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Schnellbetätigungsventil mit Kurbeltrieb Die Erfindung bezieht sich
auf ein schnell zu betätigendes Ventil, das insbesondere für unter sehr hohem Druck,
z. B. 300 at, stehende Medien bestimmt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil zu schaffen, das nicht nur
schnell, sondern auch mit geringen Kräften geöffnet und zuverlässig geschlossen
werden kann und dessen erforderliche Schließ- und Öffnungskräfte weitgehend unabhängig
vom Schließdruck bzw. Zuflußdruck sind.
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Diese Aufgabe wird bei einem Ventil mit Kurbeltrieb durch die Kombination
der folgenden an sich bekannten Merkmale gelöst: a) der in Strömungsrichtung öffnende,
kolbenartige Verschlußkörper ist auf seiner dem Zufluß abgewandten Seite über einen
Kanal vom Zuflußdruck beaufschlagt; b) die in Schließstellung vom Zufluß
unmittelbar beaufschlagte, von der Ventildichtung begrenzte Fläche ist kleiner als
die ebenfalls vom Zuflußdruck beaufschlagte Fläche auf der dem Zufluß abgekehrten
Seite; c) der Verschlußkörper ist durch einen bis zu einem Anschlag etwas über den
Totpunkt hinaus bewegbaren Kurbeltrieb verschiebbar; d) der Kurbeltrieb wird
bei geschlossenem Ventil durch eine Feder in die durch den Anschlag bestimmte Endlage
gedrückt.
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Die Feder, welche den Kurbeltrieb nach überschreiten des Totpunktes
gegen einen die Endlage bestimmenden Anschlag drückt, kann zwischen einem bei andersartigen
Ventilen bekannten, axial verschiebbaren Ventilsitz und dem Ventilgehäuse angeordnet
sein oder im Kurbeltrieb selbst.
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Das erfindungsgemäße Ventil hat den besonderen Vorteil, daß der gegen
den Zuflußdruck schließende bzw. in Durchflußrichtung öffnende Verschlußkörper vom
Zuflußdruck in Schließstellung gehalten wird und die vom Kurbeltrieb zu übertragenden
öffnungs-bzw. Schließkräfte weitgehend unabhängig vom Zuflußdruck sind. Das erfindungsgemäße
Ventil läßt sich deshalb leicht von fernliegenden Punkten aus mit einfachen mechanischen
Mitteln steuern. Das Ventil eignet sich u. a. für den Einsatz in Flugzeugen und
auch an Maschinen, an denen es starken Erschütterungen unterworfen ist, denn trotz
der geringen am Kurbeltrieb aufzuwendenden öffnungskräfte ist das Ventil in Schließstellung
sicher gesperrt.
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Bei unter Hochdruck stehenden Flüssigkeiten darf die Nachgiebigkeit
der Ventildichtung nicht zu groß sein, da sie andernfalls vom Flüssigkeitsdruck
verdrängt werden könnte. Ein ziemlich hartgradiger Gummi ist unter der Voraussetzung
geeignet, daß es sich nicht um eine Betriebsflüssigkeit handelt, die Gummi chemisch
angreifen würde. Die Ventildichtung muß eine ausreichende Nachgiebigkeit aufweisen,
um ein gutes Verschließen zu sichern und soll hart genug sein, um ein Verdrängen
zu vermeiden. Derartige Ventile können auch zur Regelung von Gasen, z. B. Stickstoff,
verwendet werden. Bei Wahl eines geeigneten elastischen Werkstoffes, z. B. eines
synthetischen Kautschuks von entsprechender Beständigkeit und Festigkeit kann das
Ventil auch für Brennflüssigkeiten, Öle oder solche Flüssigkeiten, die in hydraulischen
Anlagen Verwendung finden, benutzt werden. Bei Wahl eines geeigneten Schmiermittels
kann es auch für Sauerstoff gebraucht werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen senkrechten Längsschnitt,
F i g. 2 eine Detailansicht, F i g. 3 einen Querschnitt und F i
g. 4 einen waagerechten Längsschnitt eines in Schließstellung befindlichen
Ventils gemäß der Erfindung, F i g. 5 eine Ansicht gemäß F i g. 4
bei geöffneter Ventilstellung.
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Das Ventilgehäuse setzt sich aus einem scheibenartigen Mittelteil
11 und je einem glockenartigen, mit dem Mittelteil 11 dicht
verschraubten Eintritt-,-und Austrittsstutzen 42 und 47 zusammen. Der Vera schlußkörper
wird von einem Kolben 13 und einem daran befestigten Schließkopf
28 mit Dichtkörper 29
gebildet. Der Verschlußkörper
13, 28 wird von einer Exzenterwelle 15 mit stirnseitig angeordnetem
Exzenterzapfen 23 und von einer über einen Stift 25
am Kolben
13 angelenkten Koppel 24 in öffnungs-und Schließstellung gebracht. Das Mittelteil
11 des #!ciitilgeMuses weist eine Bohrung 12 auf, in welcher der Kolben
13 gleitet. über einen 0-Ring 14 ist der Kolben 13 in der Bohrung
12 abgedichtet. Die Exzenterwelle 15 ist rechtwinklig zur Bohrung 12 im Gehäusemittelteil
11 eingelassen und über O-Ringe 16 abgedichtet. Im Hinblick auf den
hohen Druck, der stirnseitig auf die Exzenterwelle 15 einwirken kann, sind
Wälzkörper 17 zwischen einer Schulter 18 der Exzenterwelle
15 und einem Lagerdeckel 19, der mittels Schrauben 21 auf dem Gehäusemittelteil
11 befestigt ist, vorgesehen.
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Die Bohrung 12 befindet sich in einer Hülse 22, die bis zu einem Bund
in eine Bohrung des Gehäusemittelteils 11 eingeschoben und von der Exzenterwelle
15 festgehalten ist. Das innere Stirnende der Welle 15 trägt einen
Exzenterzapfen 23, der in eine Bohrung der Koppel 24 eingreift, die um einen
Stift 25 schwenkbar mit dem Kolben 13 verbunden ist.
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Der Kolben 13 trägt zuflußseitig einen Gewindezapfen
26, auf den -eine Mutter 27 geschraubt ist, die den Schließkopf
28 und einen ringförmigen, elastischen Dichtkörper 29, z. B. ans Hartgummi,
hält. Zwischen dem Dichtkörper 29 und dem Schließkopf 28 ist zur Abdichtung
ein O-Ring 31 angeordnet. Die Dichtfläche des Dichtkörpers 29 reicht
nur wenig über die Oberflächen der Mutter 27 und des Schließkopfes
28 hinaus. Der Schließkopf 28 hat einen zylindrischen Fortsatz
32, der über eine bearbeitete Fläche 33 der Hülse 22 greift. Ein O-Ring
34 dichtet den Spalt zwischen dem Fortsatz 32 und der Hülse 22 ab. Auf diese
Weise ist zwischen dem Kolben 13,
dem Schließkopf 28 mit Fortsatz
32 und der Hülse 22 eine ringförnüge Kammer 35 entstanden, die über
Kanäle 36, 37 mit dem Zufluß 52 in Verbindung steht.
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Der Dichtkörper 29 arbeitet mit einer Sitzfläche
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zusammen, die ein Teil einer tassenförmigen Höhlung 39 eines axial
verschieblichen Ventilsitzes 41 ist. Dieser im Einlaßstutzen 42 des Ventils gleitende
Ventilsitz 41 ist gegen das Gehäuse abgedichtet. Im Ausführungsbeispiel trägt ein
Mittelzapfen, der in eine entsprechende Bohrung des Einlaßstutzens 42 hineinpaßt,
den Dichtring 43. Tellerfedem 45 drücken den Ventilsitz 41 zum Gehäusemittelteil
11 hin. Bei geöffnetem Ventil steht der Eintrittsstutzen 42 über die zentrale
Bohrung und der tassenförmigen Höhlung 39 des Ventilsitzes 41 und zwei ringteilförmige
Durchbrüche 46 im Gehäusemittelteil 11 mit dem Abflußstutzen 47 in Verbindung.
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An der Austrittsseite kann eine bessere Strömung dadurch erreicht
werden, daß eine halbkugelförmige Abdeckhaube 48 über dem abflußseitigen Ende der
Bohrung 12 angebracht wird. Die Abdeckhaube 48 ,wird von flanschartigen Ansätzen
49 zwischen dem Gehäusemittelteil 11 und dem Austrittsstutzen 47 gehalten.
Eine öffnung 51 in der Haube 48 verhindert das Ansammeln von Flüssigkeit,
die am Kolben 13
vorbeisickert.
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Wenn das Ventil geschlossen ist, wirkt der Zuflußdruck sowohl auf
die ringförmige Stimfläche 44 des Mittelzapfens als auch auf eine etwa entsprechend
große Fläche des Ventilsitzes 41 hinter dem Mittelzapfen. Gleichzeitig wirkt der
Zuflußdruck auf die dem Zufluß zugewandte, innerhalb der ringförinigen Sitzfläche
38 liegende Oberfläche des Verschlußkörpers 13, 26 bis 29 und
über die Kanäle 36, 37 auf die dem Zufluß abgewandte Ringfläche der Kammer
35.
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Der in der Kammer 35 auf die Ringfläche zwischen den Teilen
13 und 32 wirkende Zuflußdruck drängt den Verschlußkörper
13, 26 bis 29 in Schließstellung, d. h. gemäß F i
g. 1, 4 und 5 nach rechts ' während der unmittelbar innerhalb
der Sitzfläche 38 auf den Verschlußkörper 13, 26 bis 29 wirkende
Zuflußdruck bestrebt ist, den Verschlußkörper in entgegengesetzter Richtung zu bewegen,
d. h. zu öffnen. Da die Ringfläche in der Kammer 35 größer ist als
die Fläche innerhalb der Sitzfläche 38, wird bei geschlossenem Ventil der
Verschlußkörper vom Zuflußdruck in die Schließstellung gepreßt. Somit ist stets
eine Kraft vorhanden, die das Ventil geschlossen hält, gleichgültig wie hoch der
Zuflußdruck ist.-Der gegen den Zuflußdruck schließende Verschlußkörper
13, 26 bis 29 wird beim Schließen vom Kurbeltrieb 15, 23, 24,
25 gegen den Ventilsitz 41 bewegt. Kurz bevor der Kurbeltrieb seine Totpunktlage
erreicht, kommt der Dichtkörper 29 des Schließkörpers 28 zur Anlage
an die Sitzfläche 39 des axial beweglichen Ventilsitzes 41 und das Ventil
ist somit geschlossen. Weil nun nur noch die innerhalb der Sitzfläche
38 liegende kleine Fläche des Verschlußkörpers unmittelbar vom- Zuflußdruck
-beaufschlagt wird, hält der in der Kammer 35 wirkende Zuflußdruck den Verschlußkörper
in Schließstellung. Zur Verriegelung wird der- Kurbeltrieb zusammen mit dem Verschlußkörper
13, 26 bis 29 und dem axial verschiebbaren Ventilsitz 41 gegen die
Kraft der Feder 45 über den Totpunkt bewegt, bis die Exzenterwelle 15 mit
ihrer Nase 58 am Anschlag 53 anliegt. Bei geschlossenem Ventil wird
der Kurbeltrieb also von der Feder 45 in die durch den Anschlag 53 bestimmte
Endlage gedrückt.
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Der Schließdruck und die Kraft zum öffnen des Ventils sind unabhängig
voneinander. Durch geeignete Wahl der maßgebenden Durchmesser kann der Schließdruck
sowie das Öffnungsdrehmoment an der Exzenterwelle auf jeden gewünschten Wert, unabhängig
vom Zuflußdruck, eingestellt werden. Da die auf den Verschlußkörper 13, 28
wirkende Schließkraft in gleicher Richtung durch den Zuflußdruck in, der Ringkammer
35 unterstützt wird, ist es sogar möglich, die Koppel 24 unter Zugspannung
zu setzen, indem die auf den Verschlußkörper in der Schließrichtung wirkende Kraft
die Gegenkraft ein wenig überwiegt.
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Die Drehung der Exzenterwelle 15 ist auf etwa 180' beschränkt
(F i g. 2). Um das Ventil zu öffnen, muß gemäß den F i g. 3 und 4
die Exzenterwelle 15
entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht werden.
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Wie F i g. 2 zeigt, ist auf der Exzenterwelle 15
eine
Scheibe 18' mit einer Nase 52 befestigt, die gegen Anschläge
53, 54 anschlägt, welche in einer Platte 55 vorgesehen sind, die zwischen
dem Lagerdeckel 19 und dem Gehäusemittelteil 11 gehalten wird. Ein
Vorzug des dargestellten Antriebsmechanismus besteht darin, daß in der ersten Phase
des Öffnens der Exzenterzapfen 23 und die Koppel 24 mit äußerst großer mechanischer
Kraft arbeiten, so daß, selbst wenn der das Ventil zuhaltende Flüssigkeitsdruck
hoch ist, das Ventil dennoch durch die Anwendung eines geringen Drehmomentes auf
die Exzenterwelle geöffnet werden kann.
Nach einer sehr kleinen
Bewegung stützt sich der Ventilsitz 41 gegen das Gehäusemittelteil 11 ab.
Nun öffnet sich das Ventil und der in der Öffnungsrichtung wirkende Zuflußdruck
ist nicht mehr auf die Kreisfläche innerhalb des Sitzes 38 beschränkt, so
daß dieser in öffnungsrichtung wirkende Druck dem in der Ringkammer 35 entgegenwirkenden
Druck überwiegt.
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Wird die Exzenterwelle 15 weiter gedreht, um den Kolben
13 zurückzuziehen, so fließt das in der ringförmigen Kammer 35 befindliche
Medium durch die Kanäle 36, 37 ab.
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Ein besonderer Vorteil des axial verschiebbaren Ventilsitzes 41 und
der Feder 45 ist es, große Herstellungstoleranzen zu gewährleisten, da diese Teile
eine hohe Präzision der Lage des Dichtkörpers 29
bei geschlossenem Ventil
unnötig machen. Bei großen Ventilen kann die erforderliche Toleranz dadurch erreicht
werden, daß die Koppel 24 eine gewisse federbelastete Längenbeweglichkeit erhält.
In diesem Falle kann auf einen axialbeweglichen Ventilsitz 41 verzichtet werden.
Die zum Schließen des Ventils dienende und vom Druck in der Kammer 35 herrührende
Kraft kann durch entsprechende Wahl der Durchmesser der Teile 13, 32, 33
eine gewünschte Größe erhalten.
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Bei Einbau kurzer Federn in die Koppel 24 und bzw. oder von Anschlägen
zur Längenbregrenzung lassen sich Schwierigkeiten, hervorgerufen durch die Neigung
des Kolbens, hinter der Koppel nachzueilen, vermeiden.
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Die Erfindung kann zahlreiche Abwandlungen erfahren. So kann z. B.
der Dichtkörper 29 in einem über Federn 45 axial verschiebbaren Teil 41 und
der Ventilsitz am Kolben 13 befestigt sein.