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Die
Erfindung betrifft automatische Steuerventile, die entweder von
einem elektrischen oder einem pneumatischen modulierenden Signal
betätigt werden,
um sehr kleine Durchflußraten
zu steuern, wie das beim Betrieb von Pilotanlagen in der chemischen
oder petrochemischen Industrie üblich
ist. Steuerventile, die derzeit für diese Zwecke verwendet werden,
sind entweder von der Kurzhub-Bauart mit einem Verschlußstück bzw.
Ventilzapfen vom Nadeltyp oder von der Langhub-Bauart mit zylindrischem
Ventilzapfen mit präzisionsbearbeiteten
Ritzen in Längsrichtung,
die allgemein als Ventilzapfen mit Miniaturkeilnuten bezeichnet
werden. Beide Bauarten weisen einige Probleme auf. Der Ventilzapfen vom
Nadeltyp ist gewöhnlich
auf einen Konuswinkel von 30° beschränkt, um
ein Selbstklemmen in der Bohrung des Ventilsitzrings zu vermeiden.
Dadurch wird wiederum der Hub verkürzt, wenn kleine Öffnungsgrößen verlangt
werden. Beispielsweise ist der maximale nutzbare Hub für die Steuerung bei
einer Öffnung
von 0,79 mm nur 1,397 mm, d. h. er ist viel zu kurz, um irgendeine
signifikante Positioniergenauigkeit mit herkömmlichen Betätigungseinrichtungen zu
erzielen. Ein weiterer Nachteil ist die sehr starke Kavitationstendenz
von Fluiden bei Nadelventilzapfen, was in einer vorzeitigen Zerstörung der
Ventilteile resultiert.
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Die
mit Miniaturkeilnuten versehenen Ventilzapfen verlangen eine extrem
genaue Bearbeitung von Keilnuten mit Tiefen von weniger als 0,0254
mm. Die kleinste steuerbare Fläche,
die die niedrigste regelbare Durchflußrate begrenzt, ist durch das
radiale Spiel zwischen dem Außendurchmesser
des Ventilzapfens und der Drosselbohrung gegeben. Bei einem normalen
radialen Spiel von 0,0063 mm ist die kleinste steuerbare Fläche eines
solchen, einen Durchmesser von 6,35 mm aufweisenden Ventilzapfens
1,29032 × 10–7 m2 oder 25% der maximalen Fläche einer
Drosselöffnung
mit einem Durchmesser von 0,79 mm, so daß das Verhältnis der größten zur kleinsten
Steuerfläche
bzw. das Stellverhältnis
kleiner als 4:1 ist.
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Dagegen
verringert die vorliegende Erfindung die Größe des radialen Spiels um den
Ventilzapfen herum auf praktisch Null durch die Verwendung eines
federbelasteten und radial verformbaren Kunststoff-Ventilsitzrings,
der in der geschlossenen oder nahezu geschlossenen Ventilposition
mit Hilfe einer Vorspanneinrichtung, um den Ventilzapfen herum zusammengepreßt wird.
Das bedeutet eine wesentliche Verbesserung gegenüber der eigenen
US 3 997 141 A , bei der kein
weicher Ventilsitz und damit keine dichte Absperrfähigkeit
vorhanden ist.
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Das
letztgenannte Merkmal ist von Bedeutung, wenn extrem kleine Durchflußraten gasförmiger Medien
gesteuert werden müssen.
Beispielsweise kann der Verluststrom einer Metall/Metall-Nadeljustierung
mit einem Durchmesser von 6,35 mm ohne weiteres 10 cm3/min
bei einem Luftdruckabfall von 689,5 kPa überschreiten, was durchaus
in dem Steuerbereich vieler Anwendungen für kleine Durchflußventile
liegt.
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Das
Erreichen eines dichten Absperrens von Ventilen, die mit einem hohen
Druck von 6895 kPa oder höher
arbeiten müssen,
war für
den Ventilkonstrukteur schon immer eine Herausforderung. Eine erfolgreiche
Möglichkeit
dazu ist in der eigenen
US
3 809 362 A gezeigt. Dabei wird nach einem Metall/Metall-Kontakt
zwischen einem Ventilzapfen und einer beweglichen Dichtung ein Kunststoff
wie etwa PTFE mit einer sehr hohen Druckrate unter Kompression gesetzt,
so daß der
Kunststoff zu fließen
beginnt, wodurch ein hochviskoses Dichtungsmittel zwischen dem Fluiddruck
und dem Ventilauslaß erhalten
wird. Diese Lösung
ist zwar sehr wirkungsvoll, sie kann jedoch nicht auf Ventilzapfen
heruntergerechnet werden, die einen kleineren Durchmesser als ca.
12,7 mm haben.
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Eine
weitere Möglichkeit
ist aus der
DE 970533
B bekannt, die ein Steuerventil mit einer Dichteinheit
offenbart, die einen Ringkörper
mit einem Flansch, einen mittleren O-Ring, sowie einen weiteren Ring mit
einer Durchflussöffnung
aufweist. Die beiden Ringe sowie der mittlere O-Ring sind in einer
Sackbohrung des Ventilgehäuses
koaxial angeordnet und gegen das Gehäuse im Bohrgrund durch einen
unteren O-Ring bzw. eine elastisch verformbare Ringscheibe abgedichtet.
Die Dichteinheit ist mittels einer Feder vorgespannt. Die in der
Dichteinheit geführte
Ventilstange umfasst im Bereich des Ventilsitzes einen Bund, der
in der Schließstellung
den unteren O-Ring komprimiert. Dabei wird das Dichtungselement
durch die Ventilstange direkt mit einer Axialkraft beaufschlagt,
so dass die gesamte Kraft zur Verformung des Dichtungselementes
durch die Ventilstange aufgebracht wird.
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Eine
Lösung
zum Auffinden einer funktionsfähigen
Alternative zu einem solchen Justiermechanismus ist durch die vorliegende
Erfindung gegeben, wobei eine Federkraft ein ringförmiges,
aus PTFE oder einem gleichartigen Kunststoff bestehendes Einsatzelement
unter Kompression setzt, wie in der Beschreibung im einzelnen erläutert wird.
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Beim
Stand der Technik können
immer dann gravierende Ausfluchtungsprobleme auftreten, wenn die
Bohrung des Ventilsitzrings nicht gemeinsam mit der Spindelführung bearbeitet
ist, wobei zu realisieren ist, daß das Spiel zwischen Ventilzapfen
und Ventilsitzbohrung nur 0,0051 mm betragen kann; zweitens kann
jede Berührung
zwischen dem Ventilsitzring und dem Gehäuse einen zusätzlichen
Verluststromweg für
das Prozeßfluid
zur Folge haben.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
diese Einschränkungen
insofern, als die Spindelführung
innerhalb des Packungsbereichs des Ventildeckels schwimmend angeordnet
ist. Das Vorsehen von radialem Spiel zwischen dem Äußeren der
Führung
und der Packungsbohrung erlaubt der Spindel, sich mit dem Ventilzapfen
und dem Mittelpunkt des Ventilsitzrings selbst auszufluchten, wonach
die Spindelpackung mit Druck beauf schlagt wird, um in der richtigen
Position jeder Führungsbuchse
in bezug auf die Mitte des Ventilzapfens arretiert zu werden.
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Ein
häufiges
Problem bei federbeaufschlagten Membranbetätigungseinrichtungen besteht
darin, daß bei
der Demontage die Federbelastung plötzlich aufgehoben wird, was
ein Sicherheitsrisiko darstellt. Durch die Erfindung wird eine neue
Einrichtung angegeben, um die Feder zurückzuhalten und das Problem
dadurch zu überwinden.
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Eine
andere Möglichkeit
zur Vermeidung von großer
Reibung besteht darin, die Ventilspindel von der Spindel der Betätigungseinrichtung
getrennt vorzusehen. Auf diese Weise kann sich die Ventilspindel von
der Mitte der Betätigungseinrichtung
radial wegbewegen (bedingt durch normale Fehlausfluchtung der Maschine),
wodurch Biegekräfte
vermieden werden, die Reibung verursachen. Zu diesem Zweck bringt
die Betätigungseinrichtung
nur eine Abwärtskraft
auf, während
eine Rückstellfeder,
die an dem Vorderende der Ventilspindel angebracht ist, diese nach
oben zieht und engen Kontakt mit der Spindel einer Betätigungseinrichtung
hält. Außerdem wurde eine
Möglichkeit
gefunden, um die anfängliche
Bewegungsposition oder Nulleinstellung der Betätigungseinrichtung einzustellen,
ohne auf in sie eindringende Hebel oder Justierschrauben zurückzugreifen,
bei denen die Gefahr von Undichtheiten besteht und die erheblich
zu den Ventilkosten beitragen.
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Die
Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und
Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen
in:
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1 eine
zentrale Querschnittsansicht des Ventils nach der Erfindung mit
einem Ventilzapfen, der para bolische Konturen hat und in der geschlossenen
Position gezeigt ist;
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2 einen
vergrößerten Querschnitt
des oberen zentralen Bereichs des Ventils nach der Erfindung mit
einer Ventilspindelführung,
einer Packung und einer Federanordnung;
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3 einen
vergrößerten Querschnitt
der zentralen Teile des Ventils nach der Erfindung mit einem Ventilzapfen,
der Spitzkerben-Kontur hat und in der offenen Position ist;
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4 einen
zentralen Querschnitt des Ventils nach der Erfindung, wobei an der
Betätigungseinrichtung
eine Positioniereinrichtung angebracht ist, und mit einem Ventilzapfen,
der parabolische Kontur hat und in der geschlossenen Stellung gezeigt
ist; und
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5 einen
vergrößerten Querschnitt
des zentralen Bereichs des Ventils nach der Erfindung mit einem
Ventilzapfen mit Spitzkerben-Kontur, der in der offenen Position
ist und in dem Drosselelement geführt ist.
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Gemäß 1 weist
das Durchflußsteuerventil
ein Gehäuse 3 auf,
das eine Einlaßbohrung 4 mit
Innengewinde und eine gleichartige Auslaßbohrung 5 hat, die
ein Fluid in einem Rohrleitungssystem miteinander verbinden können. Das
Gehäuse 3 hat einen
vertikalen Kanal 6 mit einer kleineren, ein Innengewinde
aufweisenden Verlängerung 7.
Dieser Gewindebereich legt einen Drosselkörper 8 fest, der einen
zentralen abgestuften Kanal hat, der einen erweiterten Führungsdurchmesser 10,
einen stufenförmig
verkleinerten Durchmesserbereich 11 und eine untere Ventilsitzringbohrung 12 hat.
Eine Schulter 13 ist mit kleinerem Spiel angeordnet, so
daß sie in
dem Bereich 11 mit stufenförmig verkleinertem Durchmesser
gleitet, ein Dichtungsring 14, der aus einem verformbaren
Material wie PTFE besteht, ist zwischen der Schulter 13 und
der letzten Schulter 15 des Bereichs 11 mit stufenförmig verkleinertem
Durchmesser angeordnet. Ein zylindrischer Ventilzapfen 16, der
einen vergrößerten Kopfbereich 17 hat,
ist mit ganz geringem Spiel in die Ventilsitzringbohrung 12 eingesetzt.
Dieser Ventilzapfen hat ferner einen Ventilsitzbereich 19 und
einen Fluidsteuerbereich 20 mit noch kleinerem Durchmesser.
In der geschlossenen Ventilposition ist der obere Durchmesserteil
des Fluidsteuerbereichs 20 in engem Durchmesserkontakt mit
der Bohrung der Schulter 13 und des Dichtungsrings 14 und
schließlich
der Bohrung 12 des Ventilsitzrings 12. Der Ventilsitzbereich 19 ist
so ausgelegt, daß er
den oberen Bereich der Schulter 13 mit Druck beaufschlagen
und somit den Dichtungsring 14 zusammendrücken kann.
Dadurch wird der Durchmesser des Dichtungsrings 14 zwangsläufig verkleinert, bis
ein inniger Kontakt mit dem oberen Außendurchmesser entlang der
Distanz "1" des unteren Fluidsteuerbereichs 20 erreicht
ist, so daß ein
Leckstrom von der Hochdruck-Einlaßbohrung 4 zu der
Niederdruck-Auslaßbohrung 5 verhindert
wird. Die Schulter 13 hat eine allmählich sich erweiternde obere Öffnung entlang
einem Winkel α,
um Fluid zu leiten, das durch eine Kerbe 45 kommt, und
zwar beispielsweise immer dann, wenn der Ventilweg die Distanz "l" überschreitet.
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Im
normalen Offenzustand des Ventils ist der Ventilzapfen 16 in
der oberen Position, die in 3 gezeigt
ist. Dabei wird von einer Kombination aus Rückhaltering/Rundwellenfeder 21,
die in einer Nut 21a angeordnet ist, eine Kraft auf die
Schulter 13 und damit auf den Dichtungsring 14 aufgebracht.
Diese Kraft genügt
zwar nicht zur Absperruung, reicht aber aus, um einen engen Kontakt
zwischen dem Dichtring 14 und dem Fluidsteuerbereich 20 aufrechtzuerhalten,
so daß ein
Durchfluß in
dem Spielraum zwischen dem Ventilzapfen und dem Dichtring in der Kurzhubposition
verhindert wird.
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Die
Ventilspindel 28 ist innerhalb der Grenzen des Ventildeckels 23 von
zwei Führungsbuchsen 40 geführt, die
jeweils einen verbreiterten Schulterbereich 41 haben, dessen äußerstes
Ende in innigem Kontakt mit der Spindelpackung 27 ist.
Sowohl der Hauptdurchmesser der Führungsbuchsen als auch der
Durchmesser des verbreiterten Schulterbereichs 41 sind
mit einem großzügig bemessenen
radialen Spiel "S" in bezug auf die
Haltebohrungen bzw. die Packungsbohrung 42 versehen. Bei
der Montage wird der Ventilzapfen 16 in die Bohrung 12 des
Ventilsitzrings eingeführt,
wodurch die Spindel 28 automatisch in der gleichen konzentrischen
Position plaziert wird, die die Mitte der Packungsbohrung 42 sein kann
oder auch nicht. Beide Führungsbuchsen 40 passen
sich jedoch an diese "korrekte" Mittelachse an,
indem sie innerhalb des Spiels "S" seitlich in die richtige
Position gleiten. Diese neu gefundene Position wird dann durch Anziehen
der Packungsmutter 37 festgelegt, wodurch die Spindelpackung 27 ausreichend
verformt wird, um beide Führungsbuchsen
in ihrer Position festzulegen und gleichzeitig die Spindel abzudichten.
Zum Schließen
des vertikalen Ventilkörperkanals 6 wird
der Deckel 23 verwendet, der über eine geeignete Dichtung 24,
die von einer Reihe von Bolzen 25 mit Druck beaufschlagt
wird, dicht an dem Gehäuse
festgelegt ist.
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Der
Deckel 23 hat einen oberen Gewindebereich 26,
in dem eine Ventilpackung 27 und eine Ventilspindel 28 enthalten
sind. Eine Betätigungseinrichtung 29 hat
einen unteren Jochbereich 30, der mit dem Gewindebereich 26 in
Gleiteingriff ist, wobei der untere, eine Bohrung aufweisende Ansatz 31 zwei abgeflachte
Flächen 32 hat.
Der Ansatz 31 ist durch zwei Muttern 33 im Abstand
gehalten und festgelegt. Ferner hat die Betätigungseinrichtung 29 eine
Zylinderbohrung 34, in der ein Kolben 35 aufgenommen ist,
der durch Druckluft, die die Kraft einer Rückholfeder 36 überwindet,
nach oben bewegt werden kann. Der Kolben 35, der von einer
Rollmembran 44 abgedichtet wird, kann sich durch Zusammendrücken der Feder 36 nach
oben bewegen. Das ermöglicht
der Spindel 28, sich aufgrund der Kompressionskraft einer
Feder 22 die in einer Packungsmutter 37 festgelegt
und an der Spindel 28 über
eine Beilegscheibe 39 und einen Sicherungsring 39 angebracht
ist, und des Fluiddrucks, der auf die Querschnittsfläche der Drosselbohrung 12 wirkt,
nach oben zu bewegen, was dem Ventilzapfen 16 ermöglicht,
sich nach oben zu bewegen und Fluid durch die Querschnittsfläche einer äußeren Keilnut 45 an
dem Dichtring 14 vorbei und in die Auslaßbohrung 5 durchzulassen.
Bei der in 1 gezeigten Konfiguration hat
der Fluidsteuerbereich 20 parabolische Gestalt, was für die größeren Durchflußleistungen,
die mit dem angegebenen Ventil angewandt werden, geeignet ist. Es
ist zu beachten, daß der
untere Fortsatz 35a des Kolbens 35 eine untere
Aussparung 46 hat, die ein ausreichendes radiales Spiel
mit der Spindel 28 ermöglicht.
Um die Kraft der Rückholfeder 36 aufrechtzuerhalten,
die normalerweise vorkomprimiert ist, um eine Minimalkraft zum Schließen des
Ventils zu liefern, wenn kein Luftsignal anliegt, hat der Kolben 35 einen
oberen Rand 47 mit einem abgerundeten Greifbereich 48. Die
Zylinderbohrung 34 hat außerdem eine Nut 49,
in der ein kreisrunder Sicherungsring 50 sitzt. Beim Entfernen
von Bolzen 51 trennt sich der oberen Bereich 52 der
Betätigungseinrichtung 29 von
dem Joch 30, und infolgedessen dehnt sich die Feder 36 über eine kurze
Distanz aus, bis der Greifbereich 48 des Kolbens 35 den
Sicherungsring 50 berührt,
wodurch ein weiteres Ausdehnen der Feder 36 gehemmt wird.
Die Gestalt des oberen Rands 47 ist so ausgelegt, daß sie nach
Herstellen des Kontakts mit der Innenseite des Sicherungsrings 50 in
Eingriff gelangt, so daß dadurch
jede ungewollte oder gewollte Entnahme des Sicherungsrings 50,
die sich als sehr gefährlich
erweisen würde,
aktiv verhindert wird.
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Gemäß 4 hat
die Betätigungseinrichtung 29 außerdem eine
Zylinderbohrung 34, die einen Kolben 35 enthält, der
durch Druckluft unter Überwindung
der Kraft einer Rückholfeder 36 nach oben
bewegt werden kann. An dem oberen Ende der Zylin derbohrung 34 befindet
sich eine Positioniereinrichtung 52 mit einem darin angeordneten
Dreiwegeventil 53, das ein Druckluftsignal von Druckluft,
die einer Bohrung 54 zugeführt wird, erzeugen kann. Dieses
Signal wird durch eine horizontale Bohrung 55 in ein oder
mehr Bolzenbohrungen 56 geleitet, die ausreichend größere Durchmesser
als darin enthaltene Bolzen 57 haben und fähig sind,
sowohl die Positioniereinrichtung 52 als auch die Zylinderbohrung 34 auf
den unteren Jochbereich 30 zu pressen. Somit kann das von
dem Dreiwegeventil 53 erzeugte Druckluftsignal durch die
Bohrung 54 und die Bolzenbohrung 56 sowie eine
Entnahmebohrung 58 in den unteren Hohlraum unter dem Kolben 35 gelangen, der
von einer Rollmembran 44 abgedichtet und nunmehr in der
Lage ist, sich durch Kompression der Feder 36 aufwärts zu bewegen.
Das ermöglicht
der Spindel 28, sich infolge der Druckkraft der Feder 21 und
des Fluiddrucks, der auf die Querschnittsfläche der Drosselöffnung 12 wirkt,
nach oben zu bewegen, so daß sich
der Ventilzapfen 16 nach oben bewegen kann und Fluid durch
die Querschnittsfläche
einer äußeren Keilnut 45 an dem Dichtring 14 vorbei
und in die Auslaßbohrung 5 durchlassen
kann. Bei der in 4 gezeigten Konfiguration hat
der Fluidsteuerbereich 20 parabolische Gestalt, die für die größere Durchflußleistung
geeignet ist, die bei dem angegebenen Ventil zur Anwendung kommt.
Dabei ist eine Druckfeder 21 zwischen der Schulter 13 und
einem Kopfbereich 17 des Ventilzapfens 18 sowie
dort, wo der Kopfbereich 17 in der Bohrung 10 des
Drosselelements 8 geführt
ist, angeordnet.
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Die
Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform
beschrieben, aber das soll keine Einschränkung bedeuten. Beispielsweise
kann der Ventildeckel 23, anstatt mit Bolzen an dem Gehäuse 3 festgelegt
zu sein, ebenso gut mit dem Gehäuse 3 in
Schraubeingriff sein, und anstatt daß die Ventilspindel 28 von
dem Kolben 35 abnehmbar ist, könnten beide, falls gewünscht, permanent
miteinander verbunden sein, während
die Spindel 28 und der Ventilzap fenbereich 17 in Schraubeingriff
sein könnten.
Auch könnten
die Ein- und Auslaßbohrungen
vertauscht sein, um die Durchflußrichtung umzukehren, falls
das gewünscht wird.