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Schnell öffnendes und schließendes Ventil für gasförmige Strömungsmittel
Die Erfindung betrifft ein Ventil, das von einem gasförmigen Strömungsmittel, z.
B. der Raumluft in der Klimaanlage eines Flugzeugs, betätigt wird und den Durchfluß
dieses Strömungsmittels steuert.
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Solche Ventile sind bekannt, bei denen beiderseits des Ventilverschlußstückes
an dessen Betätigungsstange öffnungs- bzw. Schließkolben vorgesehen sind, von denen
der Öffnungskolben auf seiner von dem Ventilverschlußstück abgewandten Seite über
ein Dreiwegeventil wahlweise mit dem Druck des Ventileinlasses oder einer drucklosen
Rückflußleitung beaufschlagbar ist, während seine andere Seite dem Druck des Ventilauslasses
ausgesetzt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, ein solches Ventil so auszubilden,
daß bei Bedienung des Dreiwegeventils möglichst schnell eine die Öffnungs- bzw.
Schließbewegung des Ventils bewirkende Druckdifferenz erzeugt wird, ohne daß eine
Entlüftungsanordnung des Ventils vergrößert werden muß.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die den Schließkolben
aufnehmende Kammer auf der vom Verschlußstück abgewandten Seite des Kolbens über
eine Drosselstelle mit dem Ventilauslaß und auf der anderen Seite des Kolbens mit
dem Ventileinlaß in Verbindung steht, daß der öffnungs- und der Schließkolben gleich
große Kolbenflächen aufweisen und daß die dem Druck des Ventileinlasses ausgesetzte
Seite des geschlossenen Ventilverschlußstückes eine größere Fläche aufweist als
jeder der beiden Kolben.
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Diese Konstruktion hat gegenüber dem Stand der Technik unter anderem
den Vorteil, daß eine bei einem bekannten Ventil dieser Art verwandte Schließfeder
überflüssig wird. Eine Schließfeder vermag das Schließen des Ventils zu beschleunigen.
Andererseits muß ihre Kraft beim Öffnen des Ventils überwunden werden, so daß die
Schließfeder gleichzeitig auch das Öffnen des Ventils verzögert. Die Erfindung ermöglicht
ein schnelles Öffnen und Schließen des Ventils ohne Schließfeder und ohne Vergrößerung
der Zuleitung.
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Ventils.
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Das Ventil liegt in einer Leitung mit einem Einlaß 50 und einem Auslaß
52, durch den ein Strömungsmittel von links nach rechts, z. B. zu einer Düse 54,
fließt. Im Leitungsweg liegt das Ventilverschlußstück 56, mit dem der Durchtritt
des Strömungsmittels wahlweise freigegeben und unterbrochen wird.
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Das Ventilverschlußstück 56 ist in einem Gehäuse 58 angeordnet und
wird durch das Strömungsmittel in die Öffnungsstellung bewegt und durch eine Feder
64 in der Schließstellung unter einen Ruhedruck gesetzt. In der Schließstellung
liegt es auf einem Sitz 59 auf. Das Ventilverschlußstück 56 ist über eine Betätigungsstange
mit dem öffnungs- und Schließkolben 60 bzw. 62 verbunden. Oberhalb des Öffnungskolbens
60 befindet sich die Kammer K2,. und das in dieser Kammer vorhandene Strömungsmittel
drückt das Ventilverschlußstück 56 in die Öffnungsstellung. Unterhalb des Öffnungskolbens
60 befindet sich die Kammer K3. Zwischen Ventilverschlußstück 56 und Schließkolben
62 befindet sich die EinlaßkammerK4. Eine FederkammerK5, die die Feder 64 enthält,
befindet sich unterhalb des Schließkolbens 62. Der Auslaß 52 ist an die AuslaßkammerK3
angeschlossen. Beim Schließen des Ventilverschlußstückes 56 wird die Feder 64 durch
das Strömungsmittel unterstützt, das in die Federkammer K5 aus dem Auslaß 52 durch
eine Leitung 66 eingeführt wird, die eine Drosselstelle 68 enthält, die vermeidet,
daß in der Kammer K5 plötzliche Druckänderungen auf Grund von Druckänderungen im
Auslaß 52 auftreten. Die Drosselstelle 68
verzögert somit den Aufbau'
und ;dgn -.Abbau des Druckes in der Kammer K 5.
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Der Druck zum Öffnen des Ventilverschlußstückes 56 wird vom Strömungsmittel
im Einlaß 50 abgenommen. Dies erfolgt über die Leitungen10, 72, die den Einlaß 50
mit der Kammer K 2. verbinden. - Ein durch eine Magnetspule betätigtes Dreiwegeventil
74 liegt zwischen den Leitungen 70, 72 -und- enthält ein kugelförmiges Verschlußstück
76, das zum- Öffnen der Leitungen 70, 72 durch die Magnetspüle 78 betätigt wird,
wobei gleichzeitig die Entlüftungsöffnung im oberen Teil der Dreiwegeventils 74
geschlossen wird. Zum Schließen der Leitungen 70, 72 und zum gleichzeitigen Öffnen
der Entlüftungsöffnung wird es durch eine Feder 80 unter einen Ruhedruck
gesetzt.
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Das Ventilverschlußstück 56 muß eine etwas größere Fläche als die
Kolben 60 und 62 haben, die unter sich gleiche Flächen haben. Dieser Unterschied
ist mit dem Buchstaben A bezeichnet. Der auf dieses kleine Flächenstück ausgeübte
Druck hält in der Hauptsache das Ventilverschlußstück 56 in der geschlossenen Stellung.
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Es sei angenommen, daß das Dreiwegeventi174 geschlossen ist und kein
Strömungsmittel in die Leitungen 50, 52 hereingelassen wird. Unter diesen Bedingungen
nehmen das Dreiwegeventi174 und das Ventilverschlußstück 56 die in den Figuren gezeigten
Stellungen ein. Die Feder 64 übt auf den Schließkolben 62 eine Kraft aus, die einem
Druck von 0,015 kg/mm2 entspricht. Es sei weiter angenommen, daß das Ventilverschlüßstück
56 eine Fläche von 190 mm2 und die Kolben 60 und 62 beide eine Fläche von 171 mm2
haben.
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Nun sei angenomen, daß am Einlaß 50 Strömungsmittel mit einem Druck
von 0,700 kg/mm2 eingelassen wird. Dies setzt die Einlaßkammer K4 unter einen Druck
von 0,700 kg/mm2, was eine nach oben gerichtete und auf das Ventilverschlußstück
56 wirkende Kraft hervorruft, die gleich 0,700 - A oder 0,700 kg/mm2 - 19 mm2 gleich
13,3 kg ist. Die gesamte auf das Ventilverschlußstück 56 wirkende Schließkraft beträgt
dann 13,3 kg -f- (171 mm2 0,015 kg/mm2) = 15,9 kg. Sämtliche Elemente behalten die
gezeigte Lage.
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Soll nun das Ventilverschlußstück 56 geöffnet werden, wird die. Spule
78 erregt und das Verschlußstück 76 in die die Entlüftungsöffnung schließende Stellung
bewegt, so daß aus dem Einlaß 50 Strömungsmittel in die Kammer K2 strömen kann.
In der Kammer K2 wird sich nun schnell ein Druck aufbauen, und dieser braucht nur
annähernd den Wert von 0,092 kg/mm2 zu erreichen, um das Ventilverschlußstück 56
gegen die es geschlossen haltende Kraft von 15,9 kg zu öffnen. Da die Kammer K2
mit Strömungsmittel unter einem Druck von 0,700 kg/mm2 aus dem Einlaß 50 gefüllt
wird, wird das Öffnen des Ventilverschlußstückes 56 sehr schnell vor sich gehen.
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Die schnelle Öffnungsbewegung wird durch Verringern des über dem Ventilverschlußstück
56 liegenden Druckunterschiedes oder des Druckunterschiedes zwischen den Kammern
K4 und K3 ,vergrößert. Zu Beginn beträgt dieser Druckunterschied 0,700 kg/mm2. Aber
schon beim Öffnen des Ventilverschlußstückes 56 erhöht sich der Druck in der Auslaßkammer
K3, und der eben erwähnte Druckunterschied sinkt. Dieser verminderte und nur auf
die Fläche A wirkende Druckunterschied verkleinert die ` gesamte noch *auf das Ventilverschlußstück
56 wirkende Schlleßkräft.
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Nach vollständiger Öffnung wird der auf das Ventilversehlußstück 56
wirkende und zwischen der Einlaßkammer K4 und _ der 4uslaßkammer K3 bestehende
Druckabfall auf einen Minimalwert herabgesetzt. In einem praktischen Fall kann der
Druckabfall in der Größenordnung von 0,038 kg/mm2 liegen. Der Druck in der Auslaßkammer
K3 und im Auslaß 52 kann dann einen Wert bis zu 0,662 kg/mm2 annehmen. In diesem
praktischen Beispiel wird die das Ventilverschlußstück 56 offenhaltende Kraft durch
.den .Druckunterschied von. 0,038 kg/mm2 hervorgerufen, der sich aus dem in der
Kammer K2 herrschenden Druck von 0,700 kg/mm9 und.dem in der Kammer K 3 herrschenden
Druck von 0,662 kg/mm2 zusammensetzt. Die auf das Ventilverschlußstück 56 in Schließrichtung
wirkende Kraft stammt nur noch von der Feder 64 und entspricht einem Druck von 0,015
kg/mm2.
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Die Feder 64 kann weggelassen werden. Das heißt, daß bei herausgenommener
Feder 64 der auf das Ventilverschlußstück 56 wirkende Druckunterschied auf Null
herabgesetzt werden kann und keine Kraft vorhanden ist, die es öffnet oder schließt.
Unbeabsichtigt wird sich das Ventilverschlußstück 56 jedoch nicht aus seiner Öffnungsstellung
bewegen, da zwischen den auf den Kolben 60 und ¢2 angebrachten O-Ringen 82, 82 und
der Innenwand des Gehäuses 58 eine Reibung auftritt. Die zwischen den O-Ringen und
dem Gehäuse vorhandene Reibung erlaubt weiter, den auf das Ventilverschlußstück
56 einwirkenden Druckunterschied auf einen Wert herabzusetzen, der etwas unter 0,015
kg/mm2 liegt, selbst wenn eine Feder 64 mit einer Druckwirkung von 0,015 kg/mm2
verwendet wird, da die Reibung ein Schließen des Ventilschließgliedes 56 durch die
Federkraft vermeidet.
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Unabhängig davon, ob die Feder 64 verwendet wird oder nicht, wird
der in der Kammer K5 vorhandene Druck zum Schließen ausgenutzt. Dies ist dann der
Fall, wenn das Dreiwegeventil 74 die gezeigte Lage einnimmt und die Kammer K 2 mit
der Druckentlastungsöffnung verbunden wird. Der Druck in der Kammer K5 schließt
dann das Ventil. Der Druck in der Kammer K2 braucht dazu lediglich so weit herabgesetzt
zu werden. daß der Unterschied zwischen dem Druck der Kammer K2 und dem Druck in
der Kammer K 5 ausreicht, um Reibungskräfte zu überwinden. Man sieht, daß dieser
Druckunterschied sehr schnell den zum Schließen erforderlichen Wert erreicht, so
daß das Ventil sehr schnell schließt.
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Beim Schließen des Ventilverschlußstückes 56 nimmt der Druck in der
Auslaßkammer K 3 und dem Auslaß 52 ziemlich schnell ab. Wegen der Drosselstelle
68 in der Leitung 66 überträgt sich dieser Druckabfall aber nur langsam bis in die
Federkammer K 5. Der Druck in der Kammer K 5 reicht deshalb immer aus, um ein vollständiges
Schließen des Ventilverschlußstückes 56 zu gewährleisten.
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Das schnelle Schließen des Ventilverschlußstückes 56 wird durch den
Abfall des Druckes in der Auslaßkammer K3 und das sich hieraus ergebende Ansteigen
des Druckunterschiedes zwischen den Kammern K4 und K3 verbessert. Dieser auf die
Fläche A wirkende Druckunterschied drückt das Ventilverschlußstück 56 in die Schließstellung,
und nach vollständigem
Schließen hält dieser Druckunterschied (0,700
kg/mm2) das Ventilverschlußstück 56 mit oder ohne Feder 64 geschlossen.