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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochdruckventil, das eine Ventilspindelspitze (5) und einen damit in Beziehung stehenden Ventilsitz (4) aufweist, das in einer Anlage zur Hochdruckbehandlung von Produkten eingesetzt wird.
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Bei der Hochdruckbehandlung werden die Produkte in einer Hochdruckkammer, von einem Hochdruckmedium beaufschlagt, mit einem Druck bis zu 10000 bar behandelt. Das Hochdruckmedium verlässt die Hochdruckkammer meistens gesteuert durch ein oder mehrere Hochdruckventile zu einem Auffangbehälter, wo das Hochdruckmedium gesammelt wird, während der Druck in der Hochdruckkammer reduziert wird.
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Gewöhnlich wird der Druck schnell bis auf ca. 500 bar herabgesetzt, anschließend wird der Druck langsam bis auf dem drucklosen Zustand solange entspannt. Dies wird auch Schnell- und Softentspannung genannt. Die Drucksenkung wird mittels verschiedener Druckventile zwischen der Hochdruckkammer und dem Auffangbehälter bewerkstelligt.
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Bei der Schnell- und. Softentspannung ist die Anforderung an Druckventile aufgrund der unterschiedlichen Drücke auch verschieden.
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Die Überwindung sehr hoher Druckdifferenzen bei der Schnellentspannung resultiert oft in sehr hoher Strömungsgeschwindigkeit, die der Ventilspindelspitze (6) und dem Ventilsitz (4), zwischen den das Hochdruckmedium entlang strömt, gefährlich werden können. Es hat sich nämlich gezeigt, dass zu schnelles Absenken des Drucks zur Kavitation der Ventilspindelspitze (6) sowie des Ventilsitzes (4) führt. Daher wird angestrebt, eine Lösung für solches Problem zu finden.
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Die Verringerung des Drucks in einer Hochdruckkammer mittels zwei Ventilen ist in
WO 2006/1 291 80 A1 offenbart. Dabei ist zum Auslassen des Hochdruckmediums aus der Hochdruckkammer eine Leitung mit zwei hintereinander geschalteten Druckventilen vorgesehen. Zwischen den beiden Druckventilen ist eine Zwischendruckkammer zur Aufnahme des Hochdruckmediums, um den Druck vom ersten Druckventil zum zweiten Druckventil Schrittweise zu reduzieren und die Kavitation an dem Druckventil zu verhindern. Nachteilig ist jedoch, dass die Taktzyklen dieses Verfahrens sehr lang sind. Außerdem ist das Ausführen des Verfahrens mit den Druckventilen aufwendig.
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Die Schrift
DE 10 2009 042 088 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Hochdruckbehandlung von verpackten Lebensmitteln, wobei der Druckabbau in einer Hochdruckkammer in drei Phasen erfolgt. Zum Betreiben des Verfahrens ist eine Reihe von verschiedenen Druckventilen vorgesehen.
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DE 203 11 689 U1 beschreibt ein Hochdruckpumpenventil mit reversiblen Ventilsitzen, wobei die Hochdruckpumpe ein Hochdruckventil, auch Ventilkopf oder Ventilspitze genannt ist, und zwei Ventilsitze, die mit dem Hochdruckventil zusammenwirkt, aufweist. Durch die konstruktive Trennung der Ventilspitze und des Ventilsitzes als eigenständige Bauteile können die Komponenten bei hohen Qualitäts- und Materialanforderungen wirtschaftlich hergestellt werden.
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Eine getrennte Konstruktion des Hochdruckventils offenbart
DE 44 38 462 C1 , wobei es sich um ein Bolzen-Nadel-Ventil mit ”weicher Spitze”, das für Fluidsysteme bis ca. 1400 bar gedacht ist. Das Hochdruckventil weist eine Stopfbüchse mit einer darin angeordneten Druckhilfskammer auf, einen Körper mit einem Einlass und einem Auslass, sowie einem Sitz zwischen dem Einlass und dem Auslass. Ein Kolben ist in der Druckhilfskammer angeordnet. Der Schaft weist eine seitliche Stütze mit einer weichen Schaftspitze auf und ist konzentrisch durchbohrt, um den Fluiddruck vom Einlass mit der Oberseite des Kolbens zu verbinden, wodurch der Kolben den Schaft und die weiche Ventilspitze in Richtung des Ventilsitzes bewegt.
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Aufgrund des mit hohen Druck vorbei strömten Fluids führt zur Kavitation der Ventilspitze. Bei einer weichen Ventilspitze wird sie nach einiger Zyklen dermaßen abgenutzt, dass die Ventilspitze den Ventilsitz im geschlossenen Zustand des Hochdruckventils nicht mehr abdichten kann.
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Um das vorliegenden Problem zu beheben, würde man automatisch versuchen, ein härteres Material für die Ventilspitze zu nehmen. Dies führt zwar zu einem verbesserten Ergebnis im Vergleich zu der weichen Ventilspitze. Aufgrund der Kavitationsspuren nach einigen Zyklen, die das Hochdruckmedium beim Durchströmen auf die Ventilspitze hinterlässt, ist ein Austausch der Ventilspitze unvermeidbar.
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Beim Hochdruckventil, das aus Ventilspitze und Ventilsitz besteht, kann die Zusammenwirkende Kraft des Ventilsitzes und der Ventilspitze nicht außer Acht gelassen werden. Sowohl die ausgewählte Materialien als auch die Formen für den Ventilsitz und die Ventilspitze bestimmen deren Auswirkungen.
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Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein konstruktiv einfaches Hochdruckventil bei der Hochdruckbehandlung von Produkten bis zu 10000 bar Druck zur Verfügung zu stellen, womit eine höhere Zyklen erzielt wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Hochdruckventil für eine Anlage zur Hochdruckbehandlung von Produkten mit einem Druck bis zu 10000 bar, aufweisend,
- • einen Ventilkörper (1) mit einem Einlass (2) und einem Auslass (3),
- • einen Ventilsitz (4) zwischen dem Einlass (2) und Auslass (3), und
- • eine Bohrung (8) innerhalb des Ventilsitzes (4), wodurch das Hochdruckmedium bei der Offenstellung des Hochdruckventils vom Einlass (2) bis zum Auslass (3) strömt,
- • eine Ventilspindel (5), wobei die Ventilspindelspitze (6) durch einen Teil der Ventilspindel (5) ausgebildet ist, und
- • die Ventilspindelspitze (6) den Ventilsitz (4) im geschlossenen Zustand des Hochdruckventils abdichtet,
- • wobei der Ventilspindelspitze (6) ein kegelförmiges Ende (11) und einen zylindrischen Schaft (12) aufweist,
- • der Ventilsitz (4) der Ventilspindelspitze (6) zugewandten Seite eine konzentrische, zylindrische Senkbohrung (10) mit einer sich konzentrischen verjüngenden Form aufweist, und
- • sich eine Bohrung (8) an der konzentrischen verjüngenden Form innerhalb des Ventilsitzes (4) bis zum Einlass (2) des Ventilsitzes (4) erstreckt, und
- • wobei die Ventilspindelspitze (6) die konische Fläche (13) der zylindrischen Senkbohrung des Ventilsitzes (10) bis in die Bohrung (8) des Ventilsitzes (4) hinein im geschlossenen Zustand des Hochdruckventils abdichtet.
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Damit das Hochdruckventil im geschlossenen Zustand bestens abdichtet, muss die Kontaktfläche, bei der das kegelförmige Ende (11) der Ventilspindelspitze (6) und die konische Fläche (13) der zylindrischen Senkbohrung (10) des Ventilsitzes (4) optimal abgestimmt werden.
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Besonders bei der Schnellentspannung strömt das Hochdruckmedium mit sehr hohem Druck aus der Hochdruckkammer, anfänglich wird die Ventilspindelspitze (6) sich vom dem Ventilsitz (4) verzögert bewegt, das Hochdruckmedium strömt über die Ventilspindelspitze (6) durch die Öffnung zwischen der Ventilspindelspitze (6) und der konischen Fläche (13) des Ventilsitzes (4). Hinsichtlich des hohen Drucks und Korrosionsangriffs auf die Ventilspindelspitze (6) und den Ventilsitz (4) müssen die Ventilspindelspitze (6) und der Ventilsitz (4) aus Materialien bestehen, die auf deren wirkende Kraft entgegengesetzt werden können.
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Die Spitze des kegelförmigen Endes (11) der Ventilspindelspitze (6) ragt in die Bohrung (8) des Ventilsitzes (4) hinein. Die sich konzentrisch verjüngende Form der Senkbohrung (10) des Ventilsitzes (4) bietet sich eine konische Fläche an, die der Ventilspindelspitze (6) mit ihrem kegelförmigen Ende (11) sich optimal dem Ventilsitz (4) beim geschlossenen Zustand des Hochdruckventils anpasst, und somit abdichtet. Außerdem zeigt diese konische Form der Senkbohrung (10) des Ventilsitzes (4) wenige Angriffsfläche und ein schnelles Abfließen des Hochdruckmediums, so dass sie insgesamt kavitationsarmer gegenüber anderer Form aus dem Stand der Technik ist und damit höhere Zyklen erreicht werden kann.
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Der zylindrische Teil der Senkbohrung des Ventilsitzes (4) kann als Konus mit einem Winkel bis zu 6° ausgebildet sein, damit das Hochdruckmedium schnell und kavitationsarm durch zwischen dem geöffneten Ventilsitz (4) und der Ventilspindelspitze (6) strömen kann. Da der Ventilsitz (4) und die Ventilspindelspitze (6) eine zusammenwirkende Einheit des Hochdruckventils bilden, weist daher der zylindrische Schaft (12) der Ventilspindelspitze (6) ebenfalls einen Konus mit einem Winkel bis zu 6° auf.
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Um die abrasive Wirkung des mit hohen Druck und Geschwindigkeit herbei strömenden Hochdruckmediums zu entschärfen, wird der Ventilsitz (4) in der Senkbohrung (10) mit seitlichen Bohrungen (9) versehen. Mittels der seitlichen Bohrungen (9) wird der Druck im Ventilsitz (4) deutlich entlastet, somit auch die abrasive Angriffe werden durch das Hochdruckmedium gegenüber des Ventilsitzes (4) sowie der Ventilspindelspitze (6) reduziert.
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Der Kopfteil der Ventilspindel (5) ist durch die Ventilspindelspitze (6) ausgebildet. Da eine hohe Anforderung an den Kopfteil der Ventilspindel (5) nämlich die Ventilspindelspitze (6) gestellt wird, und z. B. die Ventilspindelspitze (6) aus einem anderen Material als dem der Ventilspindel (5) besteht, ist es vorteilhaft, die Ventilspindel (5) und die Ventilspindelspitze (6) nicht zusammen als ein Teil hergestellt werden. Dies kann so ausgeführt werden, dass die Ventilspindel (5) eine innere Bohrung aufweist, worin der zylindrischen Schaft (12) der Ventilspindelspitze (6) aufgenommen wird.
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Hinsichtlich der hohen Anforderung an das Hochdruckventil werden der Ventilsitz (4) und die Ventilspindelspitze (6) generell aus Metalllegierung hergestellt.
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Das Hochdruckventil kann, bestehend aus Ventilsitz (4) und Ventilspindelspitze (6), eine Regeleinrichtung aufweisen, womit es geregelt wird.
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Natürlich ist die Regeleinrichtung sowohl manuell als auch maschinell steuerbar.
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Die erfindungsgemäßen Teile werden durch nachfolgende Zeichnungen dargestellt.
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1 stellt ein Hochdruckventil dar.
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2a und 2b stellen eine Ausführungsform des Ventilsitzes (4) dar.
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3. stellt eine Ausführungsform der Ventilspindelspitze (6) dar.
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In 1 ist ein Hochdruckventil veranschaulicht, das einen Ventilkörper (1) aufweist. Der Ventilskörper (1) wird durch einen Antrieb geregelt. Der Ventilkörper (1) weist eine Ventilspindelspitze (6), einen damit in Beziehung stehenden Ventilsitz (4) und einen Einlass (2) und Auslass (3) auf. Der Ventilsitz (4) ist zwischen dem Einlass (2) und dem Auslass (3) angeordnet. Durch den Einlass (2) strömt das Hochdruckmedium, das die Hochdruckkammer verlässt, der Bohrung (8) des Ventilsitzes (4) entlang. Die Ventilspindelspitze (6) weist ein kegelförmiges Ende (11) und einen zylindrischen Schaft (12) auf, und die Ventilspindel (5) weist eine innere Bohrung auf, worin der zylindrischen Schaft (12) der Ventilspindelspitze (6) aufgenommen wird.
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Damit der Ventilsitz (4) und die Ventilspindelspitze (6) sich optimal beim geschlossenen Zustand des Hochdruckventils abdichten, weist die konische Fläche (13) des Ventilsitzes (4) eine axiale Abweichung von 45° und das kegelförmige Ende (11) der Ventilspindelspitze (6) eine axiale Abweichung von ca. 43.5° auf. Die Ventilspindel (5) samt der Ventilspindelspitze (6) wird mittels des Antriebs langsam vom Ventilsitz (4) entfernt, das Hochdruckmedium strömt zwischen des Ventilsitzes (4) und der Ventilspindelspitze (6) in die Richtung des Auslasses (3). Der Ventilsitz (4) und die Ventilspindelspitze (6) bilden innerhalb des Ventilkörpers (1) eine Ventilkammer, um den Druck in der Ventilkammer ein wenig zu mindern, ist ein Ventilkammerschutz (in der vorliegenden Zeichnung nicht dargestellt) vorgesehen, der auf dem Ventilsitz (4) angebracht ist.
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Zahlreiche Versuche haben gezeigt, dass mit dem oben erläuterten erfindungsgemäßen Hochdruckventil bei der Hochdruckbehandlung von Produkten bis zu 10000 bar Druck über 5000 Zyklen erzielt werden kann.
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2a ist eine detaillierte Darstellung vom Ventilsitz (4). Aus ökonomischen Gründen kann der Ventilsitz (4) aus mehreren Teilen bestehen und diese Teile werden durch das Verfahren ”Schrumpfen” entsprechend behandelt. Mehrere seitliche Bohrungen (9) sind in der zylindrischen Senkbohrung (10) des Ventilsitzes (4) angebracht. Idealerweise sind welche seitliche Bohrungen (9) auf dem Übergang von der konischen Fläche (13) zur zylindrischen Seitenwand angeordnet. Dies ermöglicht eine erste sofortige Entlastung des Drucks im Ventilsitz (4), sobald die Ventilspindel (5) samt der Ventilspindelspitze (6) angetrieben worden ist, sich von der konischen Fläche (13) des Ventilsitzes (4) zu entfernen. Mit der zunehmenden Spaltengröße zwischen dem Ventilsitz (4) und der Ventilspindelspitze (6) nimmt der Druck des Hochdruckmediums proportional zu, um diesen Druck entgegenzuwirken, sind weitere seitliche Bohrungen vorgesehen.
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2b ist eine dreidimensionale Darstellung des Ventilsitzes (4).
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3 zeigt eine mögliche Ausführungsoption der Ventilspindelspitze (6), wobei hier das kegelförmige Ende (11) der Ventilspindelspitze (6) eine geringere axiale Abweichung gegenüber der abzudichtenden konischen Fläche (13) des Ventilsitzes (4) aufweist. Damit das kegelförmige Ende (11) der Ventilspindelspitze (6) der konischen Fläche (13) des Ventilsitzes (4) unter hohen Druck optimal abdichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilkörper
- 2
- Einlass
- 3
- Auslass
- 4
- Ventilsitz
- 5
- Ventilspindel
- 6
- Ventilspindelspitze
- 7
- Antrieb von hier
- 8
- Bohrung
- 9
- Seitliche Bohrung
- 10
- Zylindrische Senkbohrung des Ventilsitzes
- 11
- Kegelförmiges Ende der Ventilspindelspitze
- 12
- Zylindrische Schaft der Ventilspindelspitze
- 13
- Konische Fläche der zylindrischen Senkbohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/129180 A1 [0006]
- DE 102009042088 A1 [0007]
- DE 20311689 U1 [0008]
- DE 4438462 C1 [0009]
