DE102010061094A1 - Ventilkörper - Google Patents

Abstract

Der Strömungswiderstand eines Rückschlagventils wird durch Stabilisatoren 20 zur Reduzierung von Taumelbewegungen des Ventilkörpers 1 verringert.

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft einen Ventilkörper für ein Rückschlagventil einer Schwingkolbenpumpe. Solche Ventilkörper haben eine Dichtfläche die im Zusammenwirken mit einem Ventilsitz eine Ventilöffnung abdichten kann.
• Stand der Technik
• Eine Schwingkolbenpumpe weist zumindest ein Ventilgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass für ein zu pumpendes Fluid auf. Dazwischen ist ein meist gegen die Kraft einer Feder verschiebbaren Schwingkolben mit einem Durchlass für das Fluid angeordnet. Der Schwingkolben kann z. B. durch eine Spule zu einer meist longitudinalen Schwingung angeregt werden, d. h. er bewegt sich dann alterierend in dem Ventilgehäuse vor und zurück. Zudem weist eine Schwingkolbenpumpe mindestens zwei in Reihe angeordnete Rückschlagventile auf. Bevorzugt ist mindestens eines der Rückschlagventile in dem Schwingkolben angeordnet, so dass der Durchlass nur in einer Richtung durchlässig ist. Mindestens ein weiteres Rückschlagventil ist in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Schwingkolben angeordnet, z. B. am Einlass oder am Auslass. Ein typischer Vertreter einer solchen Schwingkolbenpumpe ist z. B. in WO-A1-03/027454 beschrieben.
• Die Rückschlagventile weisen je eine Ventilöffnung auf, an die sich ein Ventilsitz anschließt. Die Ventilöffnung kann durch einen Ventilkörper, der manchmal auch als Dichtkörper oder Dichtelement bezeichnet wird, verschlossen werden. Dazu wird eine Dichtfläche des Ventilkörpers gegen den Ventilsitz gedrückt. Meist ist der Ventilkörper im Längsschnitt pilzförmig und gegen den Ventilsitz vorgespannt. Der stielförmige Abschnitt greift dann meist in eine Feder ein und die Oberseite der „Kappe” verschließt bei geschlossenem Ventil die Ventilöffnung. Alternativ sind auch kugelförmige Ventilkörper bekannt.
• Rückschlagventile sind meist in einer Ausnehmung der entsprechenden Bauteile, z. B. des Schwingkolbens angeordnet. Die Ausnehmung wird auch als Ventilkammer bezeichnet.
• Die Spule wird typischerweise mit 50–60 Hz angeregt, so dass der Schwingkolben mit der gleichen Frequenz schwingt. Entsprechend Öffnen und Schließen die Rückschlagventile auch mit dieser Frequenz. Der Querschnitt der beim Öffnen der Ventile freigegebene Ventilöffnung darf nicht kleiner als die Nennweite der Schwingkolbenpumpe sein.
• Darstellung der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass Schwingkolbenpumpen trotz ausreichend dimensionierter Nennweite der Rückschlagventile nicht die gewünschte Förderleistung erbringen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei gleicher Leistungsaufnahme die Förderleistung einer Schwingkolbenpumpe zu erhöhen.
• Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung basiert auf der Beobachtung, dass die Ventilkörper der bekannten Rückschlagventile bei geöffnetem Rückschlagventil im Fluidstrom taumeln, d. h. nicht nur parallel zur Längsachse des Ventilkörpers schwingen, sondern auch Schwingungen mit Querkomponenten zur Längsachse auftreten. Durch diese Schwingungen mit Querkomponenten wird der Strömungswiderstand des Ventils erhöht, entsprechend sinkt die Förderleistung. Zudem trifft due Dichtfläche nicht zentriert auf den Ventilsitz auf, so dass die Ventilöffnung nicht vollständig geschlossen wird. Durch eine geänderte Bemessung der Ventilkörper lässt sich diese Taumelneigung nicht befriedigend verhindern: Zwar läßt sich eine geringere Taumelneigung durch eine Vergrößerung des Querschnitts des Ventilkörpers erreichen, jedoch wird dadurch die Nennweite der Schwingkolbenpumpe reduziert, d. h. der Strömungswiderstand ebenso erhöht. Deshalb hat der Ventilkörper nach der Erfindung neben der üblichen Dichtfläche zum Verschließen einer Ventilöffnung mindestens zwei Stabilisatoren zur Reduzierung von Taumelbewegungen. Insbesondere können die Stabilisatoren z. B. stummelartige, seitlich an dem Ventilkörper angebrachte Vorsprünge sein.
• Zwar erhöhen die Stabilisatoren den Strömungswiderstand, jedoch lässt sich wegen der Stabilisatoren die Querschnittsfläche des Ventilkörpers im Übrigen auf ein Minimum reduzieren. Bei einem kreisförmigen Ventilsitz und entsprechend ringförmiger Auflage der Dichtfläche auf dem Ventilsitz kann der Querschnitt nur gerade so groß gewählt werden, dass ein Verklemmen des Ventilkörpers im Ventilsitz ausgeschlossen ist. Dadurch kann der Strömungswiderstand auf ein Minimum reduziert werden.
• Eine besonders gute Reduzierung der Taumelneigung bei geringem Strömungswiderstand haben Ventilkörper mit drei Stabilisatoren.
• Bevorzugt hat der Ventilkörper zwischen den mindestens zwei Stabilisatoren mindestens eine Ausnehmung, wodurch im eingebauten Zustand des Ventilkörpers die Nennweite des Rückschlagventils, d. h. der lichte Querschnitt des Rückschlagventils im Bereich der Stabilisatoren vergrößert wird.
• Bevorzugt ist der Ventilkörper an seinem der Dichtfläche abgewandten Ende verjüngt. Das verjüngte Ende kann in eine Feder eingreifen, wodurch die Taumelneigung weiter reduziert wird.
• Ebenso kann das vorzugsweise verjüngte Ende eine Ausnehmung aufweisen, in die bei montiertem Rückschlagventil eine Feder eingesteckt wird.
• Bevorzugt ist mindestens einer der Stabilisatoren flossenförmig, dadurch wird der Strömungswiderstand der Stabilisatoren reduziert. Zudem wird durch die Umströmung der entsprechend geformten Stabilisatoren die Taumelneigung reduziert.
• Der Ventilkörper lässt sich besonders einfach in eine Ventilkammer eines Rückschlagventils einsetzen, wenn die Stabilisatoren symmetrisch angeordnet sind. Zudem sind dann die beim Betrieb des Ventils auf die Stabilisatoren wirkenden Kräfte zumindest in etwa gleich auf diese aufgeteilt, was die Lebensdauer des Rückschlagventils erhöht.
• Ein Rückschlagventil hat vorzugsweise eine Ventilkammer mit einem Einlass und einem dazu meist axial versetzt angeordnetem Auslass. Meist ist im Bereich des Einlasses die Ventilöffnung mit einem sogenannten Ventilsitz. In der Ventilkammer ist zwischen dem Ventilsitz und dem Auslass ein Ventilkörper mit einer Dichtfläche angeordnet. Die Dichtfläche weist in Richtung des Ventilsitzes. Der Ventilkörper ist in der Ventilkammer verschiebbar und gegen den Ventilsitz vorgespannt, z. B. federbelastet. Wirkt ein Druck von der Einlassseite durch die Ventilöffnung gegen den Ventilkörper, der ausreicht um die Feder zu stauchen, dann wird der Ventilkörper entlang seiner Längsachse von dem Ventilsitz in Richtung des Auslasses verschoben, wodurch die Ventilöffnung freigegeben wird.
• Der Abstand der Stabilisatoren von der Innenwand der Ventilkammer ist vorzugsweise derart bemessen ist, dass eine Bewegung des Ventilkörpers quer zu seiner Längsachse zumindest reduziert wird.
• Besonders bevorzugt sind die Stabilisatoren so bemessen, dass sie bei einer Verschiebung des Ventilkörpers entlang seiner Längsachse in der Ventilkammer an der Innenwand der Ventilkammer gleiten. Dadurch wird der Ventilkörper durch die Innenwand der Ventilkammer geführt und eine Taumelbewegung unterbunden. Zwischen den Stabilisatoren, der Innenwand und der Dichtfläche sind bevorzugt möglichst groß bemessene Ausnehmungen, so dass der lichte Querschnitt groß und damit der Strömungswiderstand klein ist.
• Eine besonders gute Führung des Ventilkörpers wird erreicht, wenn die Ventilkammer mindestens eine Führungsnut aufweist, in die mindestens einer der Stabilisatoren eingreift. Bevorzugt gleiten alle Stabilisatoren an der Innenwand der Ventilkammer in Führungsnuten.
• Der vorbeschriebene Ventilkörper bzw. das Rückschlagventil eignet sich besonders zur Verwendung in Schwingkolbenpumpen, wie sie beispielsweise in Getränkeautomaten oder bei der Dosierung von Treibstoffzusätzen für Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden.
• Die Hauptbewegungsrichtung eines Ventilkörpers entspricht seiner Längsachse
• Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
• 1: einen Ventilkörper,
• 2: einen Längsschnitt eines Ventilkörpers,
• 3: eine Aufsicht auf einen Ventilkörper,
• 4: einen Ventilkörpers,
• 5: eine Seitenansicht eines Ventilkörpers,
• 6: einen Längsschnitt eines Ventilkörpers,
• 7: einen Querschnitt eines Ventilkörpers,
• 8: einen Ventilkörper,
• 9: den Ventilkörper aus 8 von unten,
• 10: den Ventilkörper aus 8 im Längsschnitt,
• 11: einen Ventilkörper nach dem Stand der Technik
• Der Ventilkörper 1 in 1 für ein Rückschlagventil (nicht dargestellt) kann in die Ventilkammer eines üblichen Rückschlagventils eingesetzt werden (vgl. 11), und einen Ventilkörper 100 nach dem Stand der Technik ersetzen. Der Ventilkörper 1 hat einen zylindrischen Körper 15, der in eine Feder (nicht dargestellt) des Rückschlagventils eingesetzt wird. Auf dem Körper 15 sitzt ein Aufsatz, dessen Grundfläche den Körper 15 seitlich überragt, so dass ein umlaufender Rand 12 gebildet wird. Der Rand 12 dient als Widerlager für die Feder. Der Aufsatz ist kappenförmig, d. h. er ist entgegen der Strömungsrichtung, die durch den Pfeil 80 angedeutet ist, verjüngt. Die Oberseite 10, d. h. die entgegen der Strömungsrichtung 80 weisende Seite des Ventilkörpers 1 ist die Dichtfläche 10, die im Zusammenwirken mit einem nicht gezeigten Ventilsitz eine Ventilöffnung (nicht dargestellt) abdichtet. Der Ventilkörper 1 hat hier beispielhaft vier symmetrisch zur Längsachse 90 des Ventilkörpers angeordnete seitwärts weisende Stabilisatoren 20, von denen einer von dem Aufsatz verdeckt ist. Die Stabilisatoren sind so bemessen, dass vom Ventilkörper 1 wegweisenden Enden 22 an der Innenwand einer Ventilkammer (nicht dargestellt) gleiten, wenn der Ventilkörper 1 zum Öffnen oder Schließen des Rückschlagventils bewegt wird. Die entgegen der Strömungsrichtung weisende Seite der Stabilisatoren 20 ist abgerundet, um den Strömungswiderstand der Stabilisatoren 20 zu reduzieren. Bevorzugt wäre auch die in Strömungsrichtung 80 weisende Unterseite der Stabilisatoren strömungsgünstig geformt, d. h. in Strömungsrichtung 80 verjüngt.
• 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Ventilkörper 1 mit einem ähnlichen Aufbau wie in 1 gezeigt. Deshalb werden für gleiche oder ähnliche Details die gleichen Bezugszeichen verwendet. Deutlich zu erkennen sind die seitlich über die Dichtfläche bzw. deren Umriss hinausstehenden Stabilisatoren 20. Nach dem gleichen Prinzip wie der Ventilkörper in 1 und 2 funktioniert auch der Ventilkörper 1 in 3, der in Aufsicht auf die Dichtfläche 10 gezeigt wird. Anders als die zuvor gezeigten Ventilkörper 1 hat dieser Ventilkörper 1 zwei Stabilisatoren 20. Die gestrichelte Linie 24 deutet den Bereich der Dichtfläche 10 an, auf dem der Ventilsitz (nicht dargestellt) bevorzugt aufliegt. Der über die Linie 24 hinausstehende Teil 26 der Dichtfläche genügt, um selbst bei einer unerwünschten Verkippung des Ventilkörpers 1 sicherzustellen, dass er den Ventilsitz sicher abdichtet. Wegen der Stabilisatoren 20 kann dieser Teil 26 vergleichweise klein gewählt werden, wodurch der Strömungswiderstand des Rückschlagventils besonders gering ausfällt. Für den Radius r₁ der kreisförmigen Linie 24 gilt bevorzugt r₁ ≥ 0,75 r₂, besonders bevorzugt r₁ ≥ 0,85 r₂ und ganz besonders bevorzugt r₁ ≥ 0,9 r₂. Zudem sollte r₂ ≥ 0,98 r₁ gelten, wobei r₁ den Radius des Bereiches des Ventilsitzes bezeichnet der auf der Dichtfläche anliegt und r₂ den Radius des Umrisses der Dichtfläche bezeichnet, wobei die Stabilisatoren 20 nicht berücksichtigt sind.
• 4 zeigt eine Ansicht eines Ventilkörpers 1 dessen Grundaufbau dem des Ventilkörpers 1 aus 1 entspricht. Er unterscheidet sich wie der Ventilkörper 1 in 3 von dem Ventilkörper 1 in 1 lediglich durch die Anzahl der Stabilisatoren. Die Figurenbeschreibungen zu 1 und 3 gelten daher analog auch für 4, gleiches gilt für die Seitenansicht des Ventilkörpers in 5.
• 5 zeigt einen Längsschnitt eines weiteren Ventilkörpers 1. Anders als die zuvor beschriebenen Ventilkörper 1 hat dieser Ventilkörper 1 keinen zylindrischen Körper 15, sondern an seiner in Strömungsrichtung 80 weisenden (unter) Seite eine Ausnehmung 30, in die eine Feder eines Rückschlagventils eingesetzt werden kann. Die Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Masse des Ventilkörpers 1 deutlich reduziert ist, d. h. es wird dem Fluid weniger Energie entzogen und den Ventilkörper 1 zu beschleunigen. Hinsichtlich der Ausgestaltung der Stabilisatoren und der Dichtfläche entspricht der Ventilkörper 1 in 6 den zuvor beschriebenen. Natürlich kann die Anordnung, Form und Anzahl n (n ≥ 0) der Stabilisatoren beliebig angepasst werden.
• Der Ventilkörper 1 in 7 entspricht im Wesentlichen den Ventilkörpern in den 1 bis 4, lediglich die Anzahl der Stabilisatoren 20 beträgt in diesem Beispiel 3. Natürlich kann diese Anzahl an Stabilisatoren auch bei der in 5 gezeigten Ausführungsform realisiert werden.
• Der Ventilkörper 1 in den 8 bis 10 hat einen zylindrischen Körper 15 der in eine Feder eingesetzt werden kann. Auf dem Körper 15 sitzt ein Aufsatz mit einer Dichtfläche 10. Die Grundfläche 13 des Aufsatzes ist annähernd quadratisch und steht über den zylindrischen Körper 15 hervor, so dass sich ein Rand 12 ergibt, der als Widerlager für die Feder dient. Von der Grundfläche aus erweitert sich der Querschnitt des Aufsatzes zunächst, so dass an den Ecken Stabilisatoren 20 ausgebildet sind. Zwischen den Stabilisatoren 20 erweitert sich der Querschnitt geringer, so dass zwischen den Stabilisatoren 20 Ausnehmungen 26 entstehen, durch die ein Fluid zwischen der Innenwand einer Ventilkammer und dem Ventilkörper 1 strömen kann. Oberhalb der Ausnehmungen 26 und der Stabilisatoren 20 verjüngt sich der Ventilkörper 1 kuppelartig. Die Oberseite des Ventilkörpers 1 ist die Dichtfläche 10, die übergangslos in die Stabilisatoren 20 übergeht.
• 11 zeigt einen Ventilkörper 100 nach dem Stand der Technik in einer angedeuteten Ventilkammer 200. Die Ventilkammer hat eine Ventilöffnung 210 die sich Stromabwärts erweitert. Der entsprechende Abschnitt der Innenwandung der Ventilkammer hat die Funktion des Ventilsitzes 140. Unterhalb des Ventilsitzes ist ein im wesentlichen pilzförmiger Ventilkörper 100 mit einem zylindrischen Körper 115 auf dem ein kappenartiger Aufsatz sitzt. Der zylindrische Teil 115 des Ventilkörpers 100 sitzt in einer Schraubenfeder 160. Der Kappenartige Aufsatz steht über den Umfang des zylindrischen Körpers hervor so dass dessen Unterseite als Widerlager für die Schraubenfeder dient, die hier maximal komprimiert abgebildet ist. Die andere der Schraubenfeder 160 Seite stützt sich auf einem in die Ventilkammer 200 eingeklipsten Federteller 170 ab.
• Die Begriffe oben/oberhalb/auf bzw. unten/unterhalb/unter beziehen sich auf die makroskopische Strömungsrichtung, oben meint also Stromaufwärts. Die Bezugsströmungsrichtung ist die durch die Ventilöffnung, nicht die Förderrichtung der Schwingkolbenpumpe.
• Bezugszeichenliste

1

Ventilkörper

10

Dichtfläche

12

Rand, Widerlager für Feder

13

etwa quadratische Grundfläche

15

Körper

20

Stabilisator

22

in Richtung der Ventilkammerwand weisendes (distales) Ende der Stabilisatoren

24

Bereich der Dichtfläche 10 an dem der Ventilsitz anliegt

26

Ausnehmungen

30

Ausnehmung für Feder

r1

Radius des auf dem Ventilsitz anliegenden Bereichs der Dichtfläche

r2

Radius der Dichtfläche (ohne Berücksichtigung der Stabilisatoren)

80

Strömungsrichtung

90

Längsachse

100

Ventilkörper nach dem Stand der Technik

115

Körper

140

Ventilsitz

160

Schraubenfeder

170

Federteller

200

Ventilkammer

210

Ventilöffnung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 03/027454 A1 [0002]

Claims (11)

1. Ventilkörper 1 für ein Rückschlagventil einer Schwingkolbenpumpe mit einer Dichtfläche 10 zum Verschließen einer Ventilöffnung, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper 1 mindestens zwei Stabilisatoren 20 aufweist.
2. Ventilkörper 1 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper 1 drei wegweisende Stabilisatoren 20 aufweist.
3. Ventilkörper 1 nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper 1 zwischen den mindestens zwei Stabilisatoren 20 mindestens eine Ausnehmung 26 aufweist.
4. Ventilkörper 1 nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper 1 an seinem der Dichtfläche 10 abgewandten Ende verjüngt ist.
5. Ventilkörper 1 nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche 10 ringförmig ist.
6. Ventilkörper 1 nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Stabilisatoren 10 flossenförmig ist.
7. Ventilkörper 1 nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisatoren symmetrisch angeordnet sind.
8. Rückschlagventil mit – einer Ventilkammer, die einen Einlass und einen Auslass aufweist, – einem Ventilkörper 1 mit einer Dichtfläche, der in der Ventilkammer verschiebbar und gegen einen Ventilsitz vorgespannt aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper 1 ein Ventilkörper 1 nach einem der vorstehenden Ansprüche ist.
9. Rückschlagventil nach dem vorstehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkammer mindestens eine Führungsnut aufweist, in die mindestens einer der Stabilisatoren 20 eingreift.
10. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Stabilisatoren 20 von der Innenwand der Ventilkammer derart bemessen ist, dass eine Bewegung des Ventilkörpers 1 quer zu seiner Hauptbewegungsrichtung zumindest reduziert wird.
11. Schwingkolbenpumpe mit mindestens a. einem Pumpengehäuse, dass mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass aufweist, b. einem in dem Pumpengehäuse verschiebbaren Schwingkolben mit einem Durchlass, c. mindestens zwei Rückschlagventilen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Rückschlagventile ein Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 8 bis 10 ist.

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