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Die Erfindung betrifft ein Überdruckventil mit zwei Regeldrücken.
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Die Aufgabe eines Überdruckventils ist es Beschädigung einer unter Druck stehenden Vorrichtung zu verhindern, indem das Überdruckventil öffnet, bevor ein Druck im Inneren entsteht, welcher die Vorrichtung beschädigen oder zerstören könnte.
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Bei hydraulischen oder pneumatischen Systemen sind regelmäßig Druckspeicher vorhanden. Diese Druckspeicher sind regelmäßig über Ventile, genannt Vorsteuerventile, mit der eigentlichen Vorrichtung verbunden, welche mit Druck versorgt werden soll. Typischerweise sind diese Systeme so geschaltet, dass zunächst bei einem ersten Druck, welche etwas geringer ist, zunächst das Ventil geschaltet wird und dann mit einem zweiten Druck, welcher regelmäßig höher ist als der erste Druck, dann die eigentliche Vorrichtung betrieben wird. Beispielsweise wird in einem Druckspeicher Wasser vorgehalten, mit welchem beispielsweise ein Torpedo aus einem Waffenrohr ausgestoßen werden kann. Typischerweise wird der erste Druckspeicher bei einem Druck knapp unterhalb des ersten Drucks gehalten, um möglichst schnell einsatzfähig zu sein. Hieraus ergibt sich nun das Problem, dass eine Druckschwankung, beispielsweise durch Erwärmung des Wassers im Druckspeicher, den Druck des Druckspeichers über den ersten Druck anheben kann. Dadurch kann der Druckspeicher unzulässig hoch druckbeaufschlagt werden. Es besteht dadurch die Gefahr von Beschädigungen am Druckspeicher. Dieses Risiko wird durch ein konventionelles Überdruckventil vermieden. Steigt der Druck jedoch nicht über den Druck, bei welchem ein konventionelles Überdruckventil anspricht, kann der Druck dennoch soweit ansteigen, dass hierdurch das Ventil freigegeben wird und der Druck aus dem Druckspeicher auf die Vorrichtung übertragen. Ist dieses der Fall könnte somit der Druck unmittelbar und ungewollt in ein Waffenrohr geleitet werden. Dieses könnte bei geschlossener Mündungsklappe beispielsweise zu einer Beschädigung der Haltewarze der Waffe oder bei geöffneten Mündungsklappen sogar zur ungewollten Ausstoß der Waffe führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Überdruckventil bereitzustellen, das nicht nur ein Überdruck in einem Druckbehälter verhindert, sondern auch ein ungewünschtes Auslösen eines Vorsteuerventils vermeiden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Überdruckventil mit Volumenausgleich, mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Das erfindungsgemäße Überdruckventil mit Volumenausgleich weist ein Gehäuse, einen Kolben und ein erstes Federelement auf und das Gehäuse weist einen Einlass und einen Auslass auf. Der Einlass dient dazu, mit einer unter Druck stehenden Vorrichtung verbunden zu werden, der Auslass gibt im Notfall den Überdruck beispielsweise an die Umgebung ab. Der Kolben und das erste Federelement sind im Inneren des Gehäuses angeordnet. Das Überdruckventil weist eine Längsrichtung auf, wobei der Kolben entlang der Längsrichtung bewegbar ist. Der Kolben ist durch ein durch den Einlass eindringendes Fluid gegen das erste Federelement bewegbar. Der Kolben und das erste Federelement sind kraftschlüssig miteinander verbunden.
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Das Überdruckventil weist weiter einen Dichtzapfen und ein zweites Federelement auf, wobei der Dichtzapfen und das zweite Federelement im Inneren des Gehäuses angeordnet sind. Der Dichtzapfen ist entlang der Längsrichtung bewegbar. Der Dichtzapfen hohl ausgeführt. Der Dichtzapfen und das zweite Federelement sind kraftschlüssig miteinander verbunden. Der Kolben ist wenigstens teilweise im Inneren des Dichtzapfen angeordnet. Das bedeutet, dass ein Teil des Kolbens auch permanent außerhalb des Dichtzapfens angeordnet sein kann. Ebenso kann bei maximal anliegendem Druck der Kolben auch vollständig aus dem Dichtzapfen herausgeschoben sein. Diese Ausführungsvariante ist jedoch nicht bevorzugt, da bei Druckverminderung dann ein Risiko bestehen könnte, dass der Kolben durch das erste Federelement nicht wieder in den Dichtzapfen eingebracht wird. Der Kolben ist im Inneren des Dichtzapfen bewegbar angeordnet. Der Dichtzapfen wird ohne am Einlass anliegenden Druck durch das zweite Federelement in einer den Auslass verschließenden Position gehalten. Der Dichtzapfen ist durch ein durch den Einlass eindringendes Fluid gegen das zweite Federelement bewegbar.
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Auf diese Weise wird bei einem ersten Druck des mit dem Einlass vorhandenen Fluides der erste Kolben gegen das erste Federelement bewegt. Hierdurch wird ein zusätzliches Volumen geschaffen, was zum Beispiel bei einer Volumenausdehnung aufgrund von Erwärmung einen Druckanstieg verhindern kann. Wird ein zweiter Druck überstiegen, welcher den eigentlichen Schaltdruck des Überdruckventils entspricht, so gibt der Dichtzapfen den Auslass frei, das Fluid kann über den Auslass abgegeben werden. Über die Trennung der des ersten Federelements und des zweiten Federelements können die beiden Drücke gezielt eingestellt werden.
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Fluide umfassen Flüssigkeiten und Gase. Besonders bevorzugt ist das Fluid eine Flüssigkeit. Flüssigkeiten sind nur gering kompressibel, sodass bereits kleine Volumenänderungen zu starken Druckänderungen führen.
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Federelement im Sinne der Erfindung kann jedes Element sein, welches eine wegabhängige Rückstellkraft aufweist und mit einer Kraft vorspannbar ist. Beispielsweise kann ein Federelement eine Feder sein, welche insbesondere dem Hooke'schen Gesetz folgt (oder einen realen, hiervon abweichenden Verlauf aufweist). Beispielsweise kann die Feder eine Stabfeder, eine Schraubenfeder, eine Tellerfeder oder dergleichen sein. Ebenso kann es eine Luftfeder oder eine Gasdruckfeder sein. Das Federelement kann auch aus einem elastischem Material, beispielsweise Gummi oder Polyurethan sein. Das Federelement kann auch ein Schaum, insbesondere ein Hartschaum sein. Es kann sich bei dem Federelement auch um eine Kombination mehrerer Federelemente handeln.
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Beispielsweise und bevorzugt ist das erste Federelement eine Spiralfeder.
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Beispielsweise und bevorzugt ist das zweite Federelement eine Tellerfeder beziehungsweise eine aus mehreren Tellerfedern aufgebaute Feder.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Kolben eine erste Fläche A1 auf, wobei die erste Fläche die senkrecht zur Längsrichtung stehende Fläche des ersten Kolbens ist, welche mit dem Fluidraum des Einlasses in Kontakt steht. Die erste Fläche stellt somit regelmäßig keine reale Oberfläche des Kolbens dar, sondern ist betragsmäßig die Fläche der Oberfläche des Kolbens, welche sich durch Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Längsrichtung ergibt. Flächenelemente welche hierzu orthogonal stehen, bewirken keine Kraft, welche auf das erste Federelement wirkt.
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Der Dichtzapfen weist eine zweite Fläche A2 auf, wobei die zweite Fläche die senkrecht zur Längsrichtung stehende Fläche des Dichtzapfens ist, welche mit dem Fluidraum des Einlasses in Kontakt steht. Die zweite Fläche stellt somit regelmäßig keine reale Oberfläche des Dichtzapfens dar, sondern ist betragsmäßig die Fläche der Oberfläche des Dichtzapfens, welche sich durch Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Längsrichtung ergibt. Flächenelemente welche hierzu orthogonal stehen, bewirken keine Kraft, welche auf das zweite Federelement wirkt.
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Das erste Federelement ist mit einer ersten Kraft F1 vorgespannt und das zweite Federelement ist mit einer zweiten Kraft F2 vorgespannt. Das Produkt aus erster Fläche multipliziert mit der ersten Kraft ist geringer als das Produkt aus der zweiten Fläche multipliziert mit der zweiten Kraft.
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Das erste Federelement weist eine erste Federkonstante auf und das zweite Federelement eine zweite Federkonstante. Bevorzugt wird das zweite Federelement derart ausgewählt, dass die zweite Federkonstante geringer ist als die erste Federkonstante. Da das zweite Federelement für die Öffnung des Auslasses bei Erreichen des Maximaldrucks zuständig ist, ist es wünschenswert, dass das zweite Federelement den Auslass möglichst schnell möglichst vollständig freigibt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die das erste Federelement eine erste Federkonstante k
1 aufweist, wobei das erste Federelement um maximal die Länge I
1 komprimierbar ist, wobei die zweite Kraft F
2 geringer ist als das Produkt aus zweiter Fläche A
2 dividiert durch die erste Fläche A
1 multipliziert mit der Summe aus erster Kraft F
1 und dem Produkt aus der ersten Federkonstante k
1 multipliziert mit der Länge I
1.
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Hierdurch wird erreicht, dass zunächst der Kolben das Volumen maximal vergrößert, bevor der Dichtzapfen im Falle eines Überdrucks anspricht. Hierdurch wird die maximale Volumenvergrößerung bei möglichst kompakter Bauweise realisiert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Überdruckventil einen Spannzapfen auf, wobei der Spannzapfen in Längsrichtung in das Gehäuse einbringbar ist. Das zweite Federelement ist in dem Spannzapfen angeordnet, wobei der Kolben wenigstens teilweise im Spannzapfen angeordnet ist. Das zweite Federelement ist kraftschlüssig mit dem Spannzapfen verbunden.
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Somit kann über die Strecke, welche der Spannzapfen in das Gehäuse eingebracht wird, das zweite Federelement verkürzt und damit vorgespannt werden. Hierdurch ist eine einfache Einstellbarkeit der Vorspannung des zweiten Federelements möglich.
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Darüber den Spannzapfen das Gehäuse praktisch vergrößert wird, wird der Spannzapfen als Bestandteil des Gehäuses angesehen. Etwas, was innerhalb des Spannzapfen angeordnet ist, ist somit auch innerhalb des Gehäuses angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Spannzapfen durch eine erste Kontermutter gegen eine Verstellung gesichert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Überdruckventil einen Spannenbolzen auf, wobei der Spannbolzen in Längsrichtung in das Gehäuse oder den Spannzapfen einbringbar ist. Das erste Federelement ist kraftschlüssig mit dem Spannbolzen verbunden.
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Somit kann über die Strecke, welche der Spannbolzen in das Gehäuse oder den Spannzapfen eingebracht wird, das erste Federelement verkürzt und damit vorgespannt werden. Hierdurch ist eine einfache Einstellbarkeit der Vorspannung des ersten Federelements möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Spannbolzen durch eine zweite Kontermutter gegen eine Verstellung gesichert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kolben gegen den Dichtzapfen und der Dichtzapfen gegen das Gehäuse abgedichtet.
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Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Überdruckventil anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- 1 ohne Druck (Grundstellung „Geschlossen“)
- 2 mittlerer Druck (Stellung „Volumenausgleich“)
- 3 hoher Druck (Stellung „Geöffnet“)
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Die Figuren zeigen schematische Querschnitte eines beispielhaften Überdruckventils mit Volumenausgleich 10 bei verschiedenen Drücken. 1 zeigt den Zustand ohne Druck oder bei geringem Druck. 2 zeigt den Zustand bei welchem das erste Federelement 60 bereits durch den angestiegenen Druck komprimiert wurde, der Druck für das Ansprechen des Überdruckschutzes durch das zweite Federelement 40 jedoch noch nicht erreicht ist. Durch die Komprimierung des Federelements 60 erfolgt eine Volumenerweiterung im Ventil, was eine Druckreduzierung im Gesamtsystem bewirkt. In 3 ist dann der Zustand nach dem Überschreiten des Ansprechdruckes gezeigt.
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In 1 ist der Ruhezustand des Überdruckventil 10 dargestellt. Das Überdruckventil 10 weist einen Einlass 110 im Gehäuse 20 auf. Dieser wird mit dem zu schützenden Druckbehältnisses verbunden. Weiter weist das Überdruckventil 10 ein Auslass 120 im Gehäuse 20 auf, über welchen das Fluides aus dem Druckbehältnisses bei Überschreiten des kritischen Druckes abgegeben wird. Im Normalfall, wie in 1 gezeigt, ist der Weg durch den Dichtzapfen 30 blockiert. Dichtzapfen 30 wird durch das zweite Federelement 40 in Position gehalten. Innerhalb des Dichtzapfen 30 ist der Kolben 50 angeordnet hinter dem Kolben 50 ist das erste Federelement 60 angeordnet. Das erste Federelement 60 ist durch den Spannbolzen 80 vorgespannt und der Spannbolzen 80 durch die zweite Kontermutter 90 gesichert. Das zweite Federelement 40 ist durch den Spannzapfen 70 vorgespannt und der Spannzapfen 70 wird durch die erste Kontermutter 100 gesichert.
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Steigt der Druck, so drückt das durch den Einlass 110 eindringen Fluides den Kolben 50 in Längsrichtung des Überdruckventils nach hinten und komprimiert dabei das erste Federelement 60, wie in 2 gezeigt.
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Steigt der Druck weiter, so wird als nächstes der Dichtzapfen 30 in Längsrichtung des Überdruckventils gedrückt und dabei das zweite Federelement 40 komprimiert, wie in 3 dargestellt. Hierdurch wird die Verbindung zwischen Einlass 110 und Auslass 120 hergestellt, das Fluides kann entweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Überdruckventil
- 20
- Gehäuse
- 30
- Dichtzapfen
- 40
- zweite Federelement
- 50
- Kolben
- 60
- erste Federelement
- 70
- Spannzapfen
- 80
- Spannbolzen
- 90
- zweite Kontermutter
- 100
- erste Kontermutter
- 110
- Einlass
- 120
- Auslass
