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Die Erfindung betrifft ein Rückschlagventil, ein Rückschlagventilsystem und ein Verfahren zur Stellung eines Rückschlagventils.
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In der Fluidtechnik sind Rückschlagventile weit verbreitet. Rückschlagventile weisen in einer Flussrichtung eines Fluids einen definierten Öffnungsdruck auf und sperren den Fluss des Fluids in entgegengesetzter Flussrichtung.
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Allerdings zeigen solche Rückschlagventile auch in Sperrrichtung eine Leckage, da ein Ventilkörper eines solchen Rückschlagventils typischerweise auf einem metallischen Dichtsitz aufliegt und Ventilkörper und Dichtsitz jeweils eine Oberflächenrauheit aufweisen. Der Kontakt von Ventilkörper und Dichtsitz kann durch eine Vorspannkraft des Ventilkörpers wegen der hohen Steifigkeiten der Kontaktflächen nicht komplett gedichtet werden. Dadurch treten stets Verluste auf, da ein Teil des Fluids, das durch das Rückschlagventil gepumpt wird, wieder zurückfließt. Insbesondere für Systeme mit geringen Volumenströmen, wie z.B. für mikrohydraulische Systeme, sind diese Verluste erheblich.
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Leckagebehaftete Rückschlagventile sind ferner nicht für statische Anwendungen geeignet, da dort die Leckage fortwährend mittels Nachpumpens von Fluid ausgeglichen werden muss. Bei Systemen, in denen Drücke und Auslenkungen sehr exakt eingestellt werden müssen oder das Fluidvolumen sehr gering ist, ist dies ohne zusätzlichen Sensor und Regelkreis nicht möglich. Leckagefreie Rückschlagventile hingegen würden vorteilhaft in statischen Systemen nur Energie zum Einstellen eines bestimmten Drucks bzw. einer bestimmten Auslenkung benötigen, nicht jedoch zum Halten des Drucks oder der Auslenkung.
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Leckagearme Ventile verwenden am Dichtsitz zusätzlich eine Elastomerdichtung, in die die Ventilkugel gedrückt wird. Aufgrund der geringen Steifigkeit und der hohen Elastizität des Elastomers wird die Elastomerdichtung durch die Schließkraft des Ventils in die Oberflächenstruktur der Kugel gepresst, wodurch eine Abdichtung gewährleistet wird. Aufgrund von Fertigungs- und Montagetoleranzen ist eine Festlegung der Vorspannung der Dichtung für eine hinreichende hydraulische Dichtigkeit schwierig.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes, insbesondere ein leckageärmeres, Rückschlagventil anzugeben. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Rückschlagventilsystem sowie ein Verfahren zur Stellung eines Rückschlagventils zu schaffen, mittels welchen ein verbessertes Rückschlagventil bereitstellbar ist.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Rückschlagventil mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Rückschlagventilsystem mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen und mit einem Verfahren zur Stellung eines Rückschlagventils mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Rückschlagventil weist einen Fluideinlass, ein relativ zum Fluideinlass stellbares Stellmittel, einen in eine den Fluideinlass verschließende Verschlussstellung beweglichen Ventilkörper sowie ein Kraftbeaufschlagungsmittel auf. Das Kraftbeaufschlagungsmittel ist ausgebildet und angeordnet, den Ventilkörper relativ zum stellbaren Stellmittel kraftzubeaufschlagen.
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Mittels des stellbaren Stellmittels kann die Kraftbeaufschlagung des Ventilkörpers in die Verschlussstellung hinein gestellt werden. Folglich lässt sich der Öffnungsdruck des Rückschlagventils passgenau einstellen. Zweckmäßig wird der Öffnungsdruck des Rückschlagventils gerade ausreichend stark eingestellt, dass das Rückschlagventil in der Verschlussstellung des Ventilkörpers, also in Sperrrichtung, leckagefrei und fluiddicht sperrt. Auf diese Weise lassen sich bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Rückschlagventils auftretende Nichtidealitäten der Ventilkomponenten, wie zum Beispiel Toleranzen und Oberflächen, mithilfe unterschiedlicher Kraftbeaufschlagungen bei der Montage oder endgültigen Einstellung des Rückschlagventils ausgleichen. Dadurch können die Herstellungskosten pro Ventil deutlich gesenkt werden, da eine ansonsten erforderliche Nachbearbeitung der Toleranzen und Oberflächen mit hohen Kosten verbunden wäre.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Rückschlagventil einen mit elastischem Material gebildeten Ventilsitz auf und der Ventilkörper ist mittels des Kraftbeaufschlagungsmittels auf den Ventilsitz kraftbeaufschlagbar. Zweckmäßig ist das elastische Material ein Elastomer. Das elastische Material wird durch die Schließkraft des Ventils in die Oberflächenstruktur des Ventilkörpers gepresst, wodurch eine Abdichtung gewährleistet wird. Im Unterschied zum Stand der Technik ist erfindungsgemäß mittels des Stellmittels der Druck des Ventilkörpers auf das elastische Material passgenau einstellbar.
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Bevorzugt weist bei dem erfindungsgemäßen Rückschlagventil das Kraftbeaufschlagungsmittel ein Federelement auf.
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Zweckmäßig ist bei dem Rückschlagventil gemäß der Erfindung das Kraftbeaufschlagungsmittel ausgebildet und angeordnet, den Ventilkörper von Stellmittel weg in die Verschlussstellung hinein kraftzubeaufschlagen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Rückschlagventil eine Ventilkammer auf, in welcher das Stellmittel auf den Fluideinlass und/oder den Ventilkörper zu beweglich und/oder vom Fluideinlass und/oder dem Ventilkörper fort beweglich ist. Vorzugsweise weist bei dem erfindungsgemäßen Rückschlagventil das Stellmittel einen Gleitkörper auf, welcher gleitbar in der Ventilkammer geführt ist.
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Das erfindungsgemäße Rückschlagventilsystem weist ein Positioniermittel auf, mittels welchem das Stellmittel relativ zum Fluideinlass positionierbar ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rückschlagventilsystems ist das Positioniermittel mit einer Schraube gebildet, welche mit einem Gewinde versehen ist, wobei das Rückschlagventilsystem zweckmäßig ein Gegengewinde aufweist, mittels welchem die Schraube relativ zum Fluideinlass schraubbar ist.
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Bevorzugt umfasst das Rückschlagventilsystem eine Ventilfassung, in welche das Rückschlagventil festlegbar ist. Insbesondere weist die Ventilfassung das Gegengewinde für das Gewinde des Positioniermittels auf.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Stellung eines Rückschlagventils wird als Rückschlagventil ein erfindungsgemäßes Rückschlagventil wie zuvor beschrieben herangezogen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Fluideinlass des Rückschlagventils mit einem Prüffluid mit einem vorgesehenen Öffnungsdruck des Rückschlagventils beaufschlagt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Stellmittel solange positioniert, bis mittels eines Prüffluidsensors eine Stellung des Ventilkörpers in eine Verschlussstellung hinein oder aus der Verschlussstellung heraus feststellbar ist.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der leicht möglichen Automatisierung. Hierfür wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zweckmäßig ein elektrisches Sperrventil für den Prüffluideinlass, ein Stellmotor zur Stellung des Stellmittels und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Einstellen eines Schwellwertes des Prüffluidsensors herangezogen.
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Bevorzugt ist das Prüffluid Helium. Geeigneterweise werden als Prüffluidsensoren Heliumsensoren herangezogen, wie sie im Stand der Technik bekannt und etabliert sind.
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In einer bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird bei dem Verfahren ein Rückschlagventilsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche herangezogen. Das Rückschlagventil dieses Rückschlagventilsystems wird gestellt. Dabei wird mittels des Positioniermittels des Rückschlagventilsystems das Stellmittel des Rückschlagventils positioniert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Rückschlagventil mit einem Stellmittel in einem Zustand vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch im Längsschnitt,
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2 das Rückschlagventil gem. 1 in einer Ventilfassung mit einem Positioniermittel, gemeinsam bildend ein erfindungsgemäßes Rückschlagventilsystem, bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch im Längsschnitt,
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3 das Rückschlagventilsystem gem. 2 bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch im Längsschnitt sowie
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4 das Rückschlagventilsystem gem. 2 und 3 bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch im Längsschnitt.
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Das in 1 gezeigte Rückschlagventil 10 weist ein um eine Achse 110 rotationssymmetrisches Ventilgehäuse 20 auf, welches eine Ventilkammer 30 umfasst. Stirnseitig weist das Ventilgehäuse 20 einen Fluideinlass 40 auf, welcher sich axial durch das Ventilgehäuse 20 hindurch streckt und in die Ventilkammer 30 mündet. Die Ventilkammer 30 mündet an einem von dem Fluideinlass 40 fernen Axialende des Ventilgehäuses 20 aus diesem aus. Der an den Fluideinlass 40 angrenzende Teil der Ventilkammer 30 weitet sich entlang eines Axialabschnitts mit zunehmendem Abstand vom Fluideinlass 40 konisch auf, sodass dieser Teil der Ventilkammer 30 von einer solchen Oberfläche des Ventilgehäuses 20 begrenzt ist, welche die Mantelfläche eines Kegelstumpfs bildet.
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Die Oberfläche dieses Teils des Ventilgehäuses 20 bildet einen Anschlag 60 für einen Ventilkörper 70, der im gezeigten Ausführungsbeispiel als Ventilkugel ausgebildet ist. In einer Anlagestellung des Ventilkörpers 70 an dem Anschlag 60 sperrt der Ventilkörper 70 den Fluideinlass 40 fluiddicht ab.
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Umfänglich um die Achse 110 des Ventilgehäuses 20 umlaufend ist an dem Anschlag 60 eine Dichtlippe 66 angespritzt, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein O-Ring aus einem Elastomer. Die Dichtlippe 66 gewährleistet einen fluiddichten Sitz des Ventilkörpers 70 am Anschlag 60.
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An seiner dem Fluideinlass 40 abgewandten Seite des Ventilkörpers 70 ist an diesem eine Druckfeder 80 angebunden, welche sich in Richtung der Achse 110 vom Ventilkörper 70 fortstreckt. Die Druckfeder 80 stützt sich an ihrem dem Ventilkörper 70 fernen Ende an einem Stellmittel in Form einer Vorspannbuchse 100 ab, welche eine zylindrische Form aufweist, die mit ihrer Zylinderachse koaxial mit der Achse 110 orientiert ist und entlang dieser Achse 110 gleitend verschiebbar und in Richtungen senkrecht zur Achse 110 festgelegt ist.
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Mittels einer Verschiebung der Vorspannbuchse 100 auf den Ventilkörper 70 zu lässt sich die Druckfeder 80 stauchend auslenken. Zum Halten dieser Auslenkung ist es ausreichend, die Vorspannbuchse 100 an ihrer dem Fluideinlass 40 fernen Stirnseite an einer Bewegung entlang der Achse 110 vom Ventilkörper 70 fort zu hindern.
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Das Rückschlagventil 10 ist Teil eines erfindungsgemäßen Rückschlagventilstellsystems 300 (2), welches eine Ventilfassung 90 sowie eine Vorspannschraube 120 aufweist. In die Ventilfassung 90 lässt sich das erfindungsgemäße Rückschlagventil 10 mit seinem Ventilgehäuse 20 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens festlegen. Die Ventilfassung 90 umgibt dann das Ventilgehäuse 20 in umfänglicher Richtung um die Achse 110 umfänglich und überragt das Ventilgehäuse 20 in Richtungen entlang der Achse 110.
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Die Vorspannbuchse 100 wird mittels der Vorspannschraube 120 an einer Bewegung entlang der Achse 110 vom Fluideinlass 40 fort gehindert. Die Vorspannschraube 120 weist dazu ein Außengewinde 122 auf, mit welchem sie in ein korrespondierendes Innengewinde 127 des das Ventilgehäuse 20 überragenden Teils der Ventilfassung 90 schraubbar ist. Dieses korrespondierende Innengewinde 127 schraubt sich innenumfänglich entlang der Achse 110 auf das Ventilgehäuse 20 zu.
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Mittels des Innengewindes ist die Ventilschraube 120 in Richtung der Achse 110 in die Ventilkammer 30 hinein schraubbar. Die Vorspannschraube 120 ragt mit einem Vorsprung mit einem flachen Stirnende in die Ventilkammer 30 ein und kommt mit der Vorspannbuchse 100 an deren vom Fluideinlass 40 abgewandten Stirnende flächig zur Anlage.
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Sowohl die Vorspannbuchse 100 als auch die Vorspannschraube 120 weisen eine entlang der Achse 110 verlaufende Durchführung 130, 140 auf. Mittels der Durchführungen 130, 140 lässt sich die Dichtigkeit der Anlage des Ventilkörpers 70 am Anschlag 60 prüfen, beispielsweise mittels einer Beaufschlagung des Fluideinlasses 40 mit Helium und Prüfung des der Vorspannbuchse fernen Endes der Durchführung 140 mittels eines Heliumsensors 150.
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Der Öffnungsdruck des Rückschlagventils 10 wird nun wie folgt eingestellt:
Zunächst wird die Vorspannschraube 120 deutlich näher auf den Fluideinlass 40 zu geschraubt als es der gewünschte Öffnungsdruck erforderte. Damit ist die Druckfeder 80 stauchend vorgespannt. Zweckmäßig wird diese Position zuvor ermittelt und beispielsweise mittels eines mechanischen Anschlags an der Vorspannschraube 120 (in der Zeichnung nicht eigens dargestellt) voreingestellt. Bei dieser Stellung der Vorspannschraube 120 wird der Fluideinlass 40 an dessen äußerer Eingangsseite 160 mit Helium 165 beaufschlagt. Dabei wird ein Druck angelegt, welcher jenem des gewünschten Öffnungsdrucks des Rückschlagventils 10 entspricht. Da in der voreingestellten Stellung der Vorspannschraube 120 der Ventilkörper 70 deutlich stärker an den Anschlag 60 gedrückt wird als es dem beabsichtigten Öffnungsdruck entspricht, wird an dem der Vorspannbuchse 100 fernen Ende der Durchführung 140 der Vorspannschraube 120 mittels des Heliumsensors 150 eine geringere Heliumkonzentration gemessen, als sie der Grenzwert für hydraulisch dichte Rückschlagventile 10 erfordert.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung des Rückschlagventils 10 wird die Vorspannschraube 120 schrittweise, d.h. insbesondere mit jeweils solchen Pausen, dass sich jeweils eine stabile Heliumkonzentration zu einer Position der Vorspannschraube 120 einstellen kann oder zumindest einstelle könnte, vom Fluideinlass 40 fortgeschraubt.
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Sobald der Heliumsensor 160 an dem der Vorspannbuchse 100 fernen Ende der Durchführung 140 der Vorspannschraube 120 eine Heliumkonzentration misst, welche den Grenzwert für hydraulische Dichtigkeit übersteigt, so entspricht der Öffnungsdruck des Rückschlagventils 10 dem gewünschten Öffnungsdruck.
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Die derart mittels des Verfahrens aufgefundene Stellung der Vorspannschraube 120 wird nunmehr fixiert. Dazu weist die Vorspannschraube 120 im gezeigten Ausführungsbeispiel Durchführungen 170, 180 auf, welche sich von der der Vorspannbuchse 100 abgewandten Seite der Vorspannschraube 120 in Richtung auf die Vorspannbuchse 100 zu von der Achse 110 beabstandend auf den Kontaktbereich von Vorspannbuchse 100 und Ventilgehäuse 20 erstrecken. Durch die Durchführungen 170, 180 hindurch kann mittels Laserschweißens die Vorspannbuchse 100 an das Ventilgehäuse 20 geschweißt werden und so der gewünschte Öffnungsdruck des Rückschlagventils 10 dauerhaft eingestellt werden. Nachfolgend wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Vorspannschraube 120 aus der Ventilfassung 90 herausgedreht und die Vorspannbuchse 100 im dargestellten Ausführungsbeispiel, etwa mittels weiterer Schweißpunkte, an das Ventilgehäuse 20 drehfest stoffschlüssig angebunden. Das Rückschlagventil 10 lässt sich nun aus der Ventilfassung 90 entnehmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung des Rückschlagventils 10 lässt sich leicht automatisieren. So lässt sich der Fluideinlass 40 mittels eines elektrischen Sperrventils mit Helium beaufschlagen und die Vorspannschraube 120 lässt sich mittels eines Stellmotors elektrisch gesteuert schrauben. Ferner lässt sich auch der Heliumsensor 160 digital auswerten, sodass alle Prüf-, Einstell- und Fixierschritte des Verfahrens prozessorbasiert gesteuert werden können.
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Die Automatisierung der Ventile kann auch parallel erfolgen, um die Produktion zu erhöhen.
