DE19839955C1 - Hubventil - Google Patents

Abstract

Ein Hubventil besitzt zu beiden Seiten eines mit dem einen Anschlußraum (2) verbundenen schmalen Kanalquerschnitts (F) einen ersten und einen zweiten Ventilsitz (6, 7). Das Verschlußstück (8) wirkt mit beiden Ventilsitzen (6, 7) zusammen. Die beiden Bereiche (16, 17), die auf der dem schmalen Kanalquerschnitt (F) gegenüberliegenden Seite an die beiden Ventilsitze (6, 7) anschließen, sind mit dem anderen Anschlußraum (3) verbunden. Auf diese Weise können schon bei kleinen Hubhöhen größere Druchflußmengen durch das Hubventil hindurchtreten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hubventil, mit einem Ventilsitz und einem damit zusammenwirkenden Verschluß­ stück, die zwischen zwei Anschlußräumen angeordnet sind, wobei zu beiden Seiten eines mit dem einen An­ schlußraum verbundenen schmalen Kanalquerschnitts je ein erster und ein zweiter Ventilsitz gebildet ist, das Verschlußstück mit beiden Ventilsitzen zusammenwirkt und die beiden Bereiche, die auf der dem schmalen Ka­ nalquerschnitt gegenüberliegenden Seite an die beiden Ventilsitze anschließen, mit dem anderen Anschlußraum verbunden sind.

Hubventile sind in großer Zahl bekannt, beispielsweise aus DE 36 15 229 A1. Bei ihnen umgibt der ringförmige Ventilsitz einen kreisförmigen Kanalquerschnitt, der vollständig von einem kreisförmigen Verschlußstück ab­ gedeckt wird. Dies führt zu einer vorgegebenen Durch­ flußcharakteristik. Sie eignen sich für Fluide aller Art und insbesondere für Flüssigkeiten.

Aus DE 38 44 453 A1 ist ein gattungsgemäßes Hubventil bekannt, das aufgrund seiner beiden Ventilsitze schon bei sehr kleinen Hubhöhen einen großen Durchfluß ermög­ licht. Es handelt sich um ein Ventil zum dosierten Zu­ mischen von aus dem Kraftstofftank einer Brennkraftma­ schine verflüchtigten Kraftstoff zu einem der Brenn­ kraftmaschinen über ein Ansaugrohr zugeführten Kraft­ stoffluftgemisch. Die Betätigung erfolgt durch einen Elektromagneten. Als Verschlußstück dient eine Ringscheibe, die auf einer Membranfeder befestigt ist und außer der Ventilschließfunktion auch die Funktion des Ankers des Elektromagneten übernehmen kann.

Der erstrebte größere Durchfluß schon bei kleinen Hub­ höhen wird erreicht, weil das Fluid sowohl über den er­ sten als auch über den zweiten Ventilsitz abströmen kann und daher zwei Areale für den Durchfluß zur Verfü­ gung stehen. Dies bedeutet auch, daß bei gegebener Hub­ höhe der Druckabfall am Hubventil vergleichsweise ge­ ring ist. Und weil nur eine dem schmalen Kanalquer­ schnitt entsprechende Fläche des Verschlußstücks dieser Druckdifferenz ausgesetzt ist, genügen verhältnismäßig kleine Kräfte, um eine Hubverstellung vorzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hubven­ til, das bei kleinen Hubhöhen einen großen Durchfluß ermöglicht, anzugeben, das geringe Betätigungskräfte erfordert.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Hubventil erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verschlußstück eine für beide Ventilsitze gemeinsame Dichtung auf­ weist, die eine nach der einen Seite des Kanalquer­ schnitts vorstehende Dichtlippe und eine nach der ande­ ren Seite des Kanalquerschnitts vorstehende Dichtlippe aufweist, von denen die eine Dichtlippe mit dem ersten und die andere mit dem zweiten Ventilsitz zusammen­ wirkt.

Die erwähnten Dichtlippen sind in höherem Maße ela­ stisch als die übrige Dichtung. Sie schließen daher mit geringen Kräften dicht ab, öffnen aber auch schon bei kleinen Druckdifferenzen.

Günstig ist es, daß der schmale Kanalquerschnitt ring­ förmig ist, so daß sich ein äußerer und ein innerer ringförmiger Ventilsitz ergibt, und daß die eine Dicht­ lippe radial nach außen und die andere radial nach in­ nen von derselben ringförmigen Dichtung vorsteht. Unter sonst gleichen äußeren Abmessungen wird eine Verdopp­ lung des Abströmareals erzielt.

Des weiteren empfiehlt es sich, daß der schmale Kanal­ querschnitt durch eine Nut gebildet ist. Statt einer Nut kann auch ein durchgehender Schlitz verwendet wer­ den.

Vorzugsweise sind beide Ventilsitze an ihrer Stirnseite gerundet. Dies vermindert die Strömungsgeräusche.

Von Vorteil ist es auch, daß beide Ventilsitze derart gestuft sind, daß bei geringer Belastung in Schließ­ richtung die Lippen an der ersten Stufe und bei stärke­ rer Belastung die Dichtung im Bereich des Lippenansat­ zes an der zweiten Stufe zur Anlage kommt. Bei zuneh­ mender Belastung verlagert sich die Abdichtung von der ersten auf die zweite Stufe mit der Folge, daß die auf die Dichtlippen wirkende Kraft nach oben hin begrenzt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür ge­ sorgt, daß die beiden Ventilsitze in der Höhe versetzt sind, so daß bei der Schließbewegung zunächst der eine und dann der andere Ventilsitz geschlossen wird. Auf diese Weise kann eine geknickte Ventilcharakteristik erreicht werden, bei der mit zunehmender Hubhöhe der Durchfluß zunächst langsam und dann rascher ansteigt.

Besonders empfehlenswert ist die Anwendung des Hubven­ tils auf einen Leckage-Detektor, bei dem das Verschluß­ stück durch eine erste Schließfeder entgegen der Durch­ flußrichtung belastet ist und eine Hubhöhen-Meßvorrich­ tung zur Messung des Durchflusses vorgesehen ist. Das Hubventil öffnet in Abhängigkeit von der Durchflußmen­ ge. Es läßt sich ein sehr großer Bereich des Durchflus­ ses bei verhältnismäßig geringem Druckabfall erfassen.

Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, daß das Verschlußstück durch eine zweite Schließfeder belastbar ist, die durch ein Widerlager in einer unwirksamen Stellung gehalten wird, und daß das Widerlager mittels einer Stellvorrichtung in eine die zweite Schließfeder freigebende Stellung bewegbar ist. Mit Hilfe der zwei­ ten Schließfeder kann das Hubventil sicher geschlossen gehalten werden. Da der abzudichtende Druck nur auf ei­ ner Ringfläche des Verschlußstücks wirkt, genügt eine zweite Schließfeder mit begrenzter Kraft, so daß auch die Verstellung des Widerlagers mit relativ geringen Kräften möglich ist.

Für die Anwendung auf einen Leckage-Detektor ist es ferner günstig, daß das Verschlußstück einen Meßrotor trägt, der in einem die Ringnut überbrückenden Neben­ strompfad liegt und dem eine Drehzahl-Meßvorrichtung zur Messung des Durchflusses zugeordnet ist. Da das Hubventil schon bei geringer Hubhöhe große Durchfluß­ mengen zuläßt, dient der Meßrotor dazu, auch bei klei­ nen Durchflußmengen genaue Ergebnisse zu erzielen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür ge­ sorgt, daß eine Markierungen des Meßrotors abtastende Impuls-Meßvorrichtung durch Auswertung der Impulsfre­ quenz die Drehzahl und durch Auswertung des Impuls- Pausen-Verhältnisses die Huhbhöhe ermittelt. Auf sehr einfache Weise lassen sich daher die Drehzahlmessung und die Hubhöhenmessung ausführen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher be­ schrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen Längsquerschnitt durch ein erfindungs­ gemäß ausgestaltetes Hubventil,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsge­ mäß ausgestalteten Leckage-Detektor und

Fig. 3 in vergrößerter Darstellung den Bereich A des Ventilsitzes in Fig. 2.

Das Hubventil in Fig. 1 weist ein Gehäuse 1 mit einem eingangsseitigen Anschlußraum 2 und einem ausgangssei­ tigen Anschlußraum 3 auf. Dazwischen befindet sich ein Einsatz 4, der am Ende einer mit dem eingangsseitigen Anschlußraum 2 in Verbindung stehenden Ringnut 5 einen äußeren Ventilsitz 6 und einen inneren Ventilsitz 7 trägt. Das offene Ende der Ringnut 5 bildet einen schmalen Kanalquerschnitt F, bei dem das Verhältnis der Länge des äußeren Ventilsitzes 6 zum Abstand vom inne­ ren Ventilsitz 7 etwa 35 beträgt. Ein Verschlußstück 8, das von einer in Öffnungsrichtung wirkenden Rückstell­ feder 9 belastet ist, wird in einem weiteren Einsatz 10, der durch Verdrehen die Einstellung des k_v-Wertes ermöglicht, geführt. Das Verschlußstück 8 kann mit Hil­ fe eines Stiftes 11, der durch eine Stopfbuchse 12 nach außen geführt ist, von einem nicht veranschaulichten Stellglied axial verstellt werden. Beispielsweise ist das Stellglied ein Thermostat, der mit steigender Au­ ßentemperatur das Ventil schließt.

Das Verschlußstück 8 trägt eine ringförmige Dichtung 13, an der eine radial nach außen vorstehende äußere Dichtlippe 14, die mit dem äußeren Ventilsitz 6 zusam­ menwirkt, und eine radial nach innen vorstehende innere Dichtlippe 15, die mit dem inneren Ventilsitz 7 zusam­ menwirkt, angeformt sind. Die beiden Ventilsitze 6 und 7 haben eine gerundete Stirnfläche. Außerdem ist dafür gesorgt, daß der Bereich 16 außerhalb des äußeren Ven­ tilsitzes 11 und über Durchtrittskanäle 18 der Bereich 17 innerhalb des inneren Ventilsitzes 7 mit dem aus­ gangsseitigen Anschlußraum 3 verbunden sind.

Wie durch die Pfeile 19 angegeben ist, teilt sich bei geöffnetem Ventil der über die Ringnut 5 zugeführte Flüssigkeitsstrom auf. Der eine Teil geht durch den zwischen äußerem Ventilsitz 6 und zugehöriger Dichtlip­ pe 14 gebildeten Spalt direkt in den Bereich 16 und da­ mit in den ausgangsseitigen Anschlußraum 3. Der andere Teil geht über den Spalt zwischen dem inneren Ventil­ sitz und der zugehörigen Dichtlippe 15 über den Bereich 17 und die Öffnungen 18 in den ausgangsseitigen An­ schlußraum 3. Schon geringe Hubhöhen genügen, um große Durchflußmengen passieren zu lassen. Der Eingangsdruck wirkt lediglich im Bereich der Ringnut 5, also der Flä­ che des Kanalquerschnitts F, auf das Verschlußstück 8. Entsprechend klein sind die Kräfte, die die Stellvor­ richtung benötigt, um das Verschlußstück zu verstellen.

Die ringförmige Dichtung 13 besteht in üblicher Weise aus Gummi oder einem elastischen Kunststoff. Die daran angeformten Dichtlippen 14 und 15 sind daher weich und federnd; sie schließen mit einer kleinen Kraft dicht ab, da sie sich dem Ventilsitz 6, 7 gut anpassen.

Bei dem Leckage-Detektor gemäß den Fig. 2 und 3 werden für entsprechende Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen verwendet.

Zunächst ist festzustellen, daß das Längen-Abstands- Verhältnis des Kanalquerschnitts F etwa bei 45 liegt. Geringe Hubhöhen erlauben daher einen erheblichen Durchfluß.

Wie aus Fig. 3 erkennbar, ist der innere Ventilsitz 107 gegenüber dem äußeren Ventilsitz 106 in der Höhe ver­ setzt, so daß bei einer Schließbewegung zunächst der Ventilsitz 107 mit der Dichtlippe 115 in Eingriff kommt und erst danach der Ventilsitz 106 mit der Dichtlippe 114. Dies führt zu einer geknickten Ventilcharakteri­ stik, weil zu Beginn der Hubbewegung lediglich ein Ab­ strömareal, nämlich zwischen dem Ventilsitz 106 und der Dichtlippe 114, vorhanden ist und das zweite Areal zwi­ schen dem Ventilsitz 107 und der Dichtlippe 115 erst danach geöffnet wird.

Der äußere Ventilsitz 106 und der innere Ventilsitz 107 sind zweistufig ausgelegt. Die erste Stufe 120, 121 wird durch eine ringförmige Erhebung, die zweite Stufe 122, 123 durch die Außenkante der Ringnut 105 gebildet. Mit der ersten Stufe 120, 121 wirken die Dichtlippen 114, 115 zusammen, mit der zweiten Stufe 122, 123 der Bereich des Lippenansatzes an der Dichtung 113.

Im Normalbetrieb ist das Verschlußstück 108 durch eine relativ schwache Schließfeder 124 belastet. Das Ver­ schlußstück 108 nimmt deshalb eine vom Durchfluß abhän­ gige Hubhöhe ein. Das Hubventil dient daher in Verbin­ dung mit einer noch zu beschreibenden Hubhöhen-Meßvor­ richtung als Durchflußmesser.

Eine stärkere Schließfeder 125 wird normalerweise durch ein Widerlager 126 außer Eingriff mit dem Verschluß­ stück 108 gehalten. Das Widerlager 126 wird von einem Einsatz 127 getragen, der durch eine Stellvorrichtung 128 über einen Stift 129 verstellbar ist. Die Stellvor­ richtung kann beispielsweise ein Elektromotor sein, aber auch manuell bedienbar sein. Wenn sich der Stift 129 und der Einsatz 127 nach oben bewegen, und damit die Schließfeder 125 wirksam gemacht wird, schließt das Hubventil unter dem Einfluß beider Schließfedern 124 und 125, wobei eine Abdichtung an beiden Stufen 120, 121 und 122, 123 erfolgt. Das Hubventil dient hierbei als Sperrvorrichtung.

Im Verschlußstück 108 ist ein Meßrotor 130 gelagert, der über eine Düse 131 aus dem eingangsseitigen An­ schlußraum 102 mit Flüssigkeit versorgt wird, die über einen Kanal 132 in den ausgangsseitigen Anschlußraum 103 abströmen kann. Düse 131, Meßrotor 130 und Kanal 132 bilden einen Nebenstrompfad, der die Ringnut 105 und damit das Hubventil überbrückt. Mit dem Meßrotor 130 können kleine Durchflußmengen ermittelt werden, in­ dem die Drehzahl des Meßrotors 130 festgestellt wird.

Eine elektro-optische Impuls-Meßvorrichtung 133, bei der ein Lichtstrahl durch Markierungen 134 in der Form von Flügeln des Meßrotors 130 unterbrochen wird, er­ zeugt eine Impulsfolge, die über den Eingang 135 in ei­ ne Auswerteschaltung 136 eingeleitet wird. Die Impuls­ frequenz ist ein Maß für die Drehzahl des Meßrotors. Das Impuls-Pausen-Verhältnis ist ein Maß für die Hubhö­ he des Verschlußstücks und damit des Meßrotors 130, weil sich bei gleichbleibender Flügeldicke der Abstand zwischen benachbarten Flügeln mit der Hubhöhe ändert. Die Impuls-Meßvorrichtung 133 bildet daher in Verbin­ dung mit der Auswerteschaltung 136 eine Hubhöhen-Meß­ vorrichtung und eine Drehzahl-Meßvorrichtung.

Damit ergibt sich die folgende Betriebsweise des Lecka­ ge-Detektors. Kleine Durchflußmengen werden aufgrund der Drehung des Meßrotors 130 bei geschlossenem Hubven­ til festgestellt. Größere Durchflußmengen werden auf­ grund der Hubhöhe des Verschlußstücks 108 ermittelt und dem Durchfluß über den Meßrotor 130 hinzugefügt. Wenn die Auswerteschaltung 136 anhand verschiedener Kriteri­ en ein Leck, sei es ein Kleinleck oder ein Großleck, feststellt, wird die Stellvorrichtung 128 derart betä­ tigt, daß die stärkere Schließfeder 125 wirksam wird und das Hubventil schließt. Gleichzeitig kann der Ne­ benstrompfad geschlossen werden, indem die Düse 131 durch eine Abdeckung 137 am Einsatz 127 verschlossen wird.

Unter einem "schmalen Kanalquerschnitt" wird eine Flä­ che verstanden, bei der die Länge der beiden Ventilsit­ ze ein Vielfaches des Abstandes zwischen diesen beiden Ventilsitzen ist. Bevorzugt ist ein Längen-Abstands- Verhältnis von mindestens 5, vorzugsweise 10 bis 80 und insbesondere 30 bis 60. Der Abstand ist über die Ven­ tilsitzlänge vorzugsweise konstant, kann sich aber im Rahmen des zuvor genannten Längen-Abstands-Verhält­ nisses ändern.

Claims (10)

1. Hubventil, mit einem Ventilsitz und einem damit zu­ sammenwirkenden Verschlußstück, die zwischen zwei Anschlußräumen angeordnet sind, wobei zu beiden Seiten eines mit dem einen Anschlußraum verbundenen schmalen Kanalquerschnitts je ein erster und ein zweiter Ventilsitz gebildet ist, das Verschlußstück mit beiden Ventilsitzen zusammenwirkt und die bei­ den Bereiche, die auf der dem schmalen Kanalquer­ schnitt gegenüberliegenden Seite an die beiden Ven­ tilsitze anschließen, mit dem anderen Anschlußraum verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (8; 108) eine für beide Ventilsitze gemeinsame Dichtung (13; 113) aufweist, die eine nach der einen Seite des Kanalquerschnitts vorste­ hende Dichtlippe (14; 114) und eine nach der ande­ ren Seite des Kanalquerschnitts vorstehende Dicht­ lippe (15; 115) aufweist, von denen die eine Dicht­ lippe mit dem ersten und die andere mit dem zweiten Ventilsitz (6, 7; 106, 107) zusammenwirkt.

2. Hubventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schmale Kanalquerschnitt (F) ringförmig ist, so daß sich ein äußerer und ein innerer ring­ förmiger Ventilsitz (6, 7; 106, 107) ergibt, und daß die eine Dichtlippe (14, 15; 114, 115) radial nach außen und die andere radial nach innen von derselben ringförmigen Dichtung (13; 113) vorsteht.

3. Hubventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der schmale Kanalquerschnitt (F) durch eine Nut (5; 105) gebildet ist.

4. Hubventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ventilsitze (6, 7; 106, 107) an ihrer Stirnseite gerundet sind.

5. Hubventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ventilsitze (106, 107) derart gestuft sind, daß bei geringer Belastung in Schließrichtung die Dichtlippen (114, 115) an der ersten Stufe (120, 121) und bei stärkerer Belastung die Dichtung (113) im Bereich des Lippenansatzes an der zweiten Stufe (122, 123) zur Anlage kommt.

6. Hubventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventilsitze (106, 107) in der Höhe versetzt sind, so daß bei der Schließbewegung zunächst der eine (107) und dann der andere (106) Ventilsitz geschlossen wird.

7. Hubventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn­ zeichnet durch die Anwendung auf einen Leckage- Detektor bei dem das Verschlußstück (108) durch ei­ ne erste Schließfeder (124) entgegen der Durch­ flußrichtung belastet ist und eine Hubhöhen- Meßvorrichtung zur Messung des Durchflusses vorge­ sehen ist.

8. Hubventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (108) durch eine zweite Schließfeder (125) belastbar ist, die durch ein Widerlager (126) in einer unwirksamen Stellung gehalten wird, und daß das Widerlager (126) mittels einer Stellvorrichtung (128) in eine die zweite Schließfeder (125) freigebende Stellung bewegbar ist.

9. Hubventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (108) einen Meßrotor (130) trägt, der in einem die Ringnut (105) überbrückenden Nebenstrompfad liegt und dem eine Drehzahl-Meßvorrichtung zur Messung des Durch­ flusses zugeordnet ist.

10. Hubventil nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Markierungen (134) des Meßrotors (130) abtastende Impuls-Meßvorrichtung (133) durch Auswertung der Impulsfrequenz die Drehzahl und durch Auswertung des Impuls-Pausen-Verhältnisses die Hubhöhe ermittelt.