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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Rückschlagventil
mit einem Gehäuse,
in dem ein Ventilsitz ausgebildet ist, auf dem in Schließstellung
ein Ventilteller unter der Wirkung einer der Strömung eines abzusperrenden Fluids
entgegen gesetzten Schließkraft
aufliegt, wobei in Offenstellung des Ventils zwischen einer sich
dem Ventilsitz in Strömungsrichtung anschließenden Innenkontur
des Gehäuses
und einer Außenkontur
eines Ventiltellerrandes des Ventiltellers ein Ringkanal für das durchströmende Fluid gebildet
ist, wobei sich die Außenkontur
des Ventiltellerrandes und die Innenkontur des Gehäuses in
Strömungsrichtung
nach außen
konisch erweitern.
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Ein derartiges Rückschlagventil ist beispielsweise
in der
DE 195 03 487
A1 beschrieben. Der Ventilteller dieses Ventils besitzt
einen in Strömungsrichtung
abragenden, umlaufenden und im Querschnitt zapfenförmigen Rand
nach Art eines Spoilers. Aufgrund dieser Ausbildung wird in Offenstellung
des Ventils seitlich vom Ventilteller eine annähernd laminare und damit verlustarme
Strömung
erreicht.
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Ein Nachteil des oben kurz beschriebenen Rückschlagventils
ist darin zusehen, dass insbesondere im Anfahrbetrieb, aber auch
bei Druckstößen, der
Ventilteller aufgrund von Druckabsenkungen schlagartig schließt. Daraus
resultieren Schläge
des Ventiltellers auf den Ventilsitz, was zu einem störungs- und
verschleißbehafteten
Betrieb des Ventils führt.
Diesen Mangel weisen auch andere in der Praxis eingesetzte Rückschlagventile
auf, die insbesondere in Gas-, Wasser- und Ölpipelines zum Einsatz kommen,
um bei Rohrbrüchen
ein Auslaufen der Pipeline zu vermeiden.
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Aus der WO 96/31718 A1 ist ein Rückschlagventil
der eingangs genannten Art bekannt, bei dem der Ventiltellerrand
durch eine flexible Wand gebildet ist, derart, dass sich die anfangs
kreisförmige
Berührungszone
durch elastische Verformung während
der Phase der Abgabe zu einem Kegelstumpf erweitert. Die den Ventilsitz
bildende, geneigte Flanke der Innenkontur des Gehäuses und
die geneigte Flanke der Außenfläche des
Ventiltellers verlaufen unter einem Winkel zueinander, wobei die
Neigung der Flanke des Ventiltellers größer ist als die Neigung der Flanke
des Ventilsitzes jeweils in Bezug zur Mittelachse des Rückschlagventils.
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Durch die
DE 10 44 537 B ist ein Rückschlagventil
der eingangs genannten Art bekannt, bei dem in der Hauptströmungsrichtung
hinter dem Ventilteller eine ebene Dichtscheibe aus einem elastischen,
hochverschleißfesten
Werkstoff angeordnet ist, welche im ebenen Zustand mit der äußeren Kante ihrer
dem Ventilteller zugekehrten Fläche
die Ventilsitzfläche
gerade berührt,
wobei die Rückseite
des Ventiltellers zum Rand hin schwach geneigt verläuft. Die
den Ventilsitz bildende, geneigte Flanke der Innenkontur des Gehäuses und
die geneigte Flanke der Außenfläche des
Ventiltellers verlaufen parallel zueinander.
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Aus der
DE 86 08 911 U1 ist ein
Rückschlagventil
der eingangs genannten Art bekannt, bei dem der Ventilteller aus
einem zusätzlich
vorgesehenen Innengehäuse über eine
axiale Öffnung
herausbewegbar ist. Der Ventilteller besteht aus einem kegelförmigen Stirnteil
und einem zylinderförmi gen
Mantelteil, wobei im Übergangsbereich
zwischen dem Stirnteil und dem Mantelteil radiale Durchbrüche vorgesehen
sind, über
die der Innenraum des Innengehäuses
mit dem Ringkanal verbunden ist. Die den Ventilsitz bildende, geneigte
Flanke der Innenkontur des Gehäuses
und die geneigte Flanke der Außenfläche des
Ventiltellers verlaufen unter einem Winkel zueinander, wobei die
Neigung der Flanke des Ventiltellers größer ist als die Neigung der
Flanke des Ventilsitzes jeweils in Bezug zur Mittelachse des Rückschlagventils.
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Die Rückschlagventile nach den Dokumenten
WO 96/31718 A1,
DE 10
44 537 B und
DE
86 08 911 U1 haben den Nachteil, dass die den Ventilsitz bildenden,
geneigten Flanken der Innenkontur des Gehäuses und die geneigten Flanken
der Außenfläche des
Ventiltellers parallel oder unter einem Winkel zueinander verlaufen,
wobei die Neigung der Flanken des Ventiltellers größer ist
als die Neigung der Flanken der Innenkontur des Gehäuses jeweils
in Bezug zur Mittelachse des Ventils. Hierdurch ergibt sich eine
in Strömungsrichtung
konstante Querschnittsfläche
oder abnehmende Querschnittsfläche
des durch die Flanken begrenzten ringförmigen Strömungskanals. Dadurch kann sich
im Anfahrbereich des Rückschlagventils
keine kontinuierliche Strömung
einstellen, weil sich beim Öffnen
der bekannten Ventile der Strömungsquerschnitt
schlagartig vergrößert, wodurch
der Differenzdruck so klein wird, dass das Ventil wieder schließt, was
zum Schlagen (dauerndes Öffnen
und Schließen
des Ventiltellers) der bekannten Rückschlagventile im Anfahrbereich
führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Rückschlagventil
der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches die
oben aufgezeigten Nachteile nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
gattungsgemäßen Rückschlagventil
dadurch gelöst,
dass die Innenkontur des Gehäuses
im Hubbereich des Ventiltellers eine im Wesentlichen konstante Neigung
in Bezug auf die Mittelachse des Rückschlagventils aufweist, und
dass die Außenkontur
des Ventiltellerrandes eine Neigung in Bezug auf die Mittelachse
des Rückschlagventils
aufweist, die geringer ist als die Neigung der Innenkontur des Gehäuses in
Bezug auf die Mittelachse des Rückschlagventils,
derart, dass im Hubbereich des Ventiltellers ein diffusorartiger
variabler Ringkanal zwischen der Innenkontur des Gehäuses und
der Außenkontur
des Ventiltellerrandes gebildet ist.
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Diese Ventilkonstruktion gewährleistet
im Hubbereich eine dem Volumenstrom annähernd proportionale Offenstellung
des Ventiltellers. Daraus folgt eine konstante Strömungsgeschwindigkeit
im Ringkanal und ein hohes Stellverhältnis. Eine abrupte Querschnittserweiterung
des Ringkanals über
den Hubbereich des Ventiltellers liegt hier im Gegensatz zum Stand
der Technik nicht vor. Damit wird im kritischen Anfahrbereich und
bei kleinen Volumenströmen
ein Strömungsabriss
und damit ein Ventilschlagen vermieden. Das ermöglicht einen störungsfreien und
verschleißarmen
Betrieb. Weitere Vorteile sind eine geringe Geräuschentwicklung und eine Vermeidung
von Fremdstoffablagerungen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist eine Neigung der Innenkontur des Gehäuses von 25° bis 45° vorgesehen. Diese Kontur errechnet
sich aus dem notwendigen Ring kanalquerschnitt, um den jeweiligen
Volumendurchsatz im gesamten Hubbereich des Ventiltellers bei möglichst
kon stanter Strömungsgeschwindigkeit
zu erzielen, wobei diese Berechnung auf der Basis von wirtschaftlichen
Strömungsgeschwindigkeiten
für Gase
und Flüssigkeiten
in Rohrleitungen erfolgt .
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Nach einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Ventiltellerrand gegenüber der
Innenkontur des Gehäuses
etwa 1° bis
6° geringer
geneigt. Dadurch ist der Ringkanal als geringfügiger Diffusor ausgestaltet,
d. h., die Strömungsgeschwindigkeit
bleibt im Sinne der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen konstant.
Diese Ausgestaltung verbessert die störungsfreie Durchströmung und
verringert den Druckverlust bei der Durchströmung.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist auf
dem Ventilteller im Anschluss an den Ventiltellerrand ein in Strömungsrichtung
weisender Spoiler angeordnet. Mit diesem Spoiler wird eine gewollte
Verwirbelung der Strömung
erreicht. An der Grenzschicht der turbulenten Strömung und
an der Innenkontur des Ventilgehäuses
verläuft
dadurch die Strömung
weitestgehend laminar. Dies ermöglicht
einen höheren
Durchsatz, geringere Widerstandsbeiwerte und trägt auch zur Verminderung von
Ablagerungen bei.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert. In
der dazugehörigen
Zeichnung zeigt:
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1 einen
Querschnitt durch ein Rückschlagventil,
und
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2 eine
Vergrößerung A
gemäß 1.
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Das Rückschlagventil 1 ist
in der Darstellung gemäß 1 in der rechten Bildhälfte in
Schließstellung
und in der linken Bildhälfte
in maximaler Offenstellung dargestellt. Das Gehäuse 2 des Rückschlagventils 1 besitzt
einen zur Mittelachse 3 des Rückschlagventils 1 rotationssymmetrischen
Durchströmkanal 4.
Ein Gas oder eine Flüssigkeit
durchströmt diesen
Durchströmkanal 4 in
Richtung des Pfeils 5. Im Durchströmkanal 4 ist ein Ventilteller 6 angeordnet,
der über
ein Stößel 7 im
Gehäuse 2 geführt ist. Diese
Führung
erfolgt über
eine Nabenbuchse 8, die integraler Bestandteil einer Führungsmutter 9 ist.
Die Führungsmutter 9 ist
in das Gehäuse 2 eingeschraubt,
wobei die Nabenbuchse 8 über radiale Stege 10 mit
dem peripheren Ringteil 9.1 der Führungsmutter 9 verbunden
ist.
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Der Stößel 7 ist einstückig mit
dem Ventilteller 6 ausgebildet und besitzt einen Absatz 11.
Dieser Absatz 11 begrenzt den Hub des Ventiltellers 6,
in dem er mit der Stirnseite 8.1 der Nabenbuchse 8 zusammenwirkt.
Bei maximalem Hub des Ventiltellers 6 liegt der Absatz 11 des
Stößels 7 an
der Stirnfläche 8.1 der
Nabenbuchse 8 an. Der maximale Hub des Ventiltellers 6 ist
damit durch das Maß a
gegeben.
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Die Nabenbuchse 8 besitzt
einen Absatz 8.1, an dem sich eine Druckfeder 15 mit
einem ihrer Enden abstützt,
welche konzentrisch zur Nabenbuchse 8 und zum Stößel 7 angeordnet
ist. Das andere Ende der Druckfeder 15 stützt sich
an einer Ausbuchtung 6.1 des Ventiltellers 6 ab.
Der Ventilteller 6 wird aufgrund der Wirkung dieser Druckfeder 15 gegen
einen Ventilsitz 12 gedrückt, an dem er mit umfänglicher
Linienberührung
dichtend anliegend, sofern der Staudruck des Fluids nicht ausreicht,
um den Ventilteller 6 vom Ventilsitz 12 abzuheben.
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Die Innenkontur 13, welche
die Wandung des Durchströmkanals 4 bildet,
ist auf der Strecke 13.1 des Hubbereichs a des Ventiltellers 6 mit
einer konstanten Steigung von 33° zur
Mittelachse des Rückschlagventils 1 ausgeführt. Damit
stellt sich der Bereich 13.1 der Innenkontur 13 im
Querschnitt gesehen als Gerade dar, wie aus 1 hervorgeht. Der Bereich 13.1 schließt sich
unmittelbar an den Ventilsitz 12 an.
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Der Ventiltellerrand 6.2 ist
ebenfalls mit gleichbleibender Steigung gegenüber der Mittelachse 3 des
Rückschlagventils 1 ausgeführt, stellt
sich also im Querschnitt gesehen ebenfalls als Gerade dar.
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Zwischen dem Bereich 13.1 der
Innenkontur 13 des Durchströmkanals 4 und dem
Ventiltellerrand 6.2 ist in Offenstellung des Rückschlagventils 1 ein Ringkanal 14 gebildet,
dessen Durchflussquerschnitt sich mit größer werdendem Hub des Ventiltellers 6 gewissermaßen durch
Parallelverschiebung des Ventiltellerrandes 6.2 zum Bereich 13.1 der
Innenkontur 13 vergrößert. Aufgrund
der gewählten
Steigung der Innenkontur 13 im Bereich 13.1 ist
dabei gewährleistet,
dass die Strömungsgeschwindigkeit
im Ringkanal 14 annähernd
konstant bleibt. Ein abruptes Öffnen
des Ventiltellers 6 und damit ein Abreißen der Strömung wird dadurch vermieden.
Daraus resultiert ein schlagfreier Betrieb des Rückschlagventils 1 im
Anfahrbereich aber auch bei Druckstößen und schwankenden Volumenströmen.
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Wie insbesondere aus 2 hervorgeht, verlaufen der Ventiltellerrand 6.2 und
der Bereich 13.1 der Innenkontur 13 nicht exakt
parallel zueinander. Es ist ein Divergenzwinkel von α = 2,5° (in 2 ist der Winkel zur Verdeutlichung
größer dargestellt) vorgesehen,
d. h., die Steigung des Ventiltellerrandes 6.2 gegenüber der
Mittelachse 3 des Rückschlagventils 1 ist
etwas geringer als die Steigung des Innenkonturbereichs 13.1.
Dadurch ergibt sich eine leichte Divergenz des Ringkanals 14,
ohne jedoch die im Sinne der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen
konstante Strömungsgeschwindigkeit
im Ringkanal 14 wesentlich zu beeinflussen. Die diffusorartige
Gestaltung des Ringkanals 14 verbessert die Durchströmung und
gewährleistet
einen geringeren Druckabfall.
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An den Ventiltellerrand 6.2 schließt sich
ein Abschluss in Form eines Spoilers 6.3 an. Dieser Spoiler 6.3 erzeugt
eine gewollte Verwirbelung der Strömung hinter dem Ringkanal 14.
Dadurch ist die Strömung
auch hinter dem Ringkanal 14 im Bereich zwischen der Innenkontur 13 und
der Verwirbelungszone annähernd
laminar, woraus sich ein höherer Durchsatz
bei geringerem Widerstandsbeiwert und verminderten Ablagerungen
ergibt.
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In den Stirnwänden 2.1 des Gehäuses 2 des Rückschlagventils 1 sind
umlaufende Ringnuten 2.2 vorgesehen. In diese Ringnuten 2.2 werden
Weicheisendichtungen eingelegt, die für einen dichten Abschluss sorgen,
wenn das Rückschlagventil 1 zwischen
zwei Flanschen einer Pipeline verspannt wird.