DE19723694A1 - Druckbalanciertes Universalventil - Google Patents

Description

Es sind Ventile und Hähne verschiedenster Konzeptionen bekannt (vgl. Katalogunterlagen z. B. der Firmen Parker Ermeto, Messer Griesheim, Exmar GmbH usw.). Das verwendete Konzept wird mehr oder weniger von den Prioritäten des jeweiligen Einsatzfalles bestimmt.

Diese Prioritäten können z. B. feinfühlige Einstell- bzw. Regelmöglichkeit, kleiner Betätigungsweg, geringer Betätigungskraftaufwand, niedriger Geräuschpegel und am häufigsten wohl möglichst geringer Strömungs­ widerstand sein.

Hinzu kommen Forderungen nach hoher Korrosionsbeständigkeit, möglichst wenig leckagegefährdeten Abdichtbereichen sowie geringen Toträumen bzw. eingeschränkten Möglichkeiten der Mediumablagerung. Letzteres insbesondere in der chemischen und Lebensmittelindustrie.

In der Luft- und Raumfahrt sowie auch bei Unterwasserfahrzeugen liegen die Forderungen naturgemäß mehr in Richtung kleinster Baumaße und geringsten Gewichtes bei höchster Leistungsfähigkeit.

In Bezug auf geringen Widerstand bei voller Öffnung sind Kugel-, Küken- oder Schieberhähne sinnvoller Konstruktion durch ihre dann geradlinige Mediumführung üblichen Ventilen überlegen. Ein weiterer Vorteil der Kugel- und Kükenhähne ist die Möglichkeit, an der Stellung des Betätigungshebels den Öffnungsgrad des Hahnes in etwa erkennen zu können.

Der Nachteil liegt in einem sehr hohen Geräusch- bzw. Schwingungspegel bei nur teilweiser Öffnung, in den schlechten Einstellmöglichkeiten geringer Durchflußmengen und in den recht hohen "Losbrechmomenten", insbesondere nach längerer Zeit des Ruhezustandes und bei hohen Betriebsdrücken, nicht zuletzt dadurch bedingt, daß z. B. die Kugel eines Kugelhahnes mit dem vollen Betriebsdruck auf die auslaßseitige Dichtung gepreßt wird. Weiterhin ist die Gefahr dauerhafter Mediumablagerungen in schlecht durchspülten Gehäusebereichen sowie der Spindel- bzw. Wellenabdichtung gegeben.

Ventilkonstruktionen erlauben meistens eine feinfühligere Einstellung geringer Durchlaßquerschnitte, sind jedoch auch häufig durch die im Gehäuse stattfindende Änderung der Strömungsrichtung mit einem relativ hohen Ge­ räuschpegel sowie auch Strömungswiderstand behaftet. Dieses gilt insbesondere für Hochdruckventile, die über scharfkantige, abgewinkelte Bohrungen verfügen, aber auch in geringerem Umfang für Schrägsitzventile mit ihren Wirbelkanten und Querschnittsveränderungen innerhalb des Gehäuses. Hinzu kommt auch hier die Spindelabdichtung mit ihren üblichen Unannehmlichkeiten bzw. Risiken. Die Spindelabdichtung unterliegt bei vielen Ventilen einem großen Verschleiß, da der reibende Weg der Spindel auf der Dichtung häufig ein mehrfacher des eigentlichen Ventilhubes ist.

Da die Schließ- oder Öffnungsbewegung bei Ventilen üblicherweise gegen den Druck erfolgt, wirkt dieser sich auch auf die Stellkraft aus. Bei druck­ balancierten Ventilen, insbesondere Mehrsitzventilen, welche die Kräfte aus dem Vordruck kompensieren, ist der höhere Kostenaufwand sowie eine recht große Bauweise auffallend.

Ein weiterer Nachteil der Ventile gegenüber Kugelhähnen liegt darin, daß am Betätigungselement, dem meistens vorhandenen Handrad, nicht der Öffnungsgrad des Ventiles erkennbar ist.

Betrachtet man noch den Bereich der Regelventile, insbesondere der Vor- und Hinterdruckregelventile, in die Sicherheitsventile mit einbezogen werden, so sind auch hier Merkmale wie hoher Fertigungsaufwand, unnötig hoher Druckverlust und hoher Schwingungs- bzw. Lärmpegel durch Strömungsum­ lenkungen und Querschnittsveränderungen sowie relativ zur Leistung recht große und somit schwere Bauweisen vorhanden.

Da Gase bei Druckreduzierung expandieren und somit mehr Strömungs­ querschnitt brauchen als im Vordruckbereich, wirkt sich das Vorhandensein von querschnittreduzierenden Elementen nach dem Vordruckventil, wie z. B. Ventilstößel oder kleinere Kanäle, besonders nachteilig im Druckgasbereich aus.

Ein weiteres Problem stellt bei allen Druckregelventilen der Einfluß der Federkonstanten dar. Diese sorgt bei Durchführung eines Ventilhubes grundsätzlich für eine Änderung der Federkraft, was zu einer Beeinflussung des Regeldruckes führt.

Bei vielen der vorbeschriebenen Armaturen liegt als gemeinsamer Nachteil die dynamische Wirkung der Strömung auf die Dichtungselemente vor. Je nach Durchflußmedium und verwendetem Dichtungsmaterial kommt es über einen längeren Zeitraum zu einer Abtragung von Dichtungsmaterial und somit zur Zerstörung der Dichtung. Extrem wirkt sich dieses z. B. bei Druckluft mit einem gewissen Wassergehalt aus, da die Wasserpartikel durch die Kälte bei der Gasentspannung häufig zu Eispartikeln gefrieren, welche dann die Dichtungskanten, insbesondere bei härteren Hochdruckdichtungen, förmlich "zerschießen".

Zieht man jetzt noch die Produktvielfalt bei Ventilen in Betracht, so ist auffallend, daß jeder Ventiltyp, z. B. ein manuellbetätigtes, motorbetriebenes, pneumatisch oder auch magnetisch gesteuertes Absperrventil, Sicherheitsventil oder Hinterdruckregler, jeweils aus gänzlich anderen Bauteilen besteht. Dieser Umstand macht eine Fertigung unrationell. Es wäre weitaus kostengünstiger, könnte man für verschiedene Ventiltypen zumindest teilweise gleiche Bauteile verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil so auszubilden, daß es die Vorteile der vorbeschriebenen Armaturen, wie geringer Totraum, geringer Strömungswiderstand, niedriger Geräuschpegel, Feinfühligkeit bei der Einstellung und kleine Bauweise in sich vereinigt. Darüber hinaus sollen Ventilgrundelemente geschaffen werden, welche in hohen Stückzahlen produziert werden können und nur durch entsprechende Ergänzungen für den jeweiligen Einsatzzweck, z. B. als manuell betätigtes, mit Motor- oder Magnetkraft betriebenes, pneumatisch bzw. hydraulisch betätigtes Ventil oder als Hinter-/Vordruckregler oder auch als Sicherheitsventil, ausgerüstet werden, wobei der negative Einfluß der Federkonstanten auf das Regel­ verhalten zu reduzieren und der Wirkungsgrad eines Magnetantriebes zu verbessern ist. Weiterhin sollen die dynamischen Strömungsverhältnisse für eine gute Durchspülung sorgen, ohne daß die Ventildichtung mit voller Energie angeströmt wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen neben geringer Bauteilezahl, insbesondere geringer mediumberührter Bauteilezahl, in einer sehr kleinen Bauweise und niedrigem Gewicht im Vergleich zu hoher Leistung, d. h. einer hohen Durchflußrate durch geringen Widerstand, einem geringen Geräuschpegel, geringem Totraum, geringer Stellkraft durch Druckbalance und universeller Einsatzmöglichkeit als Absperr- und Regelventil mit verschiedensten Antrieben, als Vor- und Hinterdruckregler sowie als Rück­ schlag- und auch Sicherheitsventil bei niedrigen Fertigungskosten durch die universelle Verwendbarkeit gleicher, in Großstückzahlen zu produzierender Bauteile.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus dem folgenden Teil der Beschreibung und den Zeichnungen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Ventil mit einem Handrad und einem einfachen Exzenterantrieb im geschlossenen Zustand in räumlicher Darstellung,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Ventil in offener und geschlossener Stellung,

Fig. 3 ein Ventil mit einem Handrad, wie in Fig. 1, jedoch im offenen Zustand,

Fig. 4 ein Ventil mit Zusatzausrüstung als Druckregler und als Sicherheitsventil,

Fig. 5 ein Ventil wie in Fig. 4, jedoch mit einer neuen Federgeometrie,

Fig. 6 ein Ventil, bei dem die Dichtelemente Bestandteil der Hülse sind,

Fig. 7 ein Ventil mit einer inneren Auskleidung,

Fig. 8 ein Ventil, welches mit Referenz- oder Steuerdrücken arbeiten kann,

Fig. 9 ein Ventil, welches einseitig durch Magnetkraft gesteuert und über eine zusätzliche Entlastungsbohrung verfügt und

Fig. 10 ein Ventil, welches in beiden Richtungen mit Magnetkraft gesteuert wird.

In Fig. 1 ist ein Ventil mit einem Handrad 16, einem Klemmring 17 und einem Exzenter 14 dargestellt, welcher mit einer Rolle 15 in die umlaufende Nut 5.2 der Hülse 5 eingreift. Die Welle des Exzenters 14 ist in einem Aufsatz 19 gelagert. Der Aufsatz 19 hat in seinen Bohrungen für die Befestigungsschrauben soviel Spiel, daß er zum Zweck der Justierung des Ventiles bzw. des Schließpunktes auf dem Gehäuse 18 in unterschiedlichen Positionen befestigt werden kann. Der Klemmring 17 ist innen mit einem Gewinde versehen und drückt bei Anzug über eine konische Fläche ein elastisches Element gegen die Exzenterwelle, so daß diese festgestellt ist. Diese Einrichtung ist besonders sinnvoll, wenn ein derartiges Ventil auf einem vibrierenden Objekt, z. B. einem Kraftfahrzeug oder Schiff installiert ist. Die Hülse 5 ist hier mit einer Abdichtung 6 zum Schaft 1 und einer Abdichtung 9 zum Vorsprung 18.4 in Form von Runddichtringen versehen. Der Schaft 1 weist Wandungsdurchgänge 3 zu einer Bohrung 2 sowie auch eine Dichtung mit einer Dichtkante 4 auf.

Die bevorzugte und in der folgenden Beschreibung zugrunde gelegte Strömungsrichtung ist A. Allerdings kann das Ventil mit beinahe den gleichen positiven Eigenschaften von B durchströmt werden.

Der Vorsprung 18.4 ist Bestandteil des Kopfstückes 18.3, welches von rechts in das Gehäuse 18 eingeschraubt oder andersartig befestigt ist. Das Ventil ist hier im geschlossenen Zustand dargestellt. Die Dichtfläche 8 der Hülse 5 ist durch den nach hinten geschwenkten Exzenter 14 gegen die Dichtkante 4 gedrückt. Der auf der Oberseite des Handrades 16 abgebildete Pfeil zeigt in eine Richtung, die quer zur Strömungsrichtung liegt. Der Anwender erkennt daran, daß das Ventil geschlossen ist.

Es ist vorteilhaft, den druckbeaufschlagten, abdichtenden Querschnitt an der Abdichtung 6 geringfügig kleiner auszubilden, als den an der Abdichtung 4/8. Ebenso sollte der druckbeaufschlagte und abdichtende Querschnitt der Abdichtung 9 geringfügig größer sein, als der bei der Abdichtung 4/8 oder aber gleich dem der Abdichtung 6. Dadurch wird eine geringe, jedoch mit dem Betriebsdruck steigende Schließkraft auf die Abdichtung 4/8 erzeugt, da bei höherem Betriebsdruck auch eine höhere Dichtungskraft erforderlich ist.

Wird das Handrad 16 um 90 Grad linksherum, also in Richtung Y gedreht, ist das Ventil voll geöffnet. Dabei wirkt sich für die Einstellung kleiner Mengen bzw. einer kleinen Öffnung der Umstand positiv aus, daß der Hub der Hülse 5 bei Beginn der Drehbewegung relativ zum Drehwinkel äußerst gering ist. Durch diese Tatsache wird außerdem mit einem sehr niedrigen Drehmoment an der Welle des Exzenters 14 eine hohe Öffnungs- wie auch Schließkraft für das Ventil erzeugt.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Ventil, wobei die obere Hälfte die offene und die untere Hälfte die geschlossene Position anzeigt.

Hier ist gut erkennbar, daß durch die Anordnung des eigentlichen Ventiles 4/8 innerhalb der Hülse 5 zwischen den Abdichtungen 6 bzw. 10.1 und 9 bzw. 10 eine sehr kompakte, kurze Bauweise erzielt wird, obwohl die Strömung nur mit geringer Winkeländerung umgelenkt wird. In der unteren Hälfte ist eine winkel- bzw. dreieckförmige umlaufende Ausdrehung 1.1 des Schaftes 1 schraffiert dargestellt. Durch diese Ausdrehung wird ein größerer Freiraum ohne seitliche Wandungen geschaffen und zusätzlich die Produktion dieses Teiles in Bezug auf die Wandungsdurchgänge 3 begünstigt.

Bei entsprechend kleinem Winkel "a", der 30 Grad nicht überschreiten sollte, ergibt sich ein äußerst strömungsgünstiger vorderer Teil 1.2 des Schaftes 1.

Der Freiraum 7 in der Hülse 5, welcher außerhalb des Schaftdurchmessers liegt, ist so ausgebildet, daß der Ringquerschnitt zum vorderen Teil des Schaftes 1 bei voller Ventilöffnung an jeder Stelle etwa dem Querschnitt der Bohrung 2 entspricht.

In der oberen Hälfte sind dünne Linien C eingezeichnet, welche den dynamischen Strömungsverlauf bzw. die Druckzonen darstellen sollen. Die Bereiche, in denen die Linien dicht beieinander liegen, kennzeichnen eine dynamische Druckerhöhung. Es ist erkennbar, daß die Dichtkante 4 vom dynamischen Strömungsdruck frei gehalten wird. Bei Strömung aus B wären die Verhältnisse nicht ganz so günstig, obwohl durch den größer ausgeführten Winkel "b" eine stärkere Umlenkung stattfindet, wodurch die Dichtkante 4 ebenfalls vor einer direkten dynamischen Anströmung geschützt wird.

Als weiterer Nachteil kommt bei dieser Strömungsrichtung noch der Umstand hinzu, daß die Rippen 3.1 zwischen den Wandungsdurchgängen 3 im entspannteren Zustand eines z. B. gasförmigen Mediums liegen, wo es besonders sinnvoll wäre, eine möglichst freie Abströmungsmöglichkeit zu haben.

In Fig. 3 ist ein Ventil mit den gleichen Mechanismen dargestellt, wie in Fig. 1, jedoch in offener Stellung. Hier ist erkennbar, daß der Exzenter 14 voll seitlich ausgeschwenkt ist und der Richtungspfeil auf dem Handrad 16 in Strömungsrichtung zeigt so daß der Anwender erkennen kann, daß das Ventil voll geöffnet ist.

Bei größeren Ventilen ist es sinnvoll, den Exzenter 14 U-förmig bzw. gabelförmig auszubilden, so daß er hinten außen um die Hülse 5 herumlaufen würde und zusätzlich von unten in die umlaufende Nut 5.1 eingreift. In einem solchen Fall sollte natürlich ein zweites Drehlager, ähnlich dem Aufsatz 19 oder als Einheit mit diesem ausgeführt, an der Unterseite des Ventiles bzw. Gehäuses 18 installiert sein.

Mit der Schwenkbewegung des Handrades 16 in Richtung Z wird das Ventil immer mehr geschlossen.

In Fig. 4 ist eine Ausführung des Ventiles als Hinterdruckregler in der oberen Hälfte und als Sicherheitsventil in der unteren Hälfte dargestellt. Über einen anderen Aufsatz 19.1 ist hier eine Druckfeder 11 mit einem Stellring 13 installiert, welche über das Kraftübertragungselement 20 eine in Öffnungsrichtung des Ventiles wirkende Kraft auf die Hülse 5 überträgt. Das Kraftübertragungselement 20 ist dabei sinnvollerweise zweiteilig ausgeführt und wird durch einen Ring 21 zusammengehalten. Die Hülse 5 verfügt in einem solchen Einsatzfall des Ventiles im vorderen Bereich nur über eine Abdichtung 10. Der sich im Ausgangsbereich des Ventiles ausbildende Überdruck wirkt auf die Stirnfläche 12 der Hülse 5 und drückt diese gegen die Kraft der Feder 11 in Schließposition.

Unter Umständen, je nach Medium, ist es sinnvoll, den Vorsprung 18.4 des Kopfstückes 18.3 zu entfernen.

Der zu regelnde Druck wird über die Vorspannung der Druckfeder 11 mit dem Stellring 13 eingestellt.

In der unteren Hälfte der Fig. 4 ist die Funktion die gleiche, jedoch in Gegenrichtung. Der Unterschied liegt in der umgekehrten Montageweise und darin, daß an Stelle der Abdichtungen 6 und 10 die Abdichtungen 9 und 10.1 vorhanden sind. Hier wirkt der Vordruck öffnend auf den Querschnitt 12.1 gegen die Kraft der Druckfeder 11.

Das Ventil wirkt hier also als Vordruckregler bzw. als Sicherheitsventil. Als vorteilhaft und leistungssteigernd stellt sich auch hier wieder die strömungsgünstige Ausbildung des Schaftvorderteiles 1.2 sowie der freie Abströmungsquerschnitt hinter der Abdichtung 4/8 heraus.

Die druckbeaufschlagten Querschnitte 12 und 12.1 ergeben sich aus der Querschnittdifferenz zwischen den Abdichtungen 4/8 und 10 einerseits sowie 4/8 und 10.1 andererseits.

In Fig. 5 ist eine Variante der Funktionen von Fig. 4 dargestellt, die nicht mit einer üblichen Druckfeder 11, sondern mit einer gewundenen Biegefeder 11.1 arbeitet.

Die Behaftung von Federn mit der Federkonstanten führt bei Ventilen derartiger Funktionen häufig zu sehr großen Bauweisen, da versucht wird, mit einer langen und oft gewundenen Feder die Federkonstante möglichst klein zu halten. Die Änderung der Federkraft mit dem Ventilhub ist dadurch geringer und verringert gleichermaßen die Abweichung des Regeldruckes bei größerer Ventilöffnung.

Es wäre also grundsätzlich vorteilhaft, eine Feder so einzusetzen, daß ihre Kraft durch eine Hebelgeometrie übertragen wird bzw. daß die Geometrie der Feder an sich oder deren Wirkungsweise derart ist, daß die Änderung der Federkraft mit dem Federhub durch eine Änderung des Krafthebels kompensiert wird.

Die in Fig. 5 mehr schematisch dargestellte Ausführung zeigt an, wie das Problem auf einfache Art gelöst werden kann. Mit dünner, strichpunktierter Linie ist eine gewundene Biegefeder 11.1 in der Schließstellung des Ventiles dargestellt. Es wirkt eine Federkraft F1 in horizontaler Richtung. Die Größe der Kraft F1 wird bestimmt durch das Drehmoment der Feder und den Winkel "a1" bzw. den Abstand R1.

Wird nun der Hub S ausgeführt, verringert sich das Drehmoment der Biegefeder 11.1, wobei sich gleichzeitig durch Veränderung des Winkels "a1" in den größeren Winkel "a2" der Abstand R1 in den kleineren Abstand R2 ändert. Die Folge ist, daß die in horizontaler Richtung wirkende Kraft F2 bei richtiger Bemessung der gesamten Dimensionen gleich der Kraft F1 ist. Die Wirkung der Kräfte und Momente entspricht in etwa dem System eines Kurbeltriebes einer Kolbenkraftmaschine und ist im Prinzip auf die gleiche Weise zu berechnen.

Die in horizontaler Richtung wirkende Kraft ist nicht über den gesamten Ventilhub vollkommen gleich, da die Schenkel der Biegefeder 11.1 eine etwa kreisende Bewegung um den Windungsmittelpunkt ausführen, kommt dem Ideal jedoch sehr nahe.

In der Praxis wird eine derartige Federinstallation so vorgenommen, daß die Feder flach neben dem Ventil liegt, also um eine Achse durch die Punkte 11.3 um 90 Grad geschwenkt ist. Es ist auch sinnvoll, mit zwei Federn oder Federhälften dieser Art zu arbeiten, von denen die eine links und die andere rechts vom Ventil angeordnet ist.

Grundsätzlich erfolgt die Einstellung der Federkraft über einen Stellring 13. Zur Optimierung und universellen Einsatzmöglichkeit der gleichen Feder für sehr unterschiedliche Regeldrücke ist die wirksame Schenkellänge bzw. Hebellänge über z. B. die Verschiebung von Anschlußelementen 11.2 auf den Federschenkeln veränderbar und ein Stellring 13 vorhanden. Die Anschluß­ elemente 11.2 weisen an ihrem Ende 11.3 eine in Abhängigkeit von der Materialhärte kleinstmögliche Verrundung auf, mit der sie sich auf der Gegenfläche reibungsarm abwälzen.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung der Hülse 5 aus einem für Dichtzwecke geeigneten Material. Die Abdichtungen 6 und 9 beispielsweise werden hier durch angeformte Dichtlippen oder -kanten 5.3 vorgenommen. Im Bereich niedriger Drücke können auch die im Bedarfsfall vorhandenen äußeren Abdichtungen 10 und 10.1 in der gleichen Art ausgebildet werden. Im Fall höherer Betriebsdrücke ist es sinnvoll, die Hülse 5 mit einer äußeren Verstärkung 5.1 auszurüsten.

Eine solche Ausführung senkt die Zahl der Bauteile und die Montagezeiten. Im Niederdruckbereich werden auch die Herstellungskosten der Hülse 5 gesenkt.

In Fig. 7 ist eine Ausführung mit einer Auskleidung 24 des Innenraumes aus einem elastischen Material dargestellt. Dabei wird diese Auskleidung 24 gleichzeitig zur Abdichtung an allen erforderlichen Stellen verwendet. Die Funktion ist derart, daß die Hülse 5 durch ihre Verschiebung über die Auskleidung 24 gleitet und diese verformt.

Eine solche Ausführung ist besonders interessant für die chemische und auch Lebensmittelindustrie sowie generell für alle Bereiche, die gänzlich frei von Toträumen arbeiten müssen.

Bei gefährlichen Medien ist es sinnvoll, die Abdichtungen 6 und 9 z. B. in Form von Runddichtringen zusätzlich zu installieren. Es ist vorteilhaft, die Hülse 5 in einem Kunststoff mit niedrigen Reibungswerten auszuführen oder mit einer die Reibung mindernde Beschichtung oder auch Schmierung zu versehen.

Fig. 8 zeigt eine einfache Lösung eines Ventiles, welches mit Fremd- oder auch Referenzdrücken arbeiten kann. Hier wird über die Anschlußbohrungen 18.1 und/oder 18.2 ein Steuerdruck eingegeben. Diese Bauart ist durchaus auch mit den Ausführungen der Fig. 4, 5, 6 und 7 zu kombinieren. Die dargestellte Ausführung weist eine extrem niedrige Bauteilezahl auf.

In Fig. 9 ist mit Hilfe eines Aufsatzes 19.1 ein Magnet 22 installiert, der gegen die Kraft einer Druckfeder 11.4 ein Kraftübertragungselement 20 anzieht und somit das Ventil schließt. Es ist sinnvoll, den Magneten 22 als Permanentmagneten auszubilden und mit einer zusätzlichen Spule 22.1 zu versehen. Die Spule 22.1 kann einmal so mit Strom beschickt werden, daß sie ein Magnetfeld erzeugt, welches die Anzug kraft des Permanentmagneten verstärkt und einmal in der Art, daß die Anzug kraft des Permanentmagneten aufgehoben wird. Dabei ist die Kraft der Feder 11.4 so zu bemessen, daß das Ventil ohne die Zusatzwirkung der Spule in Offen- und auch in Schließstellung bleibt. Ein Magnetantrieb dieser Art spart Energie durch zwei Umstände:

• 1. Es ist jeweils nur für die Ventilschaltung, aber nicht für die Haltung, ein Stromfluß erforderlich, und dieser ist praktisch nur impulsartig.
• 2. Ein Magnet bringt an seiner Stirnseite mit Wirkung auf eine Platte bei gleicher vorhandener oder zugeführter Energie erheblich mehr Kraft auf, als wenn er z. B. einen Bolzen in sein Zentrum zieht, was bei den bekannten Magnetantrieben der Fall ist. Das bedeutet, daß man hier bei gleicher Stellkraft für das Ventil bzw. die Hülse 5, falls nur eine Ausführung als Elektromagnet gewählt wird, mit weniger zugeführter Leistung arbeiten kann. Die Position des Magneten ist justierbar.

In diesem Beispiel weist der Vorsprung 18.4 eine außen umlaufende Nut mit schrägen Wänden und, von dieser nach innen führend, eine Entlastungsbohrung 18.5 auf. Dabei ist die Position der Nut derart, daß sie von der Abdichtung 9 überdeckt wird, wenn das Ventil voll geöffnet ist. In der unteren Darstellung der Fig. 9 ist das Ventil geschlossen, und die Nut mit der Entlastungsbohrung 18.5 befindet sich außerhalb der Abdichtung 9. Der über das offene Ventil versorgte Bereich wird somit druckentlastet. Eine derartige Funktion ist z. B. sehr sinnvoll bei Füllventilen für Druckgasflaschen. Dazu wird in das Kopfstück 18.3 ein Füllanschluß für ein Gasflaschenventil eingesetzt oder mit diesem verbunden. Hat die Druckgasflasche ihren maximalen Fülldruck erreicht, wird zunächst das Gasflaschenventil und anschließend das hier abgebildete Füllventil geschlossen. Automatisch wird dann der Raum zwischen den zwei Ventilen entlüftet, so daß man das Gasflaschenventil wieder vom Füllanschluß lösen kann.

Das Kopfstück 18.3 mit der Entlastungsbohrung 18.5 ist natürlich auch mit jeder anderen Ventilantriebsversion zu kombinieren.

Fig. 10 zeigt ein Beispiel mit zwei Magneten 22 und 23. Auch diese Magnete wirken wieder mit ihrer Stirnseite auf eine Platte, nämlich das Kraftübertragungselement 20. Jeder der Magneten ist wahlweise als reiner Elektromagnet oder auch als Permanentmagnet mit einer zusätzlichen Spule 22.1 und/oder 23.1 auszuführen. Die Wahl hängt von den Betriebsbedingungen bzw. Sicherheitsbestimmungen des jeweiligen Einsatzfalles ab.

Hierzu zwei Beispiele:

• 1. In einer Anlage mit gefährlichen Gasen als Betriebsmedium besteht die Vorschrift, daß bei Stromausfall das Ventil automatisch geschlossen wird. In diesem Fall wird der Magnet 23 als reiner Elektromagnet und der Magnet 22 als Permanentmagnet mit einer umschaltbaren Spule 22.1 ausgeführt.
• 2. Ist das Ventil in einer Atemgasversorgung installiert, z. B. bei einer Druckkammer für Taucher, muß es bei Stromausfall offen bleiben. Hierbei könnte man beide Magnete 22 und 23 als Permanentmagnete mit den vorbeschriebenen Spulen 22.1 und 23.1 ausführen. Es käme allerdings auch die preiswertere Version der Fig. 9 mit umgekehrter Wirkungsweise in Frage.

Claims (63)

1. Druckbalanciertes Universalventil mit koaxial angeordnetem Ein- und Austritt, dadurch gekennzeichnet, daß um einen Schaft (1), der zumindest eine etwa koaxial verlaufende Innenbohrung (2), einen oder mehrere mit dieser Innenbohrung (2) in Verbindung stehende und in einem Winkel "a" zu dieser weiterführenden Wandungsdurchgänge (3) und eine Dichtfläche oder -kante (4) aufweist, eine Hülse (5) angeordnet ist, welche mit einer zum Schaft (1) vorhandenen Abdichtung (6), einen den Schaft (1) umgebenden Freiraum (7) und einer mit der Dichtkante/-fläche (4) des Schaftes (1) zusammenwirkenden Dichtkante/-fläche (8) ausgestattet ist, wobei die Hülse (5) und/oder der Schaft (1) zueinander in zumindest koaxialer Richtung beweglich ausgebildet sind.

2. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (1) in seinem durch die Hülse (5) überdeckten Bereich eine etwa winkelförmige bzw. dreieckförmige umlaufende Ausdrehung (1.1) aufweist, in welche die Wandungsdurchgänge (3) münden.

3. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungsdurchgänge (3) in Umfangsrichtung des Schaftes (1) verlaufen.

4. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel "a" kleiner als 90 Grad ist.

5. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel "a" kleiner als 40 Grad ist.

6. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (2) eine Sackbohrung ist, in deren Ende der/die Wandungsdurchgänge (3) münden.

7. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (1) und die Hülse (5) in einem Gehäuse 18 montiert sind.

8. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (5) an ihrem vom Schaft (1) abgewandten Ende eine weitere Abdichtung (9), z. B. zu einem Vorsprung (18.4) eines Kopfstückes (18.3) aufweist, deren druckbeaufschlagter Querschnitt zumindest in etwa dem der Abdichtungen (6 und 4/8) entspricht.

9. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfstück (18.3) mit dem Vorsprung (18.4) eine Innenbohrung (18.6) aufweist, deren Querschnitt mindestens dem Querschnitt der Bohrung (2) entspricht.

10. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß im Vorsprung (18.4) eine Entlastungsbohrung (18.5) derart angeordnet ist, daß sie sich bei voller Öffnung des Ventiles innerhalb der Abdichtung (9) befindet, im Schließzustand des Ventiles jedoch den Produktraum entlastet.

11. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der dynamische Strömungsverlauf durch das gesamte Ventil bei jedem Öffnungsgrad und jeder Durchströmungsrichtung geradlinig bis bogenförmig ist und frei von Flächen und Bereichen, welche die dynamische Strömung in eine andere Richtung leiten, als sie dem kürzestmöglichen Weg durch das Ventil unter Berücksichtigung der Funktionsmerkmale und Wanddicken, welche sich aus dem maximalen Betriebsüberdruck ergeben, entspricht.

12. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (5) zumindest eine weitere Abdichtung (10) und/oder (10.1) an ihrem Außendurchmesser, z. B. zum Gehäuse (18), aufweist.

13. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung (4/8) mit den Abdichtungen (6, 9, 10 und 10.1) beliebig kombiniert werden kann.

14. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Freiraum (7) derart ausgebildet ist, daß er bei voll geöffnetem Ventil in seinem Querschnitt an jeder Stelle über die gesamte Länge mindestens in etwa dem Querschnitt der Innenbohrung (2) entspricht.

15. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die druckbeaufschlagten Querschnitte an den Abdichtungen (6, 4/8 und 9) gleich groß sind.

16. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der druckbeaufschlagte Querschnitt an der Abdichtung (6) geringfügig kleiner ist, als der an der Abdichtung (4/8).

17. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der druckbeaufschlagte Querschnitt an der Abdichtung (9) geringfügig größer ist, als der an der Abdichtung (4/8).

18. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungen (6 und 4/8) derart wirksam sind - wie dargestellt - daß die sich aus dem Innendruck ergebenden Kräfte in entgegengesetzter Richtung wirken, sich somit etwa ausgleichen.

19. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungen (4/8 und 9) sowie auch (6 und 9) derart wirksam sind, daß die sich aus dem Innendruck ergebenden Kräfte in entgegengesetzter Richtung wirken, sich somit zumindest etwa ausgleichen.

20. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kräftebalance unabhängig von der Strömungsrichtung des Mediums vorhanden ist.

21. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (5) in einem für eine Abdichtung geeigneten Material, z. B. einem Polymer, ausgeführt ist.

22. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (5) mit einer äußeren Verstärkung (5.1) versehen ist.

23. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Abdichtungen (6 und 9 und/oder 10) erforderlichen Ele­ mente, z. B. Dichtlippen (5.3) mit der Hülse (5) einstückig ausgeführt sind.

24. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (1) zumindest im Bereich der Dichtfläche/-kante (4) in einem für die Abdichtung geeigneten Material, z. B. einem Polymer, ausgeführt ist.

25. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der produktberührte Innenraum mit einer Auskleidung (24) aus elastischem Material versehen ist.

26. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (24) gleichzeitig als Dichtelement bei der Abdichtung (4/8) verwendet wird und die Abdichtungen (6 und 9) ersetzt.

27. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungen (6, 9 und/oder 10 bzw. 10.1) als Balg bzw. Axial- oder Radialkompensator ausgebildet sind.

28. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungen (10 und/oder 10.1) als Membrane, insbesondere als Rollmembrane ausgebildet sind.

29. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtflächen (4 und/oder 8) konisch und/oder sphärisch ausgebildet sind.

30. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wandungsdurchgänge (3) zur Innenbohrung (2) im Bereich des Vordruckes, in Strömungsrichtung gesehen also vor der Abdichtung (4/8) befinden.

31. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (5) in ihrem äußeren Bereich zumindest eine universell zu verwendende Angriffsmöglichkeit für ein Kraftübertragungselement (20) oder auch eine Rolle (15) aufweist, z. B. eine umlaufende Ringnut (5.2), welche sich im atmosphärischen Bereich befinden kann.

32. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungselement (20) aus mindestens zwei Bauteilen besteht.

33. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilschließ- bzw. -öffnungskraft durch ein Schwenk- oder Kurvenelement, z. B. einen Exzenter (14) mit einer Rolle (15), auf die Hülse (5) bzw. den Schaft (1) übertragen wird.

34. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwenk- oder Kurvenelement, z. B. der Exzenter (14), gabelähnlich ausgebildet ist, so daß es an zwei sich gegenüberliegenden Punkten die Stellkraft auf die Hülse (5) überträgt.

35. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung für z. B. den Exzenter (14) in einem auf dem Gehäuse (18) montierten Aufsatz (19) erfolgt.

36. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufsatz (19) auf dem Gehäuse (18) zum Zweck der Ventiljustierung in zumindest axialer Richtung des Ventiles verlagert montiert werden kann.

37. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der volle Ventilschließ- bzw. -öffnungshub durch Handkraft, z. B. über ein Handrad (16) oder Hebel oder auch Knebel, mit einem Dreh- bzw.

Schwenkbereich von ca. 90-180 Grad erzeugt wird.

38. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Handrad (16) oder der Hebel oder auch der Knebel z. B. mit einem dagegenzuschraubenden Klemmring (17) oder -hebel oder auch -knebel in jeder Position festgestellt werden kann.

39. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Schwenk- oder Kurvenelement in Bezug auf den Dreh- bzw. Schwenkwinkel z. B. des Handrades (16) ein nichtlinearer bzw. unproportionaler Ventilhub bewirkt wird.

40. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der volle Ventilschließ- bzw. -öffnungshub durch Motorkraft, z. B. auf den Exzenter (14) wirkend, ausgeführt wird.

41. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließ- bzw. Öffnungshub durch einen pneumatisch bzw. hydraulisch betriebenen Stellantrieb ausgeführt wird.

42. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließ- bzw. -öffnungshub durch Druck eines Steuermediums, z. B. Hydrauliköl, welches über den Anschluß (18.1) und/oder (18.2) auf den Differenzquerschnitt zwischen den Abdichtungen (6 und 10/10.1 oder 9 und 10/10.1) wirkt, ausgeführt wird.

43. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließ- bzw. -öffnungshub durch Druck des Betriebs­ mediums auf den Differenzquerschnitt zwischen den Abdichtungen (6 und 10/10.1 oder 9 und 10/10.1) ausgeführt wird.

44. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließ- bzw. -öffnungshub durch Federkraft ausgeführt wird.

45. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft durch eine Druckfeder (11) erzeugt wird.

46. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft durch eine gewundene Biegefeder (11.1) oder z. B. eine Torsionsfeder mit entsprechenden Hebelarmen erzeugt wird.

47. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft über einen Schwenkhebel, welcher direkt oder indirekt auf die Hülse (5) wirkt, in der Art übertragen wird, daß der Schwenkhebel sich mit Entspannung der Feder immer mehr aus einer vertikalen Lage entfernt, so daß sich der in horizontaler Richtung wirkende Hebelarm mit der Schwenkbewegung immer mehr verkürzt, das heißt, daß der vertikale Abstand zwischen dem Schwenkhebellager und dem Angriffs­ punkt des Hebels an der Hülse (5) oder einem Kraftübertragungs­ element (20) immer kleiner wird.

48. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Hebelarm für die Federkraft, welche direkt oder indirekt auf die Hülse (5) wirkt, mit nachlassender Federkraft kleiner wird.

49. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die gewundene Biegefeder (11.1) oder z. B. auch eine Torsionsfeder mit entsprechenden Hebelarmen in ihren wirksamen Hebellängen so ausgebildet ist, daß mit der Änderung des Winkels "a1" zum Winkel "a2" nach Ausführung des Hubes (S) der Quotient aus der Federkraft (F1)/Mittenabstand (R1) gleich dem Quotienten aus der Federkraft (F2)/Mittenabstand (R2) ist.

50. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Federkraft über einen auf dem Gehäuse (18) zu verstellenden Stellring (13) erfolgt.

51. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Hebellänge der Biegefeder (11.1) durch die Verlagerung von Anschlußelementen (11.2) eingestellt werden kann.

52. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Federn seitlich am Gehäuse (18) unterhalb bis oberhalb der Gehäuseachse und symmetrisch zu dieser angeordnet sind, welche direkt oder auch indirekt auf die Hülse (5) wirken.

53. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließ- bzw. -öffnungshub durch zumindest einen Magneten (22) gegen die Kraft z. B. einer Feder (11.4) bewirkt wird.

54. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließ- bzw. -öffnungshub durch die Kraft zweier sich gegenüberstehender Magneten (22 und 23) bewirkt wird.

55. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem/den Magneten (22 und/oder 23) um Permanentmagneten handelt.

56. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Permanentmagneten (22 und/oder 23) mit einer zusätzlichen Spule (22.1 und/oder 23.1) kombiniert sind.

57. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Spule (22.1 und/oder 23.1) wahlweise ein die Kraft des/der Magneten (22 und/oder 23) reduzierendes bzw. aufhebendes oder verstärkendes Magnetfeld erzeugt werden kann.

58. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Magneten (22 und/oder 23) mit ihrer Stirnseite direkt oder indirekt, z. B. über das Kraftübertragungselement (20), auf die Hülse (5) oder den Schaft (1) wirken.

59. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige Bauteile des Ventiles für sämtliche Ausführungsvarianten verwendet werden.

60. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Antriebe bzw. Krafterzeuger als Zusatzmodule außen auf das Gehäuse (18) auf- oder angesetzt werden können.

61. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das eigentliche Ventil, nämlich die Abdichtung (4/8), zwischen den den Abdichtungen (6 bzw. 10.1 und 9 bzw. 10) angeordnet ist.

62. Druckbalanciertes Universalventil nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das eigentliche Ventil, nämlich die Abdichtung (4/8), im Innenraum der Hülse (5) angeordnet ist.