DE202023105489U1

DE202023105489U1 - Valve cage for a control valve with an elastic area

Info

Publication number: DE202023105489U1
Application number: DE202023105489.7U
Authority: DE
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 2023-09-20
Filing date: 2023-09-20
Publication date: 2023-10-17
Anticipated expiration: 2033-09-21

Abstract

Ventilkäfig (3) für ein Stellventil (100) zum Anordnen in einer Prozessfluidleitung einer prozesstechnischen Anlage, insbesondere einer chemischen Anlage, aufweisend
einen hohlzylinderförmigen Körper (30), welcher sich entlang einer Mittelachse (m) erstreckt und wenigstens einen Drosselbereich (A) und einem elastischen Bereich (B) aufweist, wobei
der Drosselbereich (A) mehrere Drosselöffnungen (31) aufweist, welche eine Innenseite des hohlzylinderförmigen Körpers (30) mit einer Außenseite des hohlzylinderförmigen Körpers (30) fluidisch verbinden, und
der elastische Bereich (B) mehrere Federelemente (321, 331) aufweist, welche sich in einer axialen Richtung erstrecken und in eine tangentiale Richtung oder eine radiale Richtung zum Körper (30) geneigt sind.

Valve cage (3) for a control valve (100) for arrangement in a process fluid line of a process plant, in particular a chemical plant
a hollow cylindrical body (30) which extends along a central axis (m) and has at least one throttle region (A) and an elastic region (B), wherein
the throttle area (A) has a plurality of throttle openings (31) which fluidly connect an inside of the hollow cylindrical body (30) to an outside of the hollow cylindrical body (30), and
the elastic region (B) has a plurality of spring elements (321, 331) which extend in an axial direction and are inclined in a tangential direction or a radial direction to the body (30).

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilkäfig für ein Stellventil (Hubventil) zum Anordnen in einer Prozessfluidleitung einer prozesstechnischen Anlage, insbesondere einer chemischen Anlage, mit einem elastischen Bereich. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Stellventil mit dem erfindungsgemäßen Ventilkäfig.The invention relates to a valve cage for a control valve (lift valve) for arrangement in a process fluid line of a process engineering system, in particular a chemical system, with an elastic region. The invention further relates to a control valve with the valve cage according to the invention.

Zur Einstellung von Strömungen eines Prozessfluids werden in prozesstechnischen Anlagen Stellventile eingesetzt. Diese bestehen meist aus einem Ventilgehäuse mit einem Eingang und einem Ausgang für das Prozessfluid, wobei das Ventilgehäuse zwischen dem Einlass und dem Auslass eine Durchgangsöffnung aufweist. Zwischen Eingang und Ausgang im Bereich der Durchgangsöffnung ist dabei häufig ein Ventilkäfig in Form eines Hohlzylinders zur linearen Führung eines Ventilglieds (Stellglied) vorgesehen. Der Ventilkäfig hat wenigsten einen quer zu der Axialrichtung verlaufenden Durchlasskanal für das Prozessfluid, welcher meist mehrere am Umfang des Hohlzylinders verteilte Durchgangsöffnungen aufweist, die durch das Ventilglied je nach dessen Hubstellung freigegeben oder verschlossen werden. Im verschlossenen Zustand wird dabei die Prozessströmung vom Eingang zum Ausgang unterbunden und im geöffneten Zustand vollständig ermöglicht. Je mehr der Öffnungen durch das Stellglied freigegeben sind, desto größer ist folglich der Fluidstrom durch das Stellventil. Da der durch die Öffnungen gebildete Kanal im Ventilkäfig ebenfalls eine Drosselwirkung auf den Fluidstrom hat, wird im Rahmen der Anmeldung ebenfalls von Drosselöffnungen gesprochen.Control valves are used in process engineering systems to adjust the flow of a process fluid. These usually consist of a valve housing with an inlet and an outlet for the process fluid, with the valve housing having a through opening between the inlet and the outlet. Between the inlet and outlet in the area of the through opening, a valve cage in the form of a hollow cylinder is often provided for the linear guidance of a valve member (actuator). The valve cage has at least one passage channel for the process fluid, which runs transversely to the axial direction and which usually has several through openings distributed around the circumference of the hollow cylinder, which are released or closed by the valve member depending on its stroke position. In the closed state, the process flow from the inlet to the outlet is prevented and in the open state it is completely enabled. The more of the openings are opened by the actuator, the greater the fluid flow through the control valve. Since the channel in the valve cage formed by the openings also has a throttling effect on the fluid flow, throttle openings are also referred to in the application.

Weiterhin besitzt das Hubventil für die Geschlossenstellung des Stellglieds einen Dichtsitzbereich. Dieser befindet sich meist direkt angrenzend am unteren Teil des Ventilkäfigs, also dem Teil, der der Durchgangsöffnung im Stellventil zugewendet ist. Das Ventilglied und der Dichtsitzbereich besitzen formkomplementäre Konturen, um Leckageverluste möglichst gering zu halten. Häufig wird der Ventilkäfig zwischen einem Ventildeckel und dem Ventilsitz axial geklemmt und radial, beispielsweise durch einen Formschluss fixiert. Es ist ebenfalls möglich den Ventilsitz an den Ventilkäfig anzuformen, sodass der Ventilkäfig zwischen dem Ventildeckel und der Durchgangsöffnung fixiert wird.Furthermore, the globe valve has a sealing seat area for the closed position of the actuator. This is usually located directly adjacent to the lower part of the valve cage, i.e. the part that faces the through opening in the control valve. The valve member and the sealing seat area have complementary contours in order to keep leakage losses as low as possible. The valve cage is often clamped axially between a valve cover and the valve seat and fixed radially, for example by a form fit. It is also possible to mold the valve seat onto the valve cage so that the valve cage is fixed between the valve cover and the through opening.

Bei derartigen Stellventilen mit einem Ventilkäfig kommt es aufgrund von Dimensionsschwankungen häufig zu ungewollten Leckageverlusten und/oder ungewollter Bewegungen einzelner Elemente im Stellventil. Die Dimensionsschwankungen sind dabei entweder auf Fertigungstoleranzen zwischen den einzelnen Bauteilen oder auf prozessbedingte Faktoren wie beispielsweise Temperaturschwankungen oder ähnliches zurückzuführen.With such control valves with a valve cage, unwanted leakage losses and/or unwanted movements of individual elements in the control valve often occur due to dimensional fluctuations. The dimensional fluctuations can be attributed either to manufacturing tolerances between the individual components or to process-related factors such as temperature fluctuations or the like.

Das Dokument EP 1 392 992 B1 aus dem Stand der Technik beschreibt ein Käfigventil, welches zwischen dem Ventildeckel und dem Ventilsitz im Gehäuse einen Ventilkäfig fixiert. Der Käfig besitzt im oberen Bereich einen wellenartig angeformten Deformationsbereich. Dieser elastische Deformationsbereich wird benötigt, um Fertigungstoleranzen auszugleichen und unterschiedliche Wärmedehnungen des Stellventilgehäuses und dem Deckel sowie dem Ventilkäfig auszugleichen, sodass der Käfig immer sicher zwischen dem Ventilgehäuse und dem Deckel geklemmt ist.The document EP 1 392 992 B1 from the prior art describes a cage valve, which fixes a valve cage between the valve cover and the valve seat in the housing. The cage has a wave-like deformation area in the upper area. This elastic deformation range is required to compensate for manufacturing tolerances and to compensate for different thermal expansions of the control valve housing and the cover and the valve cage, so that the cage is always securely clamped between the valve housing and the cover.

Das Dokument DE 2 602 577 A1 offenbart ebenfalls ein Käfigventil und beschreibt eine Möglichkeit für dessen Abdichtung zum Ventildeckel. Dazu wird eine elastische Membran als Dicht und Deformationskörper verwendet. Eine Ähnliche Anordnung geht auch aus der US 6 932 321 B2 hervor.The document DE 2 602 577 A1 also discloses a cage valve and describes a possibility for sealing it to the valve cover. For this purpose, an elastic membrane is used as a seal and deformation body. A similar arrangement also comes from the US 6,932,321 B2 out.

Käfigventile werden dabei ebenfalls häufig mittels additiver Fertigungsverfahren gefertigt, wie beispielsweise aus dem Patentdokument DE 10 2021 120 551 A1 hervorgeht. Die oben genannten Möglichkeiten zum Ausgleich von Dimensionsschwankungen sind dabei mit einem vergleichsweise hohen Fertigungsaufwand verbunden und insbesondere nicht durch ein additives Verfahren herstellbar.Cage valves are also often manufactured using additive manufacturing processes, such as those shown in the patent document DE 10 2021 120 551 A1 emerges. The above-mentioned options for compensating for dimensional fluctuations involve a comparatively high manufacturing effort and, in particular, cannot be produced using an additive process.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Ventilkäfig, welcher möglichst vollständig durch additive Fertigungsverfahren herstellbar ist und trotzdem den Ausgleich von Dimensionsschwankungen im Stellventil ermöglicht, und ein Stellventil mit einem erfindungsgemäßen Ventilkäfig bereitzustellen.It is therefore the object of the present invention to provide a valve cage which can be produced as completely as possible by additive manufacturing processes and still enables the compensation of dimensional fluctuations in the control valve, and to provide a control valve with a valve cage according to the invention.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche erfüllt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dabei in den Unteransprüchen enthalten.This task is accomplished by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are contained in the subclaims.

Der erfindungsgemäße Ventilkäfig für ein Stellventil zum Anordnen in einer Prozessfluidleitung einer prozesstechnischen Anlage, insbesondere einer chemischen Anlage, weist einen hohlzylinderförmigen Körper, welcher sich entlang einer Mittelachse erstreckt und wenigstens einen Drosselbereich und einen elastischen Bereich aufweist, auf, wobei der Drosselbereich mehrere Drosselöffnungen aufweist, welche eine Innenseite des hohlzylinderförmigen Körpers mit einer Außenseite des hohlzylinderförmigen Körpers fluidisch verbinden, und der elastische Bereich mehrere Federelemente aufweist, welche sich in einer axialen Richtung erstrecken und in eine tangentiale Richtung oder eine radiale Richtung zum Körper geneigt sind. Die axiale Richtung des Ventilkäfigs verläuft dabei in paralleler Richtung zur Mittelachse des hohlzylindrischen Körpers und wird ebenfalls als Aufbaurichtung bezeichnet. Die tangentiale Richtung ist definiert als die Richtung, in der sich ein gedachtes Objekt, das sich auf einer Kreisbahn bewegt, weiter fortbewegt, wenn es sich von der Kreisbahn löst. Die tangentiale Richtung verläuft dabei stets geradlinig. Die Kreisbahn wird dabei bezogen auf die Anmeldung durch den hohlzylinderförmigen Körper definiert, sodass ein Objekt entsprechend auf einer durch den hohlzylinderförmigen Körper definierten Kreisbahn um die Mittelachse rotieren würde. Die radiale Richtung hingegen ist definiert als Verlängerung einer Linie durch einen Punkt auf der Kreisbahn und die Mittelachse des hohlzylinderförmigen Körpers. Die tangentiale und die radiale Richtung sind somit für jeden Punkt auf der Kreisbahn unterschiedlich.The valve cage according to the invention for a control valve for arrangement in a process fluid line of a process plant, in particular a chemical plant, has a hollow cylindrical body which extends along a central axis and has at least one throttle region and an elastic region, the throttle region having a plurality of throttle openings, which fluidly connect an inside of the hollow cylindrical body to an outside of the hollow cylindrical body, and the elastic region has a plurality of spring elements which extend in an axial direction and inclined in a tangential direction or a radial direction to the body. The axial direction of the valve cage runs in a parallel direction to the central axis of the hollow cylindrical body and is also referred to as the construction direction. The tangential direction is defined as the direction in which an imaginary object moving in a circular path continues to move when it separates from the circular path. The tangential direction is always straight. The circular path is defined in relation to the registration by the hollow cylindrical body, so that an object would accordingly rotate around the central axis on a circular path defined by the hollow cylindrical body. The radial direction, on the other hand, is defined as the extension of a line through a point on the circular path and the central axis of the hollow cylindrical body. The tangential and radial directions are therefore different for each point on the circular path.

Durch einen derart gestalteten elastischen Bereich eines erfindungsgemäßen Ventilkäfigs können bei der Anordnung des Ventilkäfigs in einem entsprechenden Ventil Dimensionsschwankungen in axialer Richtung, also in Richtung der Mittelachse, ausgeglichen werden und ein im Betrieb stets festsitzender Ventilkäfig in Aufbaurichtung sichergestellt werden. Ein elastischer Bereich, der durch in Tangentialrichtung oder Radialrichtung geneigte Federelemente gebildet ist, kann dabei ebenfalls durch rein additive Fertigungsverfahren hergestellt werden, sodass eine Vereinfachung des Fertigungsprozesses erzielt werden kann.By means of an elastic region of a valve cage according to the invention designed in this way, dimensional fluctuations in the axial direction, i.e. in the direction of the central axis, can be compensated for when arranging the valve cage in a corresponding valve and a valve cage that is always firmly seated in the direction of construction can be ensured during operation. An elastic region, which is formed by spring elements inclined in the tangential or radial direction, can also be produced using purely additive manufacturing processes, so that the manufacturing process can be simplified.

Vorzugsweise ist der elastische Bereich an einer oberen Anlageseite ausgebildet. Die obere Anlageseite ist dabei als eine axiale Stirnseite des hohlzylinderförmigen Körpers, welche als Anlage für ein anderes Bauteil dient, zu verstehen. Die obere Seite ist dabei die von einer Durchgangsöffnung des Ventils abgewandte Seite des Ventilkäfigs. In üblichen Stellventilen wird der Ventilkäfig dabei axial zwischen Durchgangsöffnung des Ventils und Deckel des Ventilgehäuses eingeklemmt. Dazu können ebenfalls entsprechende ebenfalls hohlzylinderförmige Hülsen eingesetzt werden. Aufgrund der Tatsache, dass die untere Anlagenseite des Ventilkäfigs dicht mit dem Ventilsitz abschließen muss, ist die untere Anlagenseite des Ventilkäfigs vorzugsweise entsprechend dem Ventilsitz geformt. Hier einen elastischen Bereich vorzusehen wäre mit einem großen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand verbunden, sodass die Ausformung des elastischen Bereichs an der oberen Anlageseite bevorzugt ist.The elastic region is preferably formed on an upper contact side. The upper contact side is to be understood as an axial end face of the hollow cylindrical body, which serves as a contact for another component. The upper side is the side of the valve cage facing away from a through opening of the valve. In conventional control valves, the valve cage is clamped axially between the through-opening of the valve and the cover of the valve housing. Corresponding hollow cylindrical sleeves can also be used for this purpose. Due to the fact that the lower system side of the valve cage must seal tightly with the valve seat, the lower system side of the valve cage is preferably shaped according to the valve seat. Providing an elastic area here would involve a great deal of design and manufacturing effort, so the formation of the elastic area on the upper contact side is preferred.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Federelemente in die gleiche tangentiale oder radiale Richtung geneigt. Es sind ebenfalls Ausführungsformen denkbar, bei denen die Federelemente in unterschiedliche Richtungen geneigt sind, sodass beispielsweise eine Hälfte der Federelemente in die eine tangentiale Richtung und die andere Hälfte in die andere tangentiale Richtung geneigt sind.In a preferred embodiment, the spring elements are inclined in the same tangential or radial direction. Embodiments are also conceivable in which the spring elements are inclined in different directions, so that, for example, one half of the spring elements are inclined in one tangential direction and the other half in the other tangential direction.

Durch eine Ausbildung der Federelemente in die gleiche Richtung kann der Konstruktions- bzw. Fertigungsaufwand des Ventilkäfigs verringert werden.By designing the spring elements in the same direction, the design and manufacturing costs of the valve cage can be reduced.

Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Federelemente um maximal 75°, besonders bevorzugt maximal 70° und insbesondere bevorzugt 60° gegen eine Richtung parallel zur Mittelachse geneigt sind. Durch die Neigung der Federelemente kann dabei Einfluss auf die Federhärte des elastischen Bereichs genommen werden. Als Federhärte ist dabei der Widerstand der Federelemente gegen eine elastische Verformung zu verstehen, also die Kraft, die der verformenden Bewegung entgegenwirkt. Vorzugsweise sind dabei alle Federelemente um einen gleichen ersten Winkel gegen eine Richtung parallel zur Mittelachse geneigt. Durch den gleichen Winkel kann erreicht werden, dass die Federwirkung des elastischen Bereichs über den Umfang des hohlzylinderförmigen Ventilkäfigs konstant ist. Durch die Begrenzung der Neigung der Federelemente können die Überhänge der Federelemente begrenzt werden, sodass sie mit einem additiven Fertigungsverfahren ohne die Verwendung von Stützstrukturen herstellbar sind. Dadurch kann die Fertigung deutlich vereinfacht werden, da die Stützstrukturen nicht wieder durch mechanische Verfahren entfernt werden müssen.Also preferred is an embodiment in which the spring elements are inclined by a maximum of 75°, particularly preferably a maximum of 70° and particularly preferably 60°, against a direction parallel to the central axis. The inclination of the spring elements can influence the spring hardness of the elastic area. Spring hardness refers to the resistance of the spring elements to elastic deformation, i.e. the force that counteracts the deforming movement. Preferably, all spring elements are inclined by an equal first angle towards a direction parallel to the central axis. By using the same angle, it can be achieved that the spring action of the elastic region is constant over the circumference of the hollow cylindrical valve cage. By limiting the inclination of the spring elements, the overhangs of the spring elements can be limited so that they can be produced using an additive manufacturing process without the use of support structures. This means that production can be significantly simplified because the support structures do not have to be removed again using mechanical processes.

In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform ist ein Teil der Federelemente um einen ersten Winkel gegen die Richtung der Mittelachse geneigt und ein anderer Teil der Federelemente ist um einen zweiten Winkel gegen die Richtung der Mittelachse geneigt, wobei die Federelemente derart angeordnet sind, dass sich immer ein Federelement aus dem ersten Teil mit einem Federelement aus dem anderen Teil abwechselt. Durch die unterschiedlichen Winkel kann die Charakteristik des elastischen Bereichs hinsichtlich seiner Federhärte definiert werden. Wird ein derartig ausgebildeter Ventilkäfig in ein Stellventil eingesetzt, kommt zunächst beispielsweise nur der Teil der Federelemente mit den angrenzenden Bauteilen in Kontakt, welcher weniger geneigt ist, da diese Federelemente in axialer Richtung des Ventilkäfigs weiter überstehen als die Federelemente, welche stärker geneigt sind. Somit tragen auch nur die weniger stark geneigten Federelemente zur Elastizität, also elastischen Verformbarkeit, des elastischen Abschnitts bei. Erfolgt eine starke Verformung kommen ebenfalls die stärker geneigten Federelemente mit den angrenzenden Bauteilen in Kontakt und stellen einen zusätzlichen Widerstand gegen die verformende Bewegung dar. Es können auch drei oder mehr unterschiedliche Teile mit jeweils unterschiedlichen Neigungen vorgesehen werden.In a further advantageous embodiment, part of the spring elements is inclined by a first angle against the direction of the central axis and another part of the spring elements is inclined by a second angle against the direction of the central axis, the spring elements being arranged in such a way that there is always one spring element from the first part alternates with a spring element from the other part. The different angles can be used to define the characteristics of the elastic area in terms of its spring hardness. If a valve cage designed in this way is inserted into a control valve, initially only that part of the spring elements that is less inclined comes into contact with the adjacent components, since these spring elements protrude further in the axial direction of the valve cage than the spring elements that are more inclined. Thus, only the less inclined spring elements contribute to the elasticity, i.e. elastic deformability, of the elastic section. If there is a strong deformation, the more inclined spring elements also come into contact with the adjacent components and cause damage provides additional resistance to the deforming movement. Three or more different parts can also be provided, each with different inclinations.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es ebenfalls denkbar die Federelemente mit unterschiedlichen Längen bzw. Dicken auszugestalten, um weiterhin den Widerstand des elastischen Bereichs nach speziellen Wünschen und Anforderungen auszugestalten.In a preferred embodiment of the invention, it is also conceivable to design the spring elements with different lengths or thicknesses in order to further design the resistance of the elastic region according to specific wishes and requirements.

Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der wenigstens ein Teil der Federelemente ausschließlich aus einem geraden Abschnitt ausgebildet ist. Bei derartigen Ausführungsformen weisen die Federelemente in radialem Querschnitt keine Rundung auf. Federelemente mit ausschließlich geradem Abschnitt haben dabei Vorteile hinsichtlich des Fertigungs- und Konstruktionsaufwands insbesondere in Bezug auf eine Fertigung mit einem additiven Fertigungsverfahren. Zudem können derartige Federelemente hinsichtlich ihrer Federsteifigkeit einfacher ausgelegt werden.Also preferred is an embodiment in which at least part of the spring elements is formed exclusively from a straight section. In such embodiments, the spring elements do not have any rounding in their radial cross section. Spring elements with exclusively straight sections have advantages in terms of manufacturing and design effort, particularly in relation to production using an additive manufacturing process. In addition, such spring elements can be designed more simply in terms of their spring stiffness.

Vorzugsweise sind die Federelemente untereinander durch wenigstens einen Verbindungsabschnitt derart verbunden, dass der elastische Bereich zwischen den Federelementen Aussparungen aufweist. Als Aussparungen werden im Rahmen der Anmeldung Bereiche verstanden, die zwischen den Federelementen vorgesehen sind und kein Material oder ein anderes Material als das der Federelemente aufweisen. Dabei haben die Aussparungen ein geschlossenes Profil. In anderen Worten sind die Aussparungen als Löcher im elastischen Bereich zu verstehen, zwischen denen die Federelemente ausgebildet sind. Durch die Verbindung der Federelemente kann eine weitere symmetrische bzw. gleichmäßige Kraftverteilung auf die Federelemente sichergestellt werden. Vorzugsweise weisen die Aussparungen dabei eine ovale Form auf, welche insbesondere auch gerade Abschnitte, also ohne Radius, aufweisen kann.Preferably, the spring elements are connected to one another by at least one connecting section in such a way that the elastic region has recesses between the spring elements. In the context of the application, recesses are understood to be areas that are provided between the spring elements and have no material or a material other than that of the spring elements. The recesses have a closed profile. In other words, the recesses are to be understood as holes in the elastic area, between which the spring elements are formed. By connecting the spring elements, a further symmetrical or uniform force distribution on the spring elements can be ensured. The recesses preferably have an oval shape, which in particular can also have straight sections, i.e. without a radius.

Vorzugsweise ist der Verbindungsabschnitt dabei derart ausgebildet und angeordnet, dass er den elastischen Bereich in axialer Richtung abschließt. Dieser ist somit am oberen Ende des Ventilkäfigs angeordnet, sodass der Verbindungsabschnitt die obere Anlageseite ausbildet. Dadurch kann eine flächige Anlageseite erzeugt werden und somit die Kraft zum Verspannen des Ventilkäfigs weiterhin gleichmäßig von angrenzenden Bauteilen auf den Ventilkäfig und insbesondere die Federelemente übertragen werden.The connecting section is preferably designed and arranged in such a way that it closes off the elastic region in the axial direction. This is thus arranged at the upper end of the valve cage, so that the connecting section forms the upper contact side. This allows a flat contact side to be created and thus the force for bracing the valve cage can continue to be transmitted evenly from adjacent components to the valve cage and in particular to the spring elements.

Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der eine Länge des Verbindungsabschnitts zwischen zwei Federelementen maximal 10 mm insbesondere maximal 5 mm beträgt. Die Länge des Verbindungsabschnitts ist dabei als der Übergangsbereich (Giebelbogen) zwischen einem Überhang der Federelemente und dem Anschlussbereich des nächsten Federelements zu verstehen. Durch eine derartige Ausgestaltung des Verbindungabschnitts kann bei einem additiven Fertigungsverfahren auf die Verwendung von Stützstrukturen zur Ausbildung des Verbindungsabschnitts verzichtet werden, wodurch die Fertigung vereinfacht werden kann.Furthermore, an embodiment is preferred in which a length of the connecting section between two spring elements is a maximum of 10 mm, in particular a maximum of 5 mm. The length of the connecting section is to be understood as the transition area (gable arch) between an overhang of the spring elements and the connection area of the next spring element. By designing the connecting section in this way, the use of support structures to form the connecting section can be dispensed with in an additive manufacturing process, which means that production can be simplified.

Vorzugsweise ist der Ventilkäfig, insbesondere der elastische Bereich, mittels einem additiven Fertigungsverfahren, insbesondere einem Lasersinterverfahren, hergestellt.The valve cage, in particular the elastic region, is preferably produced using an additive manufacturing process, in particular a laser sintering process.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Ventilkäfig in seinem Drosselbereich eine Doppelwand auf, wobei in einem inneren Teil der Doppelwand innere Drosselöffnungen und in einem äußeren Teil der Doppelwand äußere Drosselöffnungen vorgesehen sind und ein Hohlraum zwischen dem inneren und dem äußeren Teil der Drosselwand angeordnet ist. Als innerer Teil der Drosselwand (oder innere Drosselwand) ist dabei der Teil zu verstehen, welcher in einer radialen Richtung weiter innen, also näher zur Mittelachse des hohlzylinderförmigen Körpers, angeordnet ist als der äußere Teil der Drosselwand (äußere Drosselwand). Vorzugsweise sind die Drosselöffnungen in der inneren Drosselwand dabei versetzt gegenüber den Drosselöffnungen in der äußeren Drosselwand. Durch die versetzte Anordnung wird der Fluss des durch den Ventilkäfig strömenden Prozessfluids verlangsamt und die Drosselwirkung des Ventilkäfigs erhöht.In an advantageous embodiment, the valve cage has a double wall in its throttle area, with internal throttle openings being provided in an inner part of the double wall and external throttle openings being provided in an outer part of the double wall, and a cavity being arranged between the inner and outer parts of the throttle wall. The inner part of the throttle wall (or inner throttle wall) is to be understood as meaning the part which is arranged further inside in a radial direction, i.e. closer to the central axis of the hollow cylindrical body, than the outer part of the throttle wall (outer throttle wall). The throttle openings in the inner throttle wall are preferably offset relative to the throttle openings in the outer throttle wall. The offset arrangement slows the flow of process fluid flowing through the valve cage and increases the throttling effect of the valve cage.

Das erfindungsgemäße Stellventil weist einen erfindungsgemäßen Ventilkäfig auf.The control valve according to the invention has a valve cage according to the invention.

Nachfolgend werden unterschiedliche Ausführungsformen und vorteilhafte Aspekte der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Sie zeigen:

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Stellventils 100 mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Ventilkäfigs 3
2a zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilkäfigs 3
2b zeigt eine Seitenansicht der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilkäfigs 3
2c zeigt eine Teilschnittansicht der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilkäfigs 3
3 zeigt eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilkäfigs 3

Different embodiments and advantageous aspects of the invention are explained in more detail below with reference to the attached figures. They show:

1 shows a cross-sectional view of a control valve 100 with an embodiment of a valve cage 3 according to the invention
2a shows a perspective view of a first embodiment of the valve cage 3 according to the invention
2 B shows a side view of the first embodiment of the valve cage 3 according to the invention
2c shows a partial sectional view of the first embodiment of the valve cage 3 according to the invention
3 shows a side view of a second embodiment of the valve cage 3 according to the invention

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Stellventils 100 mit einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilkäfigs 3 mit einem hohlzylinderförmigen Körper. Das Stellventil 100 weist einen Eingang 1 und einen Ausgang 2 für ein Prozessfluid auf, die in einem Gehäuse 6 angeordnet sind. Das Gehäuse 6 weist weiterhin einen Deckel 7 auf. Der Eingang 1 ist dabei durch eine Durchgangsöffnung 52 mit dem Ausgang 2 verbunden, welche von einem Ventilglied 4 (Stellglied) verschlossen und geöffnet werden kann, um den Fluidstrom des Stellventils 100 zu steuern. Das Ventilglied 4 ist dabei entlang einer Mittelachse m des Stellventils 100 beweglich angeordnet. 1 shows a cross-sectional view of a control valve 100 with an exemplary embodiment of a valve cage 3 according to the invention with a hollow cylindrical body. The control valve 100 has an input 1 and an output 2 for a process fluid, which are arranged in a housing 6. The housing 6 also has a cover 7. The input 1 is connected to the output 2 through a through opening 52, which can be closed and opened by a valve member 4 (actuator) in order to control the fluid flow of the control valve 100. The valve member 4 is arranged to be movable along a central axis m of the control valve 100.

Je nach Stellung des Ventilglieds 4 wird ein Durchfluss des Prozessfluids durch die Durchgangsöffnung 52 ermöglicht. Befindet sich das Ventilglied 4 in einem geschlossenen Zustand, so schließt es mit einem an der Durchgangsöffnung 52 angeordneten Ventilsitz 5 ab. Dieser Ventilsitz 5 ist in Form eines Ventilsitzelements 51 ausgebildet, welches in der Durchgangsöffnung 52 zwischen Eingang 1 und Ausgang 2 angeordnet ist.Depending on the position of the valve member 4, the process fluid can flow through the through opening 52. If the valve member 4 is in a closed state, it closes with a valve seat 5 arranged at the through opening 52. This valve seat 5 is designed in the form of a valve seat element 51, which is arranged in the through opening 52 between input 1 and output 2.

Der Ventilkäfig 3 weist eine Vielzahl von Drosselöffnungen auf und wird in Bezug auf die folgenden Figuren näher beschrieben. Wird das Ventilglied 4 vom Ventilsitz 5 abgehoben und in Zeichnungsebene der 1 entlang der Mittelachse m nach oben verfahren, gibt es die Drosselöffnungen 31 frei, welche das Innere des hohlzylinderförmigen Körpers des Ventilkäfigs 3 mit dessen Außenseite fluidisch verbinden. Dadurch gelangt das Prozessfluid vom Eingang 1 durch die Durchgangsöffnung 52 über die Drosselöffnungen 31 zum Ausgang 2.The valve cage 3 has a large number of throttle openings and is described in more detail with reference to the following figures. If the valve member 4 is lifted from the valve seat 5 and placed in the plane of the drawing 1 moving upwards along the central axis m, it exposes the throttle openings 31, which fluidly connect the interior of the hollow cylindrical body of the valve cage 3 with its outside. As a result, the process fluid passes from inlet 1 through the through opening 52 via the throttle openings 31 to outlet 2.

Der Ventilkäfig 3 ist in axialer Richtung des Stellventils 100, also in Richtung der Mittelachse m mit dem Ventilsitzelement 51 und einer Zwischenhülse 8 verspannt, wobei sich die Zwischenhülse 8 gegen den Deckel 7 des Stellventils 100 abstützt. Ventilsitzelement 51 und Ventilkäfig 3 sind dabei fluiddicht miteinander verbunden. Es kann also kein Fluid zwischen Ventilsitz 51 und Ventilkäfig 3 hindurchgelangen. Um auch bei Dimensionsschwankungen der Zwischenhülse 8 oder dem Ventilsitzelement 5 oder dem Ventilkäfig 3 selbst aufgrund von Fertigungstoleranzen und/oder einer durch thermische Beanspruchung hervorgerufene Ausdehnung zu ermöglichen, weist der Ventilkäfig 3 einen elastischen Bereich B auf, welcher derartige Dimensionsschwankungen in Richtung der Mittelachse m des Stellventils 100 ausgleichen kann, wie im Folgenden näher beschrieben wird.The valve cage 3 is braced in the axial direction of the control valve 100, i.e. in the direction of the central axis m, with the valve seat element 51 and an intermediate sleeve 8, the intermediate sleeve 8 being supported against the cover 7 of the control valve 100. Valve seat element 51 and valve cage 3 are connected to one another in a fluid-tight manner. So no fluid can get through between the valve seat 51 and the valve cage 3. In order to allow for dimensional fluctuations of the intermediate sleeve 8 or the valve seat element 5 or the valve cage 3 itself due to manufacturing tolerances and / or expansion caused by thermal stress, the valve cage 3 has an elastic region B, which such dimensional fluctuations in the direction of the central axis m of the Control valve 100 can compensate, as will be described in more detail below.

2a, 2b und 2c zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilkäfigs 3. Zur Erläuterung dieser Ausführungsform werden die 2a, 2b und 2c gemeinsam herangezogen. Der Ventilkäfig 3 weist einen hohlzylinderförmigen Körper 30 auf, welcher sich entlang der Mittelachse m erstreckt. In Richtung dieser Mittelachse m wird er ebenfalls in ein entsprechendes Stellventil 100 verbaut und zwischen zwei entsprechenden Bauteilen des Stellventils 100 verspannt (siehe 1). Der Ventilkäfig 3 weist eine obere Anlageseite 35 und eine untere Anlageseite 34 auf, an welche die entsprechenden zur Verspannung vorgesehenen Elemente des Stellventils 100 anliegen. Die untere Anlageseite 34 wird dabei mit dem Ventilsitz 51 in Verbindung gebracht, wobei die untere Anlageseite 34 eine an den Ventilsitz 51 angepasste Abstufung 36 vorgesehen ist, sodass zwischen Ventilsitz 51 und Ventilkäfig 3 ein fluiddichter Formschluss erzeugt wird. 2a , 2 B and 2c shows a perspective view of a first embodiment of the valve cage 3 according to the invention. To explain this embodiment, the 2a , 2 B and 2c used together. The valve cage 3 has a hollow cylindrical body 30, which extends along the central axis m. In the direction of this central axis m, it is also installed in a corresponding control valve 100 and clamped between two corresponding components of the control valve 100 (see 1 ). The valve cage 3 has an upper contact side 35 and a lower contact side 34, against which the corresponding elements of the control valve 100 intended for bracing rest. The lower contact side 34 is connected to the valve seat 51, the lower contact side 34 being provided with a gradation 36 adapted to the valve seat 51, so that a fluid-tight positive fit is generated between the valve seat 51 and the valve cage 3.

Weiterhin weist der Ventilkäfig 3 einen Drosselbereich A und einen elastischen Bereich B auf. Im elastischen Bereich sind die bereits erwähnten Drosselöffnungen 31 angeordnet, welche den Innenbereich, also das Innere, des hohlzylinderförmigen Körpers 30 mit dem Außenbereich, also der Umgebung, des hohlzylinderförmigen Körpers 30 fluidisch verbinden. Die Drosselöffnungen 31 ermöglichen somit, sofern sie nicht durch das Ventilglied 4 versperrt sind, dass Prozessfluid aus dem Inneren des Ventilkäfigs 3 in die Umgebung des Ventilkäfigs 3 und damit zum Ausgang des Stellventils 100 gelangen kann.Furthermore, the valve cage 3 has a throttle area A and an elastic area B. The already mentioned throttle openings 31 are arranged in the elastic area, which fluidly connect the inner area, i.e. the interior, of the hollow cylindrical body 30 with the outer area, i.e. the surroundings, of the hollow cylindrical body 30. The throttle openings 31 thus enable, as long as they are not blocked by the valve member 4, that process fluid can reach from the interior of the valve cage 3 into the surroundings of the valve cage 3 and thus to the outlet of the control valve 100.

Vorzugsweise weist der hohlzylinderförmige Körper 30 dabei im Drosselbereich A eine Doppelwand auf, welche in radialer Richtung aus zwei einzelnen Wänden mit einem hohlen Zwischenraum 313 gebildet ist. In der inneren Wand (innere Drosselwand) vorgesehene innere Drosselöffnungen 311 sind dabei versetzt zu in der äußeren Wand (äußere Drosselwand) vorgesehenen äußeren Drosselöffnungen 312 angeordnet. Durch die versetzte Anordnung kann das Prozessfluid beim Durchströmen der Drosselöffnungen 31 gebremst bzw. gedrosselt werden. Es sind dabei ebenfalls andere Arten von Drosselöffnungen 31 denkbar, die in dem Drosselbereich A angeordnet sind. Sie können dabei als verzweigte Kanäle oder ähnliches ausgebildet sein.The hollow cylindrical body 30 preferably has a double wall in the throttle area A, which is formed in the radial direction from two individual walls with a hollow space 313. Inner throttle openings 311 provided in the inner wall (inner throttle wall) are arranged offset from outer throttle openings 312 provided in the outer wall (outer throttle wall). Due to the offset arrangement, the process fluid can be braked or throttled as it flows through the throttle openings 31. Other types of throttle openings 31, which are arranged in the throttle area A, are also conceivable. They can be designed as branched channels or something similar.

Der elastische Bereich B ist an der oberen Anlageseite 35 vorgesehen und schließt somit den hohlzylinderförmigen Körper 30 in axialer Richtung ab. In der dargestellten Ausführungsform weist der elastische Bereich B eine Vielzahl von Federelementen 331 in Form von Federstegen auf, welche sich in axialer Richtung erstrecken und in tangentialer Richtung um einen ersten Winkel α geneigt sind. Die Federelemente 331 und insbesondere der gesamte Ventilkäfig 3 sind dabei vorzugsweise durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt. Die Federelemente 331 sind dabei direkt an den hohlzylinderförmigen Körper 30 angeformt. Der erste Winkel α hat dabei einen maximalen Wert von 75°. Dadurch kann sichergestellt werden, dass zur Fertigung des elastischen Bereichs mittels additiven Fertigungsverfahren, keine Stützstrukturen eingesetzt werden müssen, welche nach dem Herstellen der Federelemente wieder durch einen mechanischen Arbeitsschritt entfernt werden müssten. Somit kann die Herstellung des elastischen Bereichs mit additiven Fertigungsverfahren vereinfacht werden.The elastic region B is provided on the upper contact side 35 and thus closes the hollow cylindrical body 30 in the axial direction. In the illustrated embodiment, the elastic region B has a plurality of spring elements 331 in the form of spring bars, which extend in the axial direction and are inclined in the tangential direction by a first angle α. The spring elements 331 and in particular the entire valve cage 3 are preferably manufactured using an additive manufacturing process. The spring elements 331 are directly attached to the hollow cylinder för shaped body 30. The first angle α has a maximum value of 75°. This makes it possible to ensure that no support structures need to be used to produce the elastic region using additive manufacturing processes, which would have to be removed again in a mechanical work step after the spring elements have been produced. The production of the elastic region can therefore be simplified using additive manufacturing processes.

Der elastische Bereich B kann sich durch die Federelemente 331 plastisch verformen und somit Dimensionsschwankungen von Bauteilen des Stellventils 100 in axialer Richtung im verbauten Zustand ausgleichen. Damit ist ein stets fester und fluiddichter Sitz des Ventilkäfigs 3 innerhalb des Stellventils sichergestellt. Die Federsteifigkeit des elastischen Bereichs B kann dabei durch die Neigung der Federelemente 331 und deren Dicke entsprechend den Anforderungen ausgelegt werden.The elastic region B can deform plastically by the spring elements 331 and thus compensate for dimensional fluctuations of components of the control valve 100 in the axial direction in the installed state. This ensures that the valve cage 3 always sits firmly and fluid-tight within the control valve. The spring stiffness of the elastic region B can be designed according to the requirements by the inclination of the spring elements 331 and their thickness.

Es sind dabei ebenfalls Ausführungsformen mit Federelementen 331 denkbar, welche unterschiedliche Längen aufweisen und/oder in unterschiedliche Richtungen und/oder um unterschiedliche Winkel geneigt sind. Dadurch lässt sich die Federsteifigkeit des elastischen Bereichs beeinflussen und an die entsprechenden Anforderungen anpassen. Es ist dabei ebenso denkbar, dass die Federelemente 331 in radialer Richtung geneigt sind.Embodiments with spring elements 331 are also conceivable, which have different lengths and/or are inclined in different directions and/or at different angles. This allows the spring stiffness of the elastic area to be influenced and adapted to the corresponding requirements. It is also conceivable that the spring elements 331 are inclined in the radial direction.

3 zeigt den erfindungsgemäßen Ventilkäfig 3 in einer zweiten Ausführungsform in einer Seitenansicht. Zu der in den 2a bis 2c gezeigten Ausführungsform unterscheidet sich die Ausführungsform gemäß 3 lediglich in der Ausgestaltung des elastischen Bereichs, weshalb auch lediglich auf die hier vorliegenden Unterschiede eingegangen wird. 3 shows the valve cage 3 according to the invention in a second embodiment in a side view. To the one in the 2a until 2c The embodiment shown differs according to the embodiment 3 only in the design of the elastic area, which is why only the differences present here are discussed.

Der elastische Bereich B weist dabei einen Verbindungsabschnitt 333 auf, welcher die einzelnen Federelemente 331 miteinander verbindet und so die obere Anlageseite 35 bildet. Durch den Verbindungsabschnitt 333 sind zwischen den Federelementen 331 ovale Aussparungen 332 ausgebildet. Die Federelemente 331 sind dabei alle um einen ersten Winkel α geneigt.The elastic region B has a connecting section 333, which connects the individual spring elements 331 to one another and thus forms the upper contact side 35. Oval recesses 332 are formed between the spring elements 331 through the connecting section 333. The spring elements 331 are all inclined by a first angle α.

Eine Länge I des Verbindungsabschnitts 333 zwischen zwei Federelementen 331 beträgt dabei maximal 10 mm, bevorzugt maximal 5 mm. Die Länge I des Verbindungsabschnitts 333 ist dabei als der Übergangsbereich (Giebelbogen) zwischen einem Ende des Überhangs der Federelemente 331 und dem Anschlussbereich des nächsten Federelements 331 definiert. Der Anschlussbereich ist dabei der Bereich, in dem der Verbindungsabschnitt 333 in das nächste Federelement 331 übergeht. Durch eine derartige Ausführungsform kann erreicht werden, dass für die Fertigung eines derartigen elastischen Bereichs B mit Federelementen 331 und Verbindungsabschnitt 333 mittels einem additiven Fertigungsverfahren keine Stützstrukturen oder ähnliches verwendet werden müssen, welche im Anschluss wieder mechanisch entfernt werden müssten. Dadurch kann die Fertigung vereinfacht werden.A length I of the connecting section 333 between two spring elements 331 is a maximum of 10 mm, preferably a maximum of 5 mm. The length I of the connecting section 333 is defined as the transition area (gable arch) between one end of the overhang of the spring elements 331 and the connection area of the next spring element 331. The connection area is the area in which the connecting section 333 merges into the next spring element 331. With such an embodiment it can be achieved that for the production of such an elastic region B with spring elements 331 and connecting section 333 using an additive manufacturing process, no support structures or the like need to be used, which would then have to be mechanically removed again. This can simplify production.

Der Verbindungsabschnitt 333 bildet in dieser Ausführungsform im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß der 2a bis 2c den Vorteil, dass die obere Anlageseite 35 als gerade Fläche ausgebildet ist und somit bei der Verklemmung mit daran anliegenden Bauteilen die Kraft gleichmäßig übertragen werden kann. Ebenso wird durch den Verbindungsabschnitt 333 sichergestellt, dass die Federelemente 331 gleichmäßig belastet werden. Nachteilig ist jedoch, dass im Vergleich zu Ausführungsform gemäß 2a bis 2c die Fertigung aufgrund der Ausgestaltung des Verbindungsabschnitts 333 aufwändiger ist.The connecting section 333 forms in this embodiment in contrast to the embodiment according to 2a until 2c the advantage that the upper contact side 35 is designed as a straight surface and thus the force can be transmitted evenly when clamping with components resting on it. The connecting section 333 also ensures that the spring elements 331 are loaded evenly. However, the disadvantage is that compared to the embodiment according to 2a until 2c the production is more complex due to the design of the connecting section 333.

Es sind dabei ebenfalls Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei denen der Verbindungsabschnitt 333 die Federelemente 331 nicht an deren Spitzen miteinander verbindet, sondern mittig, sodass die Spitzen der Federelemente 331 über den Verbindungsabschnitt 333 hinausragen. Die Form der Aussparungen kann ebenfalls elliptisch oder rund oder oval ausgebildet sein.Embodiments of the invention are also conceivable in which the connecting section 333 does not connect the spring elements 331 to one another at their tips, but rather centrally, so that the tips of the spring elements 331 protrude beyond the connecting section 333. The shape of the recesses can also be elliptical or round or oval.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST

100100: Stellventilcontrol valve
11: EingangEntrance
22: AusgangExit
2121: SammelvolumenCollection volume
33: VentilkäfigValve cage
3030: KörperBody
3131: Drosselöffnungthrottle opening
311311: innere Drosselöffnunginternal throttle opening
312312: äußere Drosselöffnungexternal throttle opening
313313: Zwischenraumspace
321321: Federrippespring rib
331331: FederelementSpring element
332332: Aussparungrecess
333333: Verbindungsabschnittconnection section
3434: untere Anlageseitelower investment side
3535: obere Anlageseiteupper plant side
3636: Abstufunggradation
44: VentilgliedValve member
55: VentilsitzValve seat
5151: VentilsitzelementValve seat element
5252: DurchgangsöffnungPassage opening
66: GehäuseHousing
77: DeckelLid
88th: Zwischenhülseintermediate sleeve
AA: DrosselbereichThrottle area
Bb: elastischer Bereichelastic range
αα: Anstellwinkelangle of attack
mm: MittelachseCentral axis
II: Länge des VerbindungsabschnittsLength of the connection section

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1392992 B1 [0005]
DE 2602577 A1 [0006]
US 6932321 B2 [0006]
DE 102021120551 A1 [0007]

Claims

Valve cage (3) according to the preceding claim, wherein the elastic region (B) is formed on an upper contact side (35).

Valve cage (3) according to one of the preceding claims, wherein the spring elements (321, 331) are inclined in the same tangential or radial direction.

Valve cage (3) according to one of the preceding claims, wherein the spring elements (321, 331) are inclined by a maximum of 75°, preferably 70° and particularly preferably 60°.

Valve cage (3) according to one of the preceding claims, wherein the spring elements (321, 331) are inclined by the same first angle (α).

Valve cage (3) according to one of the preceding Claims 1 until 4 , wherein part of the spring elements (321, 331) are inclined by a first angle (α) and another part of the spring elements (321, 331) are inclined by a second angle (β), in particular the spring elements (321, 331) being arranged in this way are that a spring element (321, 331) of the first part of the spring elements (321, 331) always alternates with a spring element of the other part of the spring elements (321, 331).

Valve cage (3) according to one of the preceding claims, wherein the spring elements (321, 331) are formed exclusively from a straight section.

Valve cage (3) according to one of the preceding claims, wherein the spring elements (331) are connected to one another by at least one connecting section (333) in such a way that the elastic region between the spring elements (331) has recesses (332).

Valve cage (3) according to the preceding claim, wherein the recesses (332) have an oval shape.

Valve cage (3) according to one of the previous two Claims 8 or 9 , wherein the connecting section (333) is designed and arranged such that it closes off the elastic region in the axial direction.

According to one of the previous Claims 8 until 10 , wherein a length (l) of the connecting section (333) between two spring elements (331) is a maximum of 10 mm, in particular a maximum of 5 mm.

Valve cage (3) according to one of the preceding claims, wherein the valve cage (3), in particular the elastic region (B), is produced by means of an additive manufacturing process, in particular a laser sintering process.

Valve cage (3) according to one of the preceding claims, wherein the throttle region (A) has a double wall, with internal throttle openings (311) being provided in an inner part of the double wall and external throttle openings (312) being provided in an outer part of the double wall and a cavity ( 313) is arranged between the inner and outer throttle wall.

Control valve (100), comprising a valve cage (3) according to one of the preceding claims.