DE19619703A1

DE19619703A1 - Ventil-Interface für ein Sitzventil

Info

Publication number: DE19619703A1
Application number: DE19619703A
Authority: DE
Inventors: Shannon G Grant
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1995-05-18
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 1996-11-21
Anticipated expiration: 2016-05-16
Also published as: JPH08320074A; US5533548A; JP3866327B2; DE19619703B4

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Hydraulik-Ventil der Sitzbauart und insbesondere auf das Interface bzw. die Schnittstelle zwischen dem Sitzelement und den Ventilsitz in einen Sitzventil.

Technischer Hintergrund

In bekannten Sitzventil-Anordnungen wird Strömungsmittel fluß-Geräusch erzeugt, da die Strömung über das Ventil-Interface verursacht, daß der statische Druck abfällt, wobei somit die Bildung von eingeschlossenen Blasen ver ursacht wird. Das Geräusch wird dadurch verursacht, daß die eingeschlossenen Blasen schnell zusammenfallen, wenn die Geschwindigkeit des Strömungsmittels über das Ventil-Interface schnell ansteigt und abnimmt. Wie wohlbekannt ist, erzeugt das Ventil-Interface eine Zumeß-Öffnung und die Geschwindigkeit der Strömung über die Zumeß-Öffnung steigt schnell an, wenn die Zumeß-Öffnungsgröße bzw. Strömungs-Querschnittsgröße abnimmt. Genauso ist die Ver größerung der Strömungsmittel-Geschwindigkeit dem stati schen Druckabfall darüber zugeordnet. Es ist auch be kannt, daß je heißer das Strömungsmittel, desto wahr scheinlicher sich Blasen bilden können, wenn das Strö mungsmittel über die Zumeß-Öffnung oder das Ventil-Interface fließt. Der Abfall des statischen Drucks tritt auch oft im Gebiet von scharfen Ecken oder Kanten auf. Es ist wünschenswert, den dynamischen Druck zu steuern, und die Strömungsmittel-Trennung von den Wänden zu vermeiden, um den statischen Druck über dem Dampfdruck am Ventil-Interface zu halten.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

In der vorliegenden Erfindung ist ein Ventil-Interface für ein Sitzventil vorgesehen und weist folgendes auf:
ein Gehäuse mit einer ersten Bohrung, eine kleinere zwei te Bohrung an einem Ende davon, und zwar mit einer abge winkelten bzw. Winkeloberfläche, die sich nach außen von der kleineren zweiten Bohrung zur ersten Bohrung er streckt, um einen Ventilsitz zu definieren, und ein Sit zelement, das gleitend in der ersten Bohrung des Gehäuses angeordnet ist, und einen Endteil mit einer Endoberfläche besitzt, eine abgewinkelte bzw. Winkeloberfläche, und zwar im allgemeinen benachbart zur Endoberfläche und eine konvex-konturierte bzw. geformte Oberfläche, die zwischen der Endoberfläche und der abgewinkelten Oberfläche ange ordnet ist.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Ventil-Interface in einem Sitzventil vor, das einen Interface- bzw. Schnitt stellen-Druck über dem Dampfdruck des Strömungsmittel-Flusses dadurch aufrecht erhält, um im wesentlichen das Geräusch im Sitzventil aufgrund der Strömung dadurch zu eliminieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine diagrammartige Darstellung eines Sitz ventils, das ein Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung verkörpert;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Sitzventils der Fig. 1, die ein Ventil-Interface der vorliegenden Erfindung veran schaulicht; und

Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht des Teils der Fig. 2, wobei die Elemente des Ventil-Interfaces voneinander beabstandet sind.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf die Fig. 1 der Zeichnungen ist ein Sitz ventil 10 veranschaulicht und weist folgendes auf: ein Gehäuse 12, ein Sitzelement 14, eine Feder 16, eine Fe derkammer 17 und ein Federhalteglied 18 mit einer Öffnung 20 darin definiert. Das Sitzelement 14 besitzt einen Au ßendurchmesser 22, einen Endteil 24, eine Gegenbohrung bzw. -senkung 26 und eine Vielzahl von Öffnungen 28. Der Endteil 24 besitzt eine Endoberfläche 30, eine konvex konturierte bzw. geformte Oberfläche 32, benachbart zur Endoberfläche 30 und eine Winkeloberfläche 34, die sich von der konvex-konturierten Oberfläche 32 zum Außendurch messer 22 davon erstreckt. Jedoch ist erkennbar, daß die Winkeloberfläche 34 kurz vor dem Außendurchmesser 22 en den könnte, und zwar durch eine Stufe oder eine andere Winkeloberfläche mit einem unterschiedlichen Winkel. Die Vielzahl von Öffnungen 28 ist im Sitzelement 14 zwischen dem Bereich der Winkeloberfläche 34 und der Senkung 26 definiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die konvex-konturierte Oberfläche 32 eine konvexe Spiral- bzw. Schraubenoberfläche, deren Radius mit der Länge an steigt. Es ist erkennbar, daß ein konstanter Radius ver wendet werden könnte, ohne vom Kern der Erfindung abzu weichen.

Das Gehäuse 12 besitzt eine erste Bohrung 40 und eine kleinere zweite Bohrung 42, die darin definiert ist, und zwar mit einer Winkeloberfläche 44, die sich von der kleineren zweiten Bohrung 42 zur ersten Bohrung 40 hin erstreckt. In der vorliegenden Anordnung ist die Win keloberfläche 44 mit der ersten Bohrung 40 verbunden. Je doch ist erkennbar, daß die Winkeloberfläche 44 kurz vor der ersten Bohrung 40 durch eine flache Oberfläche oder eine andere Winkeloberfläche mit einem unterschiedlichen Winkel enden könnte. Die zweite Bohrung 42 und die Win keloberfläche 44 arbeiten zusammen, um einen Ventilsitz 46 zu bilden. Eine zweite konvex-konturierte Oberfläche 50 ist am Ventilsitz 46 des Gehäuses 12 angeordnet, und zwar zwischen der kleineren zweiten Bohrung 42 und der Winkeloberfläche 44 davon. Im vorliegenden Ausführungs beispiel ist die zweite konvex-konturierte Oberfläche 32 eine konvexe Spiraloberfläche, bei der ihr Radius mit der Länge zunimmt. Es ist erkennbar, daß ein konstanter Radi us verwendet werden könnte, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Eine Strömungsmittelkammer 48 ist im Sitzventil 10 defi niert, und zwar durch den Endteil 24 des Sitzelementes 14, einen Bodenteil der ersten Bohrung 40 und der Win keloberfläche 44 des Gehäuses 12.

Die Feder 16 ist in der Federkammer 17 des Gehäuses 12 angeordnet, und zwar zwischen dem Boden der Senkung 26 des Sitzelementes 14 und dem Federhalteglied 18. Das Fe derhalteglied 18 ist im Gehäuse 12 in irgendeiner von verschiedenen bekannten Weisen gesichert bzw. befestigt, wie beispielsweise Schweißen, Preßpassung, gestiftet, eingeschraubt, usw.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist ein vergrößerter Teil des Ven tilsitzes 46 der Fig. 1 veranschaulicht. Wie oben be merkt, ist die erste konvex-konturierte Oberfläche 32 ei ne Spiraloberfläche mit einem sich kontinuierlich verän dernden Radius. In der vorliegenden Anordnung steigt der Radius der Oberfläche kontinuierlich in der Länge der Achse der Spirale, wenn die Kontur erzeugt wird. Ein Ende der ersten Spiraloberfläche 32 liegt tangential zur Endoberfläche 30, und das andere Ende davon liegt tangen tial mit der Winkeloberfläche 34. Der kürzeste Radius der ersten konvexen Spiraloberfläche 32 ist am Tangentenpunkt mit der Endoberfläche 30.

Die zweite konvex-konturierte Oberfläche 50 ist auch eine Spiraloberfläche mit einem sich kontinuierlich verändern den Radius. Ein Ende der zweiten konvexen Spiraloberflä che 50 liegt tangential an der kleineren zweiten Bohrung 42, und das andere Ende davon liegt tangential an der Winkeloberfläche 44 des Gehäuses 12. Der kürzeste Radius der zweiten konvexen Spiraloberfläche 50 liegt an dem Tangentenpunkt mit der kleineren zweiten Bohrung 42.

In der veranschaulichten geschlossenen Position berührt das Sitzelement 14 den Ventilsitz 46 im allgemeinen an einem Punkt in der Mitte zwischen den Enden der ersten konvexen Spiraloberfläche 32. Der mittlere Punkt entlang der ersten konvexen Spiraloberfläche 32 berührt den Ven tilsitz 46 im allgemeinen am Tangentenpunkt zwischen der zweiten konvexen Spiraloberfläche 50 und der Winkelober fläche 44 des Gehäuses 12.

Mit Bezug auf Fig. 3 ist das Sitzventil 14 an einer Po sition veranschaulicht, die vom Ventilsitz 46 beabstandet ist, wobei somit ein Strömungsmittelfluß dadurch gestat tet wird. Wie durch die gestrichelten Linien veranschau licht, die den Strömungsmittelfluß darstellen, stellt der Fluß dadurch eine Form einer Venturi-Düse dar, die effek tiv das Auftreten von lokalem niedrigem Druck verringert, der für die Bildung von Dampfblasen verantwortlich ist.

Es ist erkennbar, daß verschiedene Formen der vorliegen den Anordnung verwendet werden könnten, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise, auch wenn das vor liegende Ausführungsbeispiel ein einfaches in einer Linie liegendes bzw. In-Line-Rückschlagventil veranschaulicht, könnte die vorliegende Anordnung für viele Ventilbauarten verwendet werden, die ein Sitzelement 14 besitzen, das mit einem Ventilsitz 46 in Eingriff steht. Genauso, an statt des Vorsehens einer Vielzahl von Öffnungen 28 im Sitzelement 14, könnte ein anderer Anschluß, der mit der Strömungsmittelkammer 48 in Verbindung steht, zum Gehäuse 12 hinzugefügt werden, um einen Strömungsmittel-Durchlauf dadurch zu gestatten.

Industrielle Anwendbarkeit

Im Betrieb des vorliegenden Ausführungsbeispiels drückt die Feder 16 den Endteil 24 des Sitzelementes 14 gegen den Ventilsitz 46, um Strömungsmittelfluß aus der Strö mungsmittelkammer 48 zur kleineren zweiten Bohrung 42 zu blockieren. Irgendein unter Druck gesetztes Strömungsmit tel in der Federkammer fügt eine zusätzliche Kraft hinzu, die das Sitzelement 14 gegen den Ventilsitz 46 drückt, um eine positivere bzw. bessere Dichtung zwischen der Strö mungsmittelkammer 48 und der kleineren zweiten Bohrung 42 vorzusehen.

Wenn die Kraft, die vom Druck des Strömungsmittels in der kleineren zweiten Bohrung 42 erzeugt wird, der auf die Endoberfläche 30 des Sitzelementes 14 wirkt, die Summe der Kraft der Feder 16 und der Kraft des unter Druck ge setzten Strömungsmittels in der Federkammer 17 über schreitet, die auf das andere Ende des Sitzelementes 14 wirkt, beginnt das Sitzelement 14 sich vom Ventilsitz 46 wegzubewegen. Der Öffnungsgrad zwischen dem Sitzelement 14 und dem Ventilsitz 46 hängt stark vom Differenzdruck ab, der über das Ventil-Interface wirkt, und vom Volumen des Strömungsmittels, das darüber geleitet wird.

Wenn sich das Sitzelement 14 weg vom Ventilsitz 46 be wegt, wird eine kleine Zumeßöffnung für das Strömungsmit tel zum Darüberfließen erzeugt. Wie wohlbekannt ist, steigt die Geschwindigkeit des Strömungsmittels, das über bzw. durch die kleine Zumeß-Öffnung fließt, schnell. Je kleiner die Zumeß-Öffnung ist, desto größer ist die Strö mungsmittelgeschwindigkeit. Wie in Fig. 3 veranschaulicht, trennt sich der Fluß des Strömungsmittels in der vorliegenden Erfindung nicht von den Wänden. Dies ist der Tatsache zugeordnet, daß der Flußpfad bzw. Strömungsweg keine abrupten Richtungsänderungen besitzt. Wie veran schaulicht, ist das Gebiet bzw. die Fläche des Pfades, durch den das Strömungsmittel fließt, definiert durch die erste konvexe Spiraloberfläche 32 und den äußersten Teil 24 des Ventilsitzes 46. Im Gebiet des geringsten Quer schnittes bzw. der kleinsten Fläche ist die Geschwindig keit des Strömungsmittels auf ihrem Maximum. Wenn das Strömungsmittel aus dem Gebiet der kleinsten Fläche aus tritt, wird die Fläche des Flußpfades konstant erhöht, ohne irgendwelche abrupten Richtungsänderungen zu erfah ren. Wie oben bemerkt, haben abrupte Veränderungen der Richtung von Strömungsmitteln mit hoher Geschwindigkeit einen niedrigeren statischen Druck beim Ventil-Interface zur Folge. Durch das Aufrechterhalten des statischen Drucks über dem Dampfdruck wird das Geräusch, das durch den Fluß über das Ventil-Interface erzeugt wird, elimi niert oder zumindest stark verringert.

In einem Arbeitsbeispiel ist ein Sitzventil 10 mit einem Flußbereich von Null bis ungefähr 300 Litern/Min. (ungefähr 78 gpm) mit einer Differenz-Aufbrech- bzw. Dif ferenz-Crack-Druckeinstellung von ungefähr 1035 kPa (ungefähr 150 psi) verwendet worden. Der kleinste Radius der ersten konvexen Spiraloberfläche 32 ist in der Grö ßenordnung von ungefähr 2,80 mm (ungefähr 0,110 Inch) und steigt progressiv zum Tangentenpunkt mit der Winkelober fläche 34 des Sitzelementes 14. Der kleinste Radius auf der zweiten Spiraloberfläche 50 ist in der Größenordnung von ungefähr 1,80 mm (ungefähr 0,070 Inch) und steigt progressiv zum Tangentenpunkt mit der Winkeloberfläche 44 des Gehäuses 12. Es ist erkennbar, daß die oben erwähnten Größen von dem Dargelegten abweichen bzw. variieren kön nen, ohne vom Kern-der Erfindung abzuweichen. Genauso sei bemerkt, daß für Sitzventile mit unterschiedlichen Strö mungsanforderungen und/oder unterschiedlichen Differenz druckeinstellungen die Größen der ersten und zweiten kon vexen Oberflächen 32, 50 variiert werden können, um wir kungsvoller das Geräusch zu eliminieren, das von der Strömung über das Ventil-Interface erzeugt wird, oder es wesentlich zu reduzieren.

Im Hinblick auf das Vorangegangene ist es leicht offen sichtlich, daß das vorliegende Ventil-Interface ein Sitz ventil 10 vorsieht, das wirkt, um ein Geräusch, das durch Strömungsmittelfluß dadurch erzeugt wird, zu eliminieren oder wesentlich zu verringern.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche erhalten werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Ein Ventil-Interface ist zur Verwendung in einem Sitzven til vorgesehen. Das Ventil-Interface weist eine erste konvex-konturierte Oberfläche auf, die an einem Ende ei nes Sitzelementes angeordnet ist, und eine zweite konvex konturierte Oberfläche, die an einem Ventilsitz eines Ge häuses angeordnet ist. Wenn das Sitzelement auf dem Ven tilsitz sitzt, berührt die erste konvex-konturierte Ober fläche den Ventilsitz an oder im wesentlichen benachbart zur zweiten konvex-konturierten Oberfläche. Wenn das Sit zelement vom Ventilsitz beabstandet ist, um einen Strö mungsmittelfluß dadurch zu gestatten, hält die vorliegen de Anordnung einen Fluß dadurch aufrecht, der den stati schen Druck über den Dampfdruck hält, wobei somit ein Ge räusch, das vom Strömungsmittelfluß dadurch erzeugt wird, eliminiert oder wesentlich verringert wird.

Claims

1. Ventil-Interface bzw. Ventil-Schnittstelle für ein Sitzventil, welches folgendes aufweist:
ein Gehäuse mit einer ersten Bohrung, eine kleinere zweite Bohrung an einem Ende davon mit einer Winkelober fläche, die sich nach außen von der kleineren zweiten Bohrung erstreckt, und zwar zur ersten Bohrung hin, um einen Ventilsitz zu definieren;
ein Sitzelement, das gleitend in der ersten Bohrung des Gehäuses angeordnet ist, und das einen Endteil mit einer Endoberfläche, eine Winkeloberfläche, die im allge meinen benachbart zur Endoberfläche ist, und eine spiral konvex-konturierte Oberfläche besitzt, die zwischen der Endoberfläche und der Winkeloberfläche angeordnet ist.

2. Ventil-Interface nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Radius der konvexen Spiraloberfläche am Tangenten punkt mit der Endoberfläche des Sitzelementes am klein sten ist.

3. Ventil-Interface nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei eine Strömungsmittelkammer im Gehäuse definiert ist, und zwar durch die Winkeloberfläche im Gehäuse, die erste Bohrung und den Endteil des Sitzelementes.

4. Ventil-Interface nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei das Sitz element eine Gegenbohrung bzw. -senkung in seinem anderen Ende besitzt, und wobei eine Vielzahl von Öffnungen im Sitzelement zwischen der Strömungsmittelkammer und der Senkung definiert sind.

5. Ventil-Interface nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei ein Feder halteglied mit einer Öffnung darin im Gehäuse am Ende da von gesichert bzw. befestigt ist, und zwar gegenüberlie gend der kleineren zweiten Bohrung, und wobei eine Feder darin zwischen dem Boden der Senkung des Sitzelementes und dem Federhalteglied angeordnet ist.

6. Ventil-Interface nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, das eine zweite konvex-konturierte Oberfläche aufweist, die auf dem Ven tilsitz zwischen der kleineren zweiten Bohrung und ihrer Winkeloberfläche angeordnet ist.

7. Ventil-Interface nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, wobei die kon vex-konturierte Oberfläche eine Spiraloberfläche ist.

8. Ventil-Interface nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, wobei der Radius der zweiten konvexen Spiraloberfläche am Tangentenpunkt mit der kleineren zweiten Bohrung am kleinsten ist.

9. Ventil-Interface nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, wobei die Win keloberfläche des Gehäuses mit der zweiten konvexen Spi raloberfläche verbunden ist, und zwar am Tangentenpunkt damit.

10. Ventil-Interface nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, wobei das Sitz element den Ventilsitz an einem Punkt berührt, der im allgemeinen in der Mitte entlang der ersten konvexen Spi raloberfläche davon ist.

11. Ventil-Interface nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei der im allgemeinen in der Mitte liegende Punkt des Sitzelementes den Ventilsitz an einer Stelle berührt, die im allgemei nen benachbart zum Tangentenpunkt zwischen der zweiten konvexen Spiraloberfläche und der Winkeloberfläche des Gehäuses liegt.

12. Ventil-Interface nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 11, wobei das Sitz element eine Senkung in seinem anderen Ende besitzt, und wobei eine Vielzahl von Öffnungen im Sitzelement zwischen der Strömungsmittelkammer und der Senkung definiert ist.

13. Ventil-Interface nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, wobei ein Fe derhalteglied mit einer Öffnung darin im Gehäuse gesi chert bzw. befestigt ist, und zwar an dem Ende davon ge genüberliegend zur kleineren zweiten Bohrung, und wobei eine Feder darin angeordnet ist, und zwar zwischen dem Boden der Senkung des Sitzelementes und dem Federhal teglied.