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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rückschlagventil umfassend ein Gehäuse aufweisend einen Einlass, einen Auslass, einen Fluidströmungsweg zwischen dem Einlass und dem Auslass und einen Ventilsitz in dem Fluidströmungsweg, wobei der Ventilsitz eine Ventilsitzachse, ein Ventilelement, ein im Gehäuse angeordneter und das Ventilelement tragender Ventilelementträger aufweist, wobei ein Abschnitt des Fluidströmungsweges zwischen dem Gehäuse und dem Ventilelementträger ausgebildet ist und das Ventilelement zwischen einer Position, in der es am Ventilsitz anliegt, und einer Position, in der am Ventilelementträger anliegen, bewegbar ist.
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Ein solches Rückschlagventil ist beispielsweise aus der
EP 1 640 584 B1 bekannt.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Rückschlagventil mit einer gro-ßen Durchflusskapazität bis zu 100 m3/h. Ein solches Rückschlagventil hat einen großen Durchmesser von bis zu drei Zoll und ist insbesondere für die Entsalzung von Salzwasser mittels Umkehrosmose oder die Aufbereitung von Abwasser geeignet.
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Ein Rückschlagventil sollte sich so weit wie möglich öffnen, wenn der Durchfluss in die Durchflussrichtung gerichtet ist, die Öffnungsbewegung sollte so schnell wie möglich erfolgen. Das Rückschlagventil sollte so schnell wie möglich schlie-ßen, wenn sich die Durchflussrichtung umkehrt. Außerdem muss das Rückschlagventil auch dann zuverlässig funktionieren, wenn es in einer Lage eingebaut ist, in welcher das Ventilelement entgegen der Schwerkraftrichtung bewegt werden muss. Daher muss eine Krafterzeugungseinrichtung, die das Ventilelement in Schließrichtung treibt, mindestens eine Kraft erzeugen, die ein Festsitzen des Ventilelements überwindet. Wenn die Strömungsrichtung durch das Ventil in Richtung der Schwerkraft nach oben verläuft, muss das Krafterzeugungsmittel in der Lage sein, die Wirkung der Schwerkraft auf das Ventilelement zu überwinden.
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Der Effekt der Kombination von Öffnungskräften, die durch den Flüssigkeitsstrom erzeugt werden, und den Schließkräften in der entgegengesetzten Richtung führt zu dem Effekt, dass das Ventilelement, obwohl es so bewegt werden kann, dass es den Ventilelementträger berührt, nicht am Ventilelementträger anliegt. Dies erhöht die Strömungsverluste, da das Ventil nicht vollständig geöffnet ist, und führt zu Verschleiß.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist eine einfache Konstruktion eines Rückschlagventils mit geringem Druckverlust und Verschleiß zu haben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Rückschlagventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die Aussparung ist in einer Seitenwand des Ventilelementträgers ausgebildet. Durch den Abschnitt des Strömungsweges strömendes Fluid erzeugt in der Aussparung eine Wirbelbildung, die wiederum den Druck in der Aussparung senkt. Dieser niedrigere Druck breitet sich in den Raum zwischen dem Ventilelement und dem Ventilelementträger aus, was zu dem Effekt führt, dass das Ventilelement von dem einströmenden Fluid nicht nur in Richtung des Ventilelementträgers gedrückt, sondern zusätzlich in eine Richtung zu dem Ventilelementträger mitgezogen wird. Dies verbessert das Öffnungsverhalten des Rückschlagventils, da das Ventilelement relativ schnell zum Ventilelementträger bewegt werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung bilden das Ventilelement und der Ventilelementträger eine Kammer, wenn das Ventilelement an dem Ventilelementträger anliegt, wobei die Kammer über die Aussparung mit dem Abschnitt des Fluidströmungsweges verbunden ist. Der durch die Wirbelbildung in der Aussparung erzeugte Unterdruck breitet sich in die Kammer zwischen dem Ventilelement und dem Ventilelementträger aus und zieht das Ventilelement gegen den Ventilelementträger.
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Dadurch wird das Risiko des Abhebens des Ventilelements von dem Ventilelementträger verringert. Das Ventilelement kann zuverlässig an dem Ventilelementträger gehalten werden, so dass eine Bewegung zwischen dem Ventilelement und dem Ventilelementträger verhindert werden kann, sobald sich das Ventilelement in der vollständig geöffneten Position befindet und an dem Ventilelementträger anliegt. Das Ventilelement wird gegen den Ventilelementträger gesaugt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilelement auf der dem Ventilelementträger zugewandten Seite konkav. Die konkave Form ist ein einfacher Weg, die Kammer zu bilden, in welcher der Unterdruck gleichmäßig über die gesamte Fläche des Ventilelements verteilt werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilelement an einer dem Ventilelementträger abgewandten Seite flach oder konkav. Auf diese Weise erzeugt das Ventilelement einen größeren Strömungswiderstand für den Fluidstrom durch das Rückschlagventil. Dieser größere Strömungswiderstand wird genutzt, um das Rückschlagventil schnell zu öffnen und das Rückschlagventil in der offenen Position zu halten.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Ventilelement einen Schaft, der im Ventilelementträger geführt ist. Auf diese Weise ist es möglich, das Ventilelement nur entlang der Ventilsitzachse zu bewegen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung bildet eine Buchse aus einem Material verschieden von dem Material des Ventilelementträgers eine Führung des Schafts. Die Buchse ist in dem Ventilelementträger angeordnet. Der Schaft hat keinen direkten Kontakt mit dem Ventilelementträger, sondern nur mit der Buchse. Dies hat den Vorteil, dass das Material des Ventilelementträgers frei gewählt werden kann, zum Beispiel aus wirtschaftlichen Gründen. Weiterhin kann das Material der Buchse so gewählt werden, dass eine Reibung zwischen dem Schaft und der Buchse geringgehalten werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Feder um den Schaft herum angeordnet und der Ventilelementträger weist eine den Schaft aufnehmende Bohrung, eine die Bohrung umgebende Nut und eine Wand zwischen der Bohrung und der Nut auf, wobei ein Teil der Feder in der Nut angeordnet ist. Auf diesem Weg ist es möglich, eine Feder mit einem niedrigen Federkraftverhältnis zu verwenden. Eine niedrige Federkraft ist in der komprimierten Position (offenes Ventil) gewollt und eine hohe Federkraft ist in der expandierten Position (geschlossenes Ventil, Feder drückt Ventilelement gegen Ventilsitz) gewollt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilelementträger aus Kunststoffmaterial gefertigt. Ein Kunststoffmaterial kann einfach geformt werden, zum Beispiel durch Spritzgießen oder durch 3D-Druck. Außerdem ist es in den meisten Fällen kostengünstiger als ein Metall.
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In einer Ausführungsform der Erfindung hat die Aussparung eine gekrümmte Form. Die Aussparung kann beispielsweise durch einen Abschnitt einer Zylinderwand oder einer Konuswand begrenzt sein, wobei die Achse dieser Zylinderwand oder Konuswand außerhalb des Ventilelementträgers liegt. Eine solche abgerundete Aussparung ist einfach herzustellen und erzeugt den Wirbel mit dem erforderlichen Effekt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Ventilelementträger eine Vielzahl von Armen, die den Ventilelementträger mit dem Gehäuse verbinden.
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Die Arme sind integral mit dem Ventilelementträger. Üblicherweise ist eine Anzahl von drei Armen ausreichend. Die Aussparung kann zwischen zwei Armen angeordnet sein. In einem Bereich zwischen zwei Armen ist die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids am größten. Es ist auch möglich, zwischen jedem Paar von Armen eine Aussparung anzuordnen. Mit anderen Worten, wenn es drei Arme gibt, gibt es auch drei Aussparungen. Die Arme und die Aussparungen sind gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Arme durch einen Ring verbunden. Dies trägt zur Stabilität der Positionierung des Ventilelementträgers in dem Gehäuse bei.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Ring zwischen einer Stufe im ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil geklemmt. Die Stufe im ersten Gehäuseteil ermöglicht eine präzise Positionierung des Ventilelementträgers in Bezug auf den Ventilsitz.
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In einer Ausführungsform der Erfindung trägt der Ring einen Dichtungsring. Der Dichtungsring verhindert das Austreten von Flüssigkeit nach außen, zum Beispiel durch einen Spalt oder eine Kontaktfläche zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist das zweite Gehäuseteil einen umlaufenden Vorsprung auf, der in einen radialen Spalt zwischen dem Ring und dem ersten Gehäuseteil eingesetzt ist und den Dichtungsring zusammendrückt. Der Dichtungsring wird in axialer Richtung komprimiert und nimmt Toleranzen in der Höhe des Ringes auf. Durch dieses Zusammendrücken kann sich oder versucht sich der Ring in eine Richtung senkrecht zur axialen Richtung auszudehnen. Das bedeutet, dass der Dichtungsring gegen das erste Gehäuseteil an der radialen Außenseite und gegen den die Arme verbindenden Ring an der radialen Innenseite gepresst wird und somit das Gehäuse nach außen abdichtet.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Rückschlagventils zeigt und
- 2 einen Ventilelementträger in perspektivischer Ansicht zeigt.
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1 zeigt schematisch in einer Schnittansicht ein Rückschlagventil 1. Das Rückschlagventil 1 umfasst ein Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil 2 und einem zweiten Gehäuseteil 3. Das erste Gehäuseteil 2 und das zweite Gehäuseteil 3 sind mittels Schrauben 4 oder ähnlichem verbunden, z.B. einer Victaulic-Klammer. Es ist auch möglich, das zweite Gehäuseteil 3 durch ein Rohr oder ein Ende eines Rohres zu ersetzen.
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Das erste Gehäuseteil umfasst einen Einlass 5. Das zweite Gehäuseteil 3 umfasst einen Auslass 6. Die Begriffe „Einlass“ und „Auslass“ beziehen sich auf die Strömung von Flüssigkeit durch das Rückschlagventil 1.
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Das erste Gehäuseteil 5 umfasst einen Ventilsitz 7, der zwischen dem Einlass 5 und dem Auslass 6 angeordnet ist. Der Ventilsitz 7 definiert eine Ventilsitzachse 8. In der vorliegenden Ausführungsform fällt die Ventilsitzachse 8 mit der Mittelachse des Einlasses 5 und des Auslasses 6 zusammen.
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Das Rückschlagventil 1 umfasst ein Ventilelement 9. Das Ventilelement 9 umfasst einen Ventilelementring 10, zum Beispiel in Form eines O-Rings.
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Das Ventilelement 9 umfasst einen Schaft 11, mit dem das Ventilelement 9 in einem Ventilelementträger 12 geführt wird.
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Der Ventilelementträger 12 kann aus einem Kunststoffmaterial gemacht sein. Er umfasst eine Bohrung, in der eine Buchse 13 angeordnet ist. Die Buchse 13 ist aus einem Material verschieden vom Material des Ventilelementträgers 12 gemacht. Die Buchse kann zum Beispiel aus Polyetheretherketon (PEEK) bestehen. Das Material des Ventilelementträgers 12 kann ein billigeres Material sein, zum Beispiel POM.
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Der Schaft 11 kann aus demselben Material bestehen wie das Ventilelement 9. Dieses Material kann zum Beispiel rostfreier Stahl sein. Dasselbe Material kann für die beiden Gehäuseteile 2, 3 verwendet werden.
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Das Ventilelement 9 umfasst eine Stirnfläche 14, die flach (wie dargestellt) oder konkav ist. Diese Stirnfläche 14 ist von dem Ventilelementträger 12 abgewandt.
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Auf der dem Ventilelementträger 12 zugewandten Seite ist das Ventilelement 9 konkav, wobei eine Kammer 15 zusammen mit dem Ventilelementträger gebildet wird, wenn das Ventilelement 9 mit seinem Außenrand 16 den Ventilelementträger berührt.
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Der Ventilelementträger weist drei Aussparungen 17 auf, die über den Umfang des Ventilelementträgers 12 verteilt sind. Die Aussparungen 17 sind Ausschnitte in einer Umfangswand des Ventilelementträgers 12. Sie sind abgerundet. Die runde Form kann zum Beispiel einem Teil einer Außenfläche eines Zylinders oder eines Konus entsprechen. Ein Boden 18 der Aussparungen 17 verläuft vorzugsweise parallel zur Ventilsitzachse 8.
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Ein Strömungsweg zwischen dem Einlass 5 und dem Auslass 6 umfasst einen Abschnitt 19 zwischen dem Ventilelementträger 12 und dem ersten Gehäuseteil 2. Die Aussparungen 17 sind in diesem Abschnitt 19 lokalisiert.
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Das Ventilelement 9 ragt in radialer Richtung (in Bezug auf die Ventilsitzachse 8) über den Ventilelementträger 12 hinaus. Das Ventilelement 9 zusammen mit dem Ventilelementträger 12 hat die Form eines Tropfens, wenn das Ventilelement 9 auf dem Ventilelementträger 12 aufliegt.
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Ein Flüssigkeitsstrom, der den Abschnitt 19 passiert, erzeugt einen Wirbel in den Aussparungen 17. Diese Wirbelbildung senkt den Druck in den Vertiefungen 17. Dieser verringerte Druck breitet sich in die Kammer 15 aus und erzeugt eine Mitnahme- oder Saugkraft, die das Ventilelement 9 an den Ventilelementträger 12 saugt.
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Wenn das Rückschlagventil im vollständig geöffneten Zustand ist, wie in 1 dargestellt, in dem das Ventilelement 9 am Ventilelementträger 12 anliegt, wird das Ventilelement 9 somit zuverlässig gegen dem Ventilelementträger 12 gehalten. Die durch den Wirbel in den Aussparungen 17 erzeugte Saugkraft und die durch die von der Einlassseite auf das Ventilelement 9 wirkende Fluidströmung erzeugte Kraft ist größer als die Kraft einer Feder 20, die auf das Ventilelement 9 in Schließrichtung, das heißt, von dem Ventilelementträger 12 weg, wirkt.
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Der reduzierte Druck in den Aussparungen 17 wirkt nicht nur dann auf das Ventilelement 9, wenn das Ventilelement 9 im vollständig geöffneten Zustand ist. Sobald eine Strömung durch das Rückschlagventil 1 aufgebaut ist und die Aussparungen 17 erreicht, wird ein reduzierter Druck zwischen dem Ventilelement 9 und dem Ventilelementträger 12 produziert, der hilft, das Ventilelement 9 in Richtung des Ventilelementträgers 12 zu bewegen.
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Der Ventilelementträger 12 umfasst drei Arme 21, die in Umfangsrichtung verteilt sind. Die Arme 21 sind in einem Stück mit dem Ventilelementträger 12 gefertigt. Die Arme 21 sind durch einen Ring 22 verbunden.
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Das erste Gehäuseteil 2 umfasst eine Stufe 23. Im angebrachten Zustand liegt der Ring 22 an der Stufe 23 an und wird an der Stufe 23 mittels des zweiten Gehäuseteils 3 oder, wenn ein Rohr anstelle des zweiten Gehäuseteils verwendet wird, durch das Rohr gehalten. Auf diesem Weg ist es möglich, den Ventilelementträger 12 mit hoher Präzision in Bezug auf den Ventilsitz 7 zu positionieren.
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Ein Dichtungsring 24 ist an der radialen Außenseite des Rings 22 angeordnet. Das zweite Gehäuseteil 3 umfasst einen umlaufenden Vorsprung 25, der in einen radialen Spalt zwischen dem Ring 22 und dem ersten Gehäuseteil 2 eingesetzt ist. Wenn das zweiten Gehäuseteils 3 mit dem ersten Gehäuseteil 2 verbunden wird, kommt dieser umlaufende Vorsprung 25 in Kontakt mit dem Dichtungsring 24 und drückt diesen in axialer Richtung leicht zusammen. Der Dichtungsring 24, der in Form eines O-Rings ist, wird dadurch in axialer Richtung zusammengedrückt und in radialer Richtung expandiert, das heißt, er wird in radialer Richtung nach außen an die Innenseite des ersten Gehäuseteils 2 und in radialer Richtung nach innen an die radiale Außenfläche des Rings 22 gedrückt. Somit wird der Ventilelementträger 12 im ersten Gehäuseteil 2 über den Dichtungsring 24 positioniert.
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Der Ventilsitzträger 12 weist eine Nut 26 auf, die einen Teil der Feder 20 aufnimmt. Eine Wand 27 ist zwischen der Nut 26 und der Bohrung des Ventilsitzträgers 12, die den Schaft 11 aufnimmt, angeordnet. Dadurch ist es möglich, eine Feder 20 mit einem relativ großen Durchmesser zu verwenden. Die Folge ist, dass die Feder 20 relativ lang gemacht werden kann und dadurch ein geringeres Federkraftverhältnis hat. Dies hat den Effekt, dass der Ventilelementträger 12 nahe an den Ventilsitz 7 positioniert werden kann, so dass in einer geschlossenen Position des Rückschlagventils 1 die freie oder ungestützte Länge des Schafts 11 kurz gehalten werden kann.
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Der Ventilelementträger 12 kann spritzgegossen, gefräst oder 3D-gedruckt sein.
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Im Prinzip wäre eine einzige Aussparung 17 ausreichend. Um jedoch Mitnahmekräfte, die gleichmäßig zwischen dem Ventilelement 9 und dem Ventilelementträger 12 verteilt sind, zu haben, ist mehr als eine Aussparung 17 bevorzugt.
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Die Aussparungen 17 sind in dem Abschnitt 19 des Strömungsweges, in dem das Fluid eine hohe Geschwindigkeit hat, angeordnet.
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Ein solches Rückschlagventil ist insbesondere geeignet, einen großen Volumenstrom von bis zu 100 m3/h zu kontrollieren. Der Auslass 6 kann einen Innendurchmesser von 60 bis 100 mm haben. Das Rückschlagventil 1 kann vorzugsweise für die Entsalzung von Salzwasser oder die Behandlung von Abwasser durch Umkehrosmose verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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