DE2307212A1

DE2307212A1 - Rueckschlagventil

Info

Publication number: DE2307212A1
Application number: DE19732307212
Authority: DE
Inventors: Jacobus Hubertus Abrahams; Arend Harrewijne
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-02-25
Filing date: 1973-02-14
Publication date: 1973-08-30
Also published as: GB1356243A; FR2173098A1; FR2173098B1; CA988810A; JPS4898439A; NL7202535A; SE387725B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rückschlagventil, das

¹ einen mit einem hervorragenden Sitzring versehenen Sitz und einen Ventilkörper enthält, der auf der dem Sitz zugewandten Seite flach ist und auf dieser Seite mit einer flachen Sitzflache des Ringes zusammenwirkt, wobei der Ring aus einem Ausgangsmaterial besteht, dessen Härte kleiner als die des Ausgangsmaterials des Ventilkörpers ist, und wobei der Ventilkörper unter der Einwirkung eines Verschlussdruckes das Ventil schliesst.

Der Verschlussdruck, der sichert, dass der Ventilkörper

an der Sitzfläche des Ringes zur Anlage kommt, wird von einer Feder (federbelastetes Rückschlagventil) und/oder beim Betrieb des Ventils in einer Mediumleitung von einem Mediumdruck auf den Ventilkörper geliefert.

'-..'- Bei einem aus der.USA Patentschrift 1.424,094 bekannten Ventil der genannten Art besteht der Sitzring aus einem elastischen ';.'^;'^; . ■.■ '.'· ■ '^:·/-·-^-·':^::^:ν^;'··^Λ- '■>■■'■ ^:/;:'^:..^:>'-;'^;:' ■.. - ■'■ \ ■ '' -

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Material (Gummi ο-.dgl.) und weist der Querschnitt des Ringes ein rechteckiges Profil auf. Dieses bekannte Ventil eignet sich nicht zur Anwendung in Systemen, in denen hohe Drücke mit grossen Druckunterschieden bzw. Druck- ' änderungen über dem Ventil vorherrschen. Der elastische Sitzring ist gegen diese Drücke nicht beständig und wird einfach weggepresst. Auch eignet sich dieses Ventil nicht zur Anwendung in Systemen, in denen verhältnismassig hohe Temperaturen auftreten. Die Elastizität des Hinges geht verloren und

der Ring beginnt abzubröckeln, was zur Folge hat, dass sich das Ventil nicht mehr auf befriedigende Weise schliesst und unbrauchbar wird. Weiter haften den bisher bekannten Rückschlagventilen, bei denen der Ring einen integrierenden Teil des Sitzes bildet und aus demselben Material wie der . Sitz „hergestellt; ist, "noch einige weiteren Nachteile an, wodurch sie sich weniger gut oder gar nicht.zur Anwendung für bestimmte Zwecke eignen. Die Verschlusszeit federbelasteter Rückschlagventile ist verhältnismässig lang. , Eine kürzere Verschlusszeit wird grundsätzlich durch /Anwendung von Federn mit einer grösseren Federstarrheit unter hoher Vorspannung erhalten. Dies führt aber zu hohen Verschlussgeschwindigkeiten. Infolge der dadurch auftretenden grossen Kollisionskräfte zwischen dem Ventilkörper und der weicheren Sitzflache des Ringes wird dieser Ring dann derart verformt, dass sich das Ventil nicht mehr auf befriedigende Weise schliesst und das Ringmaterial leicht abbröckelt. Es besteht dann die Wahl zwischen einem Ventil kurzer Lebensdauer oder einem Ventil mit einer sich aus der Anwendung einer verhältnismässig schlaffen Feder zur Beschränkung der Kollisionskräfte ergebenden verhältnismässig langen Verschlusszeit. Diese Alternativen sind beide nioht besonders attraktiv.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Rückschlagventile ist ihre verhältnismässig grosse Undichtigkeit in geschlossenem Zustand. Diese

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Undichtigkeit nimmt im Laufe der Lebensdauer infolge der ungünstigen Verformung und der Abbröckelung des Sitzringes zu.

Ein Beispiel einer Anwendung, bei der sich die genannten

Nachteile sehr stark äussern, ist das Leistungsregelsystem eines Heissgasmotors, d*h. eines Motors, bei dem ein Arbeitsmedium unter hohem Druck (z.B. 100 ata) in einem geschlossenen Arbeitsraum einen thermodynamisehen Zyklus vollführt. .

Diese Leistung wird dabei durch die Regelung des mittleren Arbeitsmediumdruckes in dem Arbeitsraum geändert. Das Regelsystem enthält Rückschlagventile, die den nachstehenden strengen Anforderungen entsprechen müssen: sehr kurze Verschlusszeit, sehr geringe Undichtigkeit, Beständigkeit gegen hohe Verschlussdrücke und gegen grosse Druckänderungen.

Zur Herabsetzung der Motorleistung wird von einem in eine

Abfuhrleitung aufgenommenen Regelkompressor Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum des Motors in ein Hochdruckvorratsgefäss gepresst. Die Leistung wird dadurch gesteigert, dass Arbeitsmedium aus dem Vorratsgefäss über eine Zufuhrleitung dem Arbeitsraum des Motors zugegeben wird (siehe z.B. die USA Patentschrift 3.546.877)· Federbelastete Rückschlagventile sind in der Zu- und Abfuhrleitung und in dem Regelkompressor als Ein- und Ablassventile vorgesehen. Wegen hoher Arbeitsmediumdrücke und grosser Druckänderungen im Arbeitsraum des Motors und des Kompressors müssen alle Rückschlagventile gegen grosse Drücke und Druckanderungen beständig sein.

Um eine schnelle Regelung der Motorleistung zu ermöglichen, muss sich der Regelkompressor mit hoher Geschwindigkeit drehen. Das Ein- und das Ablassventil des Kompressors müssen daher sehr kurze Verschlusszeiten aufweisen. Nicht nur infolge der dem nach erforderlichen Anwendung von Federn grosser Starrheit und hoher Vorspannung, sondern auch und vor

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allem infolge der Tatsache, dass das Arbeitsmedium unter hohem Druck grosse Verschlussgeschwindigkeiten herbeiführt, treten sehr grosse Kollisionskräfte zwischen dem Ventilkörper und der Sitzflache des Ringes auf.

Eine sehr geringe Undichtigkeit der Rückschlagventile in der Zu- und Abfuhrleitung ist aus dem nachstehenden Grunde erforderlich.

Beim Normalbetrieb des Motors und bei ausser Betrieb gesetztem Regelsystem besteht die Gefahr, dass infolge einer Undichtigkeit Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum zu dem Regelsystem fliesst, oder umgekehrt. Die Motorleistung ändert sich dann, was unerwünscht ist.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, die genannten Nachteile zu beheben und ein Rückschlagventil zu schaffen, das eine kurze Verschlusszeit, eine minimale Undichtigkeit sowie eine lange Lebensdauer aufweist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass -die von dem Ventilkörper auf den Sitzring ausgeübten Kollisionskräfte, die eine Zerstörung des Ringes herbeiführen und daher normalerweise beschränkt werden, bei geeigneter Formgebung und bei passender V/ahl des Materials des Ringes gerade in positivem Sinne benutzt werden können.

Das Rückschlagventil nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der aus einem: plastisch verformbaren Ausgangsmaterial hergestellte Ring im Anfangszustand in axialer Richtung eine von der Sitzfläche zu dem Sitz zunehmende Dicke aufweist, derart, dass der Innendurchmesser des Ringes abnimmt und zugleich der Aussendurchmesser des Ringes zunimmt, wobei infolge plastischer Verformung des Ringes durch den Ventilkörper eine dauernde Oberflächenvergrösserung der Sitzfläche erhalten wird, wenn der Verschlussdruck einen bestimmten Mindestwert überschreitet.

Auf diese Weise wird ein Rückschlagventil erhalten, bei dem der Sitzring am Anfang der Betriebelebensdauer infolge der Kollisions-r

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vorgänge bei verhältnismässig hohen Verschlussdrüc.ken eine weitere Abplattung der Sitzfläche aufweist. Dies ergibt eine bessere abdichtende Zusammenarbeit zwischen Ventilkörper und Ring im geschlossenen Zustand des Ventils und somit eine geringere Undichtigkeit. Durch den angegebenen Verlauf der Ringdicke erfolgt die mit der weiteren Abplattung einhergehende Materialverschiebung derart, dass eine Gefahr des Abbröckeins des Ringes nicht vorliegt. Das Ventil weist somit eine lange Lebensdauer auf. Hohe Verschlussdrücke sind nun ohne nachteilige Folgen erzielbar. Dies bedeutet, dass das Rückschlagventil eine Feder grosser Starrheit und hoher Vorspannung enthalten kann, so dass eine kurze Verschlusszeit in Vereinigung mit einer langen Lebensdauer des Ventils erhalten ist.

Wegen der zulässigen hohen Verschlussdrücke eignet sich das Rückschlagventil nun auch besonders gut zur Anwendung in Leitungssystemen,· in denen ein Medium unter hohem Druck vorhanden ist, wobei das Hochdruckmedium beim Verschluss des Ventils einen grossen Mediumdruckunterschied über dem Ventilkörper hervorruft.

Bei einer günstigen Ausführungsform des Rückschlagventils nach der Erfindung bilden die Schnittpunkte einer durch die Ringachse gehenden Ebene mit der Innen- und Aussenoberfläche des Ringes Kreisbögen eines gemeinsamen Kreises.

Eine plastische Verformung des Ringes mit einer derartigen Ausgangsform ergibt eine äusserst günstige Endform, wobei die abdichtende Wirkung zwischen der Sitzfläche des Ringes und der zusammenwirkenden Fläche des Ventilkörpers optimal ist und das Abbröckeln des Ringes praktisch unmöglich ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Rückschlagventils besteht der Ventilkörper aus einem Nickelchromstahl mit

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der Bezeichnung nach der DIN-Norm 35 NiCrI8 bzw. 35 NiCrMoI6 (Vickers-Härte: 490 - 580 kg/mm²) und ist der Sitzring bzw. der Ventilsitz aus einem Chromnickelstahl mit der Bezeichnung nach der DIN-Norm J>6 CrNiMo4 bzw. 30 CrNiMo8 hergestellt (Vickers-Härte: 255 - 300 kg/mm²).

Es hat sich herausgestellt, dass die Kombination dieser

beiden Ausgangsmaterialien es ermöglicht, ein Rückschlagventil zu erhalten, das allen Anforderungen einer kurzen Verschlusszeit, einer minimalen Undichtigkeit und einer langen Lebensdauer vollständig entspricht und sich besonders gut zur Anwendung in Systemen eignet, in denen hohe Mediumdrücke und gegebenenfalls verhältnismässig hohe Mediumtemperaturen vorherrschen.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figuren 1 und 2 beispielsweise schematisch und nicht masstäblich zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemässen Rückschlagventils.

In Fig. 1 bezeichnet 1 ein Gehäuse, innerhalb dessen ein Ventilsitz 2 angeordnet ist, der mit einem vorstehenden Sitzring 3 versehen ist. Ein Ventilkörper 4 ist auf der dem Sitz 2 zugewandten Seite 5 flach und wirkt auf dieser Seite mit einer flachen Sitzfläche 6 des Sitzringes 3 zusammen. Der Sitzring 3 bildet ein Ganzes mit dem Sitz 2 und besteht aus demselben Material. Der Sitzring 3 bzw. der Sitz 2 besteht aus einem plastisch verformbaren Ausgangsmaterial, dessen Härte kleiner als die des Aus gangs materials de's Ventilkörpers 4 ist. Weiter ist eine Druckfeder 7 vorgesehen, die auf den Ventilkörper 4 eine Kraft in Richtung auf den Sitzring 3 ausübt. Die Druckfeder 7 weist eine grosse Federkonstante (starre Feder) und eine hohe Vorspannung auf. Das Rückschlagventil ist also normalerweise geschlossen.

Der Sitzring 3 weist in axialer Richtung eine von der Sitz-

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fläche 6 zu dem Sitz 2 zunehmende Dicke auf. In der genannten Richtung, in der Figur von oben nach unten, nimmt der Innendurchmesser d des Ringes ab. Zugleich nimmt in dieser Richtung der Aussendurchmesser D des Ringes zu. Der Verlauf des Innen- und des Aussendurchmessers des Ringes ist derartig, dass in einem Schnitt durch die Ringachse die Schnittpunkte'der durch die Ringächse gehenden Ebene mit der Innen- und der AussenoberflSch'e des Ringes zwei Kreisbögen a.. und a_? eines gemeinsamen Kreises mit einem Radius R bilden. Am Anfang der Betriebslebensdauer des Ventils, wenn sich das Sitzringmaterial noch im Äusgangszustand befindet, wird oberhalb eines bestimmten Mindestverschlussdruckes bei jeder Kollision des Ventilkörpers 4 gegen die Sitzfläche 6 des Sitzringes 3 die Fliessgrenze des plastisch verformbaren Ausgangsmaterials des Ringes überschritten, was eine dauernde Verformung zur Folge hat. Der erforderliche Mindestverschlussdruck kann von der Druckfeder 7» aber auch und sogar im wesentlichen von dem Mediumdruck in einer Mediumleitung, in die das Ventil aufgenommen ist, geliefert werden. Infolge der plastischen Verformung nimmt die Oberflache der Sitzfläche 6 zu, wobei die Flachheit derselben nicht nur beibehalten wird, sondern sogar-günstig beeinflusst wird und eine bessere Abdichtung des Ventils sichert, wenn die Seite 5 des VentilkSrpers 4 auf der Sitzfläche 6 ruht.

Nachdem das Rückschlagventil einige Zeit im Betrieb gewesen ist und eine gewisse Anzahl Kollisionen stattgefunden hat, ist ein Gleichgewichtszustand erhalten. Einerseits hat die Druckspannung in der Sitzfläche 6 infolge der grösseren Oberfläche dieser Sitzfläche abgenommen; andererseits ist durch die dauernde Verformung eine grossere Festigkeit des Ringmaterials an der Stelle der Sitzfläche erhalten.

Dadurch, dass der Sitzring 3 im Ausgangszustand in axialer

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Richtung eine sowohl auf der Innen- als auch auf der Aussenseite des Ringes zunehmende Dicke aufweist, die geraäss Kreisbögen verläuft, erfolgt die Materialverschiebung des Sitzringes infolge der plastischen Verformung derart, dass an der Stelle der Sitzfläche weder auf der Innen- noch auf der Aussenseite des Ringes Material über dem Ring hervorragen wird. Die endgültige Form des Ringes ist nun derartig, dass kein Material von dem Ring abbröckelt. Neben der gut abdichtenden Wirkung im geschlossenen Zustand des Ventils weist das Ventil also eine lange Lebensdauer bei hohen Verschlussdrücken und kurzen Verschlusszeiten auf.

Das Rückschlagventil nach Fig. 2 ist dem nach Fig. 1

grösstenteils ähnlich. Entsprechende Teile werden denn auch mit den gleicher Bezugsziffern bezeichnet. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Sitzring 3 im vorliegenden Falle im Ausgangszustand schräge Flanken mit einer sowohl auf der Innen- als auch auf der Aussenseite des Ringes, in axialer Richtung gesehen, von der Sitzfläche 6 zu dem Sitz 2 linear zunehmenden Ringdicke, aufweist.

Auch in diesem Falle ergibt die plastische Verformung des

Sitzringes 3 durch den Ventilkörper 4 eine dauernde Oberflachenvergrösserung der flachen Sitzfläche 6. Dabei wird ebenfalls eine Endform des Ringes erhalten, bei der kein Material von dem Rande der Sitzfläche abbröckelt und

ι ■ eine gute abdichtende Zusammenarbeit zwischen der Seite 5 des Ventilkörpers

4 und der Sitzfläche 6 besteht und also die Undichtigkeit minimal ist.

Bei geeignet gewählter grösserer Härte des Ventilkörpers besteht nicht die Gefahr, dass der Ventilkörper während der Kollisionen mit dem Sitzring verformt wird. Die Tatsache, dass der Ventilkörper etwas in'radialer Richtung bewegbar ist, übt in dieser Hinsicht auch noch einen günstigen Einfluss aus, weil dadurch nicht immer derselbe Teil der Seite des Ventilkörpers gegen die Sitzfläche 6 stösst.

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Claims

-9- PHN. 6160. PATENTANSPRÜCHE :

1./ ■ Rückschlagventil, das einen mit einem hervorragenden Sitzring versehenen Sitz und einen Ventilkörper enthält, der auf der dem Sitz zugewandten Seite flach ist und auf dieser Seite mit einer flachen Sitzfläche des Ringes zusammenwirkt, wobei der Ring aus einem Ausgangsmaterial besteht, dessen Härte kleiner als die des Ausgangsmaterials des Ventilkörpers ist, und wobei der Ventilkörper unter der Einwirkung eines Verschlussdruckes das Ventil schliesst, dadurch gekennzeichnet, dass der aus einem plastisch verformbaren Ausgangsmaterial hergestellte Ring im Anfangszustand in axialer Richtung eine von der Sitzfläche zu dem Sitz zunehmende Dicke aufweist, derart, dass der Innendurchmesser des Ringes abnimmt und zugleich der Aussendurchmesser des Ringes zunimmt, wobei infolge der plastischen Verformung des Ringes durch den Ventilkörper eine dauernde Oberflächenvergrösserung der Sitzfläche erhalten wird, wenn der Verschlussdruck einen bestimmten Mindestwert überschreitet.

2. Rückschlagventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittpunkte einer durch die Ringachse gehenden Ebene mit der Innen- und der Aussenoberflache des Ringes Kreisbögen eines gemeinsamen Kreises bilden.

3. Rückschlagventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, der Ventilkörper aus einem Nickelchromstahl mit der Bezeichnung nach der DIN-Norm 35 NiCrI8 bzw. 35 NiCrMoi6 (Vickers-Härte:

Hy 490 - 580 kg/mm²) besteht, und der Ring aus einem Chromnickelstahl mit der Bezeichnung nach der DIN-Norm 36 CrNiMo4 bzw. 30 CrNiMo8 25-5 - 300 kg/mm²) hergestellt ist.