DE10357401B4

DE10357401B4 - Entleerungsventil

Info

Publication number: DE10357401B4
Application number: DE2003157401
Authority: DE
Inventors: Friedrich H. Knappmeier
Original assignee: IMI Norgren Buschjost GmbH and Co KG
Current assignee: Norgren GmbH
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: DE10357401A1

Abstract

Entleerungsventil zur Steuerung der Entleerung von Fluidbehältern, mit einem Ventilkolben (6) und einem diesen umgebenden Ventilgehäuse (1) mit einer Ausströmöffnung (3) und einer behälterseitigen mittig zu dem Ventilkolben (6) angeordneten Anströmöffnung (2), um die herum sich ein Ventilsitz (7) erstreckt, sowie einer durch das Ventilgehäuse 1) ausgebildeten Steuerkammer (9), die über wenigstens eine Drossel (10) in dem Ventilkolben (6) mit der Anströmöffnung (2) verbunden ist, gekennzeichnet durch ein Verhältnis des Durchmessers (d) des Ventilsitzes (7) zu dem Durchmesser (D) des Ventilkolbens (6) kleiner 0,45 und einen Steuerkammersitz (15), auf dem der Ventilkolben (6) bei geschlossenem Ventil mit einer Steuerkammer-Sitzdichtung (16) die Steuerkammer (9) verschließend aufliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Entleerungsventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Steuerung der Entleerung von Fluidbehältern, insbesondere von Druckluftbehältern.

Derartige Ventile haben ein Ventilgehäuse mit einer dem Fluidbehälter zugewandten Anströmöffnung und einer von der Anströmseite über einen mit einen Ventilsitz abdichtenden Ventilkolben getrennten Ausströmöffnung. Oberhalb des Ventilkolbens befindet sich eine Steuerkammer, die mit der Anströmseite über eine fluiddurchlässige Drossel verbunden ist. Dadurch bildet sich in der Steuerkammer derselbe Druck wie in dem Fluidbehälter aus. Die Steuerkammer ist mit einer Steuer- oder Pilotöffnung versehen, die durch ein Pilotventil geöffnet oder geschlossen werden kann. Wird das Pilotventil geöffnet, strömt das sich in der Steuerkammer befindende Fluid zügig aus. Da der Querschnitt der Pilotöffnung größer als der Querschnitt der Drossel ist, kann das Fluid aus dem Fluidbehälter nicht schnell genug nachströmen, wodurch sich der Ventilkolben hebt und das freie Abströmen des Fluids aus dem Fluidbehälter zur Ausströmöffnung ermöglicht. Ein solches Ventil ist beispielsweise aus der US 2,557,378 A bekannt.

Sofern derartige Ventile bei Behältern eingesetzt werden, die großen Druckspitzen ausgesetzt sind, stellt sich das Problem, daß bei einer Druckspitze das Ventil ganz kurzfristig öffnet und der Fluidbehälter sich somit nach und nach unbeabsichtigt entleert. Für einen derartigen Einsatz sind die herkömmlichen Entleerungsventile deshalb nicht geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Entleerungsventil zu schaffen, das auch bei auftretenden Druckspitzen im Fluidbehälter sicher geschlossen bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Entleerungsventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch eine Anordnung mit einem Steuerkammersitz, auf dem der Ventilkolben des Entleerungsventils bei geschlossenem Ventil mit einer Steuerkammer-Sitzdichtung die Steuerkammer verschließend aufliegt, und durch die Größenverhältnisse von Ventilsitzdurchmesser zu Ventilkolbendurchmesser kleiner 0,45 wird erreicht, daß der von dem Fluidbehälter druckbeaufschlagten Fläche innerhalb des Ventilsitzes eine über die Steuerkammer mit dem gleichen Druck beaufschlagte, jedoch mehr als doppelt so große Ventilkolbenfläche entgegensteht. Da die Haltekraft des Ventils bei beidseitig gleichem Druck proportional zur Fläche ist, kann das erfindungsgemäße Ventil daher Druckspitzen von gegenüber dem Normaldruck im Fluidbehälter mehr als verdoppelten Druck verkraften, ohne sich auch nur kurzfristig zu öffnen.

Bei einem bevorzugten Durchmesserverhältnis zwischen Ventilsitz und Ventilkolben kleiner 0,4 und insbesondere sogar etwa 0,35 wären daher beispielsweise Druckspitzen von 22 Bar bei einem Normaldruck von ca. 5 bis 6 Bar für die Dichtigkeit des Ventils unproblematisch.

Ein weiteres Problem der herkömmlichen Entleerungsventile ist, daß die Entleerung häufig nicht so schnell wie gewünscht stattfinden kann, da das Ventil durch das langsame Abströmen des Fluids aus der Steuerkammer auch dementsprechend langsam öffnet. Extrem schnelle Entleerungen sind damit nicht möglich.

Das erfindungsgemäße Entleerungsventil wurde insoweit dahingehend weiterentwickelt, eine schnellere Entleerung zu ermöglichen. Diese Anforderung wird dadurch verwirklicht, daß zusätzlich zu der im Ventilkolben angeordneten Drossel konstruktiv ein weiterer Fluiddurchlaß geschaffen wird, der bei geöffnetem Ventil die Steuerkammer mit der Ausströmöffnung des Ventils verbindet. Dadurch kann das Fluid in der Steuerkammer nicht nur durch die verhältnismäßig kleine Außenöffnung, sondern auch durch den zusätzlichen Fluiddurchlaß entweichen. Die Steuerkammer wird dadurch erheblich schneller geleert und das Ventil öffnet schneller vollständig.

Die Umsetzung eines solches Fluiddurchlasses sowie weitere Vorteile und Einzelheiten werden im folgenden anhand einer besonderen Ausführungsform erläutert, die in den Fig. dargestellt ist; es zeigen:
1: eine perspektivische Außenansicht des Ventils,
2: einen Schnitt in Richtung II-II durch das Ventil aus 1 in geschlossenem Zustand,
3: eine dem Gegenstand aus 2 ähnliche Ausführungsform bei öffnendem Ventil und
4: eine Vergrößerung des Details IV aus 3.
Das dargestellte Druckluftventil besteht aus einem Ventilgehäuse 1 mit einer Anströmöffnung 2 und einer Ausströmöffnung 3. Die Anströmöffnung 2 ist mit einem nicht dargestellten Fluidbehälter, insbesondere Druckluftbehälter verbunden. Der obenseitige Abschluß des Gehäuses 1 wird durch einen Gehäusedeckel 4 gebildet, der eine Pilotöffnung 5 aufweist, auf die im Betriebszustand ein hier nicht dargestelltes Pilotventil aufgesetzt ist. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Ventilkolben 6, der durch eine bei geschlossenem Ventil auf einem Ventilsitz 7 aufliegende Ventildichtung 8 die Druckseite, nämlich die Anströmöffnung 2 von der drucklosen Seite, der Ausströmöffnung 3 trennt.
Oberhalb des Ventilkolbens 6 ist im Gehäuse 1 eine Steuerkammer 9 ausgebildet, in die über eine in dem Ventilkolben 6 angeordnete Drossel 10 Druckfluid eintritt, so daß bei geschlossener Pilotöffnung 5 auf der Seite der Anströmöffnung 2 und in der Steuerkammer 9 derselbe Druck herrscht. Zur Unterstützung der Ventilschließung ist der Ventilkolben 6 gegenüber dem Gehäusedeckel 4 noch mittels einer Spiralfeder 14 vorgespannt.
Um bei Druckspitzen ein kurzzeitiges Öffnen des Ventils zu verhindern, ist das Ventil so ausgebildet, daß das Verhältnis des Durchmessers d des Ventilsitzes 7 zum Durchmesser D des Ventilkolbens 6 kleiner 0,45 ist. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt dieses Durchmesserverhältnis etwa 0,35. Durch die große Wirkfläche, die das Fluid auf der Seite der Steuerkammer 9 auf den Ventilkolben 6 ausübt, werden damit Öffnungskräfte aus Druckspitzen im Fluidbehälter überkompensiert, so daß bei derartigen Druckspitzen im Millisekundenbereich keine kurzfristige Öffnung des Ventils auftritt. Durch Wahl des geeigneten Durchmesserverhältnisses kann das Ventil den jeweiligen Anforderungen und Druckverhältnissen entsprechend gestaltet werden.
Darüber hinaus ermöglicht das dargestellte Entleerungsventil eine besonders schnelle Entleerung des Fluidbehälters, da es einen weiteren Fluiddurchlaß zum schnellen Ausströmen des Druckfluides aus der Steuerkammer beim Öffnen des Ventils aufweist. Dazu hat das Ventilgehäuse 1 einen Steuerkammersitz 15, auf dem der Ventilkolben 6 bei geschlossenem Ventil mit einer Steuerkammersitzdichtung 16 dichtend aufliegt. Diese Steuerkammersitzdichtung ist als statische Dichtung ausgebildet, d.h. sie hat nur im geschlossenen Zustand des Ventils Dichtfunktion, gibt bei geöffnetem Ventil hingegen einen Fluiddurchlaß frei. Dies ist insbesondere in den 3 und 4 sichtbar. Zwar sind bereits Doppelsitzventile bekannt, jedoch handelt es sich bei deren zweiter Dichtung um eine dynamische Dichtung, die an den Seitenwänden des Gehäuses eine Abdichtung zu dem Kolben in jeder Betriebsposition bewirkt. Derartige dynamische Dichtungen verschleißen extrem schnell, was bei der erfindungsgemäßen statischen Dichtung nicht der Fall ist, und geben auch keinen Fluiddurchlaß frei.
Bevorzugt sind der Steuerkammersitz 15 und der Ventilsitz 7 in derselben Ebene oder wie dargestellt in parallelen Ebenen angeordnet, daß so stets gleiche Kräfte auf die Dichtungen wirken. Der Steuerkammersitz 15 umgibt den Ventilsitz 7 vorzugsweise konzentrisch. Dies hat fertigungstechnische Vorteile durch drehsymmetrische Teile und verhindert ein Verkanten des Ventilkolbens.
Wie in den 3 und 4 dargestellt, öffnet die Abdichtung der Steuerkammer 9 zwischen Steuerkammersitz 15 und Steuerkammersitzdichtung 16 unmittelbar gleichzeitig mit dem Öffnen zwischen Ventilsitz 7 und Ventildichtung 8. Wird die Pilotöffnung 5 daher durch das nicht dargestellte Pilotventil freigegeben, kann eine schnelle Entleerung der Steuerkammer 9 nicht nur durch die sich am Pilotventil gegenüber der Darstellung noch erheblich verkleinernde Pilotöffnung 5 erfolgen, sondern das Fluid strömt auch aus der Steuerkammer 9 entlang des in 4 mit Pfeilen 20 symbolisierten Fluiddurchlasses direkt zur Ausströmöffnung 3. Durch das schnell aus der Steuerkammer 9 entweichende Fluid kann somit auch das gesamte Ventil extrem schnell öffnen, wodurch die Entleerung des Fluidbehälters erheblich beschleunigt wird. Bei dem dargestellten Entleerungsventil ist dadurch beispielsweise eine Entleerung von fünf Litern Druckluft aus dem Fluidbehälter innerhalb von 30 Millisekunden möglich.
Das erfindungsgemäße Entleerungsventil zeichnet sich insgesamt durch eine kompakte Bauweise, hohe Dichtigkeit, hohe Durchflußleistung und sehr kurze Öffnungszeiten bzw. Schaltzeiten aus, wobei nur eine niedrige Steuerenergie notwendig ist. Die Teilentlüftung des Steuervolumens im Ventil selbst sorgt im Bedarfsfall für extrem schnelle Entleerung des angeschlossenen Fluidbehälters.

Claims

Entleerungsventil zur Steuerung der Entleerung von Fluidbehältern, mit einem Ventilkolben (6) und einem diesen umgebenden Ventilgehäuse (1) mit einer Ausströmöffnung (3) und einer behälterseitigen mittig zu dem Ventilkolben (6) angeordneten Anströmöffnung (2), um die herum sich ein Ventilsitz (7) erstreckt, sowie einer durch das Ventilgehäuse 1) ausgebildeten Steuerkammer (9), die über wenigstens eine Drossel (10) in dem Ventilkolben (6) mit der Anströmöffnung (2) verbunden ist, gekennzeichnet durch ein Verhältnis des Durchmessers (d) des Ventilsitzes (7) zu dem Durchmesser (D) des Ventilkolbens (6) kleiner 0,45 und einen Steuerkammersitz (15), auf dem der Ventilkolben (6) bei geschlossenem Ventil mit einer Steuerkammer-Sitzdichtung (16) die Steuerkammer (9) verschließend aufliegt.
Entleerungsventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Verhältnis des Durchmessers (d) des Ventilsitzes (7) zu dem Durchmesser (D) des Ventilkolbens (6) kleiner 0,40, vorzugsweise von etwa 0,35.
Entleerungsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen die Steuerkammer (9) mit der Ausströmöffnung (3) bei geöffnetem Ventil zusätzlich zu der Drossel (10) verbindenden Fluiddurchlaß (20).
Entleerungsventil nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Anordnung des Steuerkammersitzes (15) und der Steuerkammer-Sitzdichtung (16) derart, daß der Fluiddurchlaß (20) gleichzeitig mit dem Ventil öffnet.
Entleerungsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkammer-Sitzdichtung (16) als statische Dichtung ausgebildet ist.
Entleerungsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerkammersitz (15) und Ventilsitz (7) in derselben Ebene oder parallelen Ebenen angeordnet sind.
Entleerungsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkammersitz (15) den Ventilsitz (7) konzentrisch umgibt.