematik des ersten Verdrängerteils
ermöglicht.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Verdrängerkörper
spiegelsymmetrisch mit wenigstens einer Spiegelebene ausgebildet.
Eine solche symmetrische Ausbildung ermöglicht eine gleichmäßige
Strömung um den Verdrängerkörper herum,
wodurch eine möglichst hohe Laminarität der Strömung
in Verbindung mit geringen Druckverlusten, insbesondere aufgrund
der inneren Reibung des strömenden Mediums, ermöglicht
wird.
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Im
Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen
anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch ein selbsttätiges
Ventil nach dem Stand der Technik,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen selbsttätigen
Ventils.
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1 zeigt
ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes, dem Stand der Technik
entsprechendes selbsttätiges Ventil. Dieses umfasst ein
Ventilgehäuse 12, welches aus zwei Gehäuseteilen 14 und 16 zusammengesetzt
ist. Das Ventilgehäuse 12 besitzt eine Anströmöffnung 18 und
eine Ausströmöffnung 20. Im Inneren des
Ventilgehäuses ist ein Verdrängerkörper 22 angeordnet.
Dieser ist selbst wiederum zweiteilig ausgebildet und umfasst ein
erstes Verdrängerteil 24 und ein zweites Verdrängerteil 26.
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Das
zweite Verdrängerteil 26 ist starr mit dem Ventilgehäuse 12 verbunden.
Das erste Verdrängerteil 24 ist dagegen relativ
zum zweiten Verdrängerteil 26 und damit auch zum
Ventilgehäuse 12 beweglich. Hierzu ist eine Schiebehülse 28 starr
mit dem ersten Verdrängerteil 24 verbunden und
beweglich in einer Bohrung 30 des zweiten Verdrängerteils 26 aufgenommen.
Zwischen den Verdrängerteilen 24 und 26 ist
ein Hohlraum 32 ausgebildet, welcher hier mit den Durchströmkanälen 34 und 36 weitestgehend
in Verbindung steht. Im Hohlraum 32 ist eine Spiralfeder 38 angeordnet,
welche die Verdrängerteile 24 und 26 verbindet
und eine Rückstellkraft auf das erste Verdrängerteil 24 ausübt
und es so bei keinen oder nur geringen Druckdifferenzen zwischen
Anströmöffnung 18 und Ausströmöffnung 20 des
Ventils 10 in der gezeigten Verschlussposition hält.
Ein Dichtungselement 40 ist in der gezeigten Verschlussposition
an eine Innenwandung 42 des Ventilgehäuses 12 angepresst
und verschließt somit die Durchströmkanäle 34 und 36 dicht
gegen die Anströmöffnung 18. Erhöht
sich die Druckdifferenz zwischen Anströmöffnung 18 und
Ausströmöffnung 20, so steigt die auf das
erste Verdrängerteil 24 wirkende Druckkraft. Überschreitet
diese Druckkraft die Rückstellkraft der Feder 38,
so bewegt sich das erste Verdrängerteil 24 in
Richtung des Pfeiles 44. Hierdurch löst sich das Dichtungselement 40 von
der Innenwandung 42 des Ventilgehäuses 12 und
die Durchströmkanäle 34 und 36 geraten
in Verbindung mit der Anströmöffnung 18. Das
Ventil ist somit in seiner Öffnungsposition und kann von
einem Medium durchströmt werden. Da zum Halten der Öffnungsposition
des Ventils eine Druckdifferenz zwischen Anströmöffnung 18 und Ausströmöffnung 20 bestehen
muss, weist ein solches Ventil einen relativ hohen Druckverlust
des durchströmenden Mediums auf. Dies ist nicht wünschenswert.
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Derartige
Druckverluste treten in der in 2 gezeigten
erfindungsgemäßen Ausführungsform, die im
Ganzen mit 10' bezeichnet ist, nicht auf. Funktionsgleiche
Bauteile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 gekennzeichnet.
Das in 2 dargestellte selbststellende Ventil 10' weist den
im Wesentlichen gleichen Grundaufbau wie das Ausführungsbeispiel
aus dem Stand der Technik auf. Wiederum ist ein Ventilgehäuse 12 aus
zwei Gehäuseteilen 14 und 16 aufgebaut.
Im Innenraum des Ventilgehäuses 12 ist wiederum
ein Verdrängerkörper 22 angeordnet, welcher
aus einem ersten 24 und einem zweiten Verdrängerteil 26 besteht.
Auch hier ist das erste Verdrängerteil 24 gegenüber
dem zweiten Verdrängerteil 26 beweglich, wobei
die Realtivbewegung wiederum durch eine Schiebehülse 28,
welcher in einer Bohrung 30 des zweiten Verdrängerteils 26 verläuft
realisiert wird. Eine Rückstellfeder 38 übt wiederum
eine Rückstellkraft auf das erste Verdrängerteil 24 aus,
um es bei geringen oder nicht vorhandenen Druckdifferenzen zwischen
Anströmöffnung 18 und Ausströmöffnung 20 in
der Verschlussstellung zu halten.
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Im
Gegensatz zu dem in 1 gezeigten, dem Stand der Technik
entsprechenden Ausführungsbeispiel umfasst das erste Verdrängerteil 24 hier
einen Hülsenbereich 48, welcher über
das zweite Verdrängerteil 26 gleiten kann und
den von den Verdrängerteilen 24 und 26 umschlossenen
Hohlraum 32 in über den Durchströmkanälen 36 und 38 weitestgehend
abschließt. Im ersten Verdrängerteil 24 sind zusätzliche
Durchgangsöffnungen 50, 52 angeordnet,
welche den Innenraum 32 des Verdrängerkörpers 22 mit
den im gezeigten Öffnungszustand des Ventils 10' freigegebenen
Strömungskanälen 53 und 54 verbinden.
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In
den Strömungskanälen 52 und 54 weist das
Ventil 10' den geringsten Strömungsquerschnitt für
durchströmende Medien auf. Aufgrund des Bernoullischen
Gesetzes ist hier also der statische Druck des durchströmenden
Mediums am Geringsten. Die Durchgangsöffnungen 50 und 52 stehen
im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des durchströmenden
Mediums, so dass der Hohlraum 32 keine Strömungskomponenten
des Drucks erfährt und lediglich mit dem statischen Druck
beaufschlagt wird.
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Um
den Öffnungszustand des Ventils 10' zu halten
muss nunmehr nicht die Druckdifferenz zwischen Anströmöffnung 18 und
Ausströmöffnung 20 eine Druckkraft erzeugen,
welche die Federkraft der Rückstellfeder 38 überwindet,
sondern vielmehr die Druckdifferenz zwischen der Anströmöffnung 18 und dem
Hohlraum 32 des Verdrängerkörpers 22.
Die notwendige Druckdifferenz wird somit im Wesentlichen vom statischen
Druck des durchströmenden Mediums in den Strömungskanälen 52 und 54 bestimmt.
Damit werden die zum Offenhalten des Ventils 10' notwendigen
Druckverluste weitestgehend minimiert.
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Eine
weitere Verringerung der Druckverluste entsteht durch die Erweiterung
der Durchströmkanäle 53 und 54 in
die Strömungskanäle 36 und 38. Durch
diese diffusorartige Erweiterung wird die Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums nach dem Gesetz von Venturi abgesenkt, so dass die Druckverluste
aufgrund der inneren Reibung des durchströmenden Mediums
reduziert werden. Die gezeigte Auslegung eines Ventils 10' ermöglicht
somit den Gastransport durch ein selbsttätiges Ventil mit
wesentlich geringeren Druckverlusten als bisher.
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Sinkt
nun beispielsweise der Gasmassenstrom auf die Anströmöffnung 18,
so steigt der statische Druck in den Strömungskanälen 53 und 54 und damit
der Druck im Hohlraum 32 des Verdrängerkörpers 22.
Dadurch nimmt die Druckkraft auf das erste Verdrängerteil 24 ab,
so dass dieses bei einer hinreichend niedrigen Druckdifferenz der
Rückstellfeder 38 in Richtung der Anströmöffnung 18 bewegt
wird, bis schließlich die Dichtungselemente 40 an
die Innenwandung 42 des Ventilgehäuses 12 in
Anlage kommen, so dass das Ventil wieder in seinen Verschlusszustand übergeht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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