DE2307926C2 - Dreiwege Schieberventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Dreiwege-Schieberventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Kin solches breiwegc-Schieberventii ist aus der

US-PS 34 37 102 bekannt. Bei diesem Ventil besteht der Stellmotor aus einem in einem Zylinder gleitend verschiebbaren Kolben, der am Außenumfang über einen O-Dichtring gegenüber der Zylinderwand abgedichtet wird. Der Ventilschieber besteht aus zwei im wesentlichen zylindrischen Kolbenabschnitten, die durch einen mittleren Abschnitt verringerten Durchmessers miteinander verbunden und an ihren einander zugewandten Enden mit Abrundungen versehen sind.

Der Ventilschieber gleitet in insgesamt vier axial auf Abstand zueinander angeordneten O-Dichtringen. Hiervon übernehmen die beiden mittleren O-Dichtringe die Steuerkantenfunktion, während die beiden äußeren O-Ringe den Ventilschieber nach außen bzw. gegenüber dem Zylinder des Stellmotors abdichten.

Die eine Steuerkantenfunktion übernehmenden O-Dichtnnge treten bei einer Hin- und Herbewegung des Ventilschiebers abwechselnd mit den beiden Kolbenabschnitten des Ventilschiebers, und zwar über deren Abrundungen, in und außer Eingriff.

Um hierbei Störungen zu vermeiden, isi eine präzise Führung des mit dem Kolben des Stellmotors verbundenen Ventilschiebers erforderlich. Dies wird zwar über die insgesamt fünf O-Dichtringe erreicht, muß jedoch durch entsprechende Reibkräfte erkauft werden. Das Umschalten des Ventils erfordert daher entsprechend grobe Betätigungskräfte und erfolgt überdies, falls nicht mit extrem großen Betätigungskräften gearbeitet wird, vergleichsweise langsam. Da ferner der axiale Abstand zwischen den beiden eine Steuerkantenfunktion übernehmenden O-Dichtringen ungefähr gleich der axialen Länge des die beiden Kolbenabschnitte verbindenden Abschnittes geringeren Durchmessers ist, kann es — zumindest kurzzeitig — zu einer direkten

,5 Verbindung zwischen dem Eingangsanschluß und dem Entlüftungsanschluß kommen, was die Betriebssicherheit des Ventils beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dreiwege-Schieberveniil der angegebenen Gattung so auszubilden, daß ein rasches Umschalten des Ventils mit nur geringen Betätigungskräften ermöglicht wird und dennoch eine hohe Betriebssicherheit gegeben ist. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Da bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Dreiwege-Schieberventil ein Membranstellmotor vorgesehen ist und die der Längsbohrung zugewandte Druckkammer des Membranstellmotors mit dem ersten äußeren Abschnitt der Längsbohrung in freier Verbindung steht.

sind insgesamt nur zwei Dichtringe (und zwar die die Steuerkantenfunktion übernehmenden Dichtringe) er forderlich. Hierbei verzichtet man zwar auf eine präzise axiale Führung des mit der Membran fest verbundenen Ventilschiebers; etwaige Kippbewegungen des Ventil- Schiebers können jedoch von den mit geneigten Dichtlippen versehenen Dichtringen ohne Schwierigkeiten ausgeglichen werden. Insgesamt ergibt sich hierdurch eine beträchtliche Verringerung der im Betrieb auftretenden Reibungskräfte, wozu auch die spezielle Wahl der verwendeten Werkstoffe beiträgt. Fs reichen daher bereits sehr geringe auf clic Membran ausgeübte Betätigungskräfte aus, um das Ventil sehr rasch umzuschalten Dies kann noch durch die Verwendung einer in ihre Ausgangslage vorgespannten Rollmembran mit Schnappwirkung begünstigt werden. Da ferner die axiale Länge des mit beiden Dichtringen zusammenwirkenden zylindrischen Kolbenbundes größer ist als der axiale Absland der beiden Dichtringe.

kann der Eingangsa,:-—ΊϊμΒ mit dem Entlüitungsanschluß niemals — auch nicht kurzzeitig — direkt in Verbindung treten, was zur Erhöhung der Betriebssicherheit beiträgt. Im übrigen zeichnet sich dris erfindungsgemäß ausgebildete Schiebeventil durch konstruktive Einfachheit, geringen Herstellungsaufwand, Eignung zur Massenherstellung ond hohe. Lebensdauer (Korrosionsfestigkeit) aus. Die Verwendung von Membranstellmotoren ist bereits grundsätzlich bekannt, z.B. aus der DE-OS 19 36 506 und den DE-AS 12 59 160 und 15 23 545.

D:i.· ViJr=OiIUiMg von mit einem Ventilschieber zusammenwirkenden Dichtungen mit geneigten Dichtlippen ist bereits aus der DE-PS 12 59 160 bekannt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnung wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht von unten auf ein Dreiwege-Schieberventil bei Verbindung mit einer vakuumbetätigten Steueranlage:

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt nach Linie 2-2 in

F i g. 3 einen Teilschnitt nach Linie 3-3 in F i g. 1;

F i g. 4 einen Schnitt nach Linie 4-4 in F i g. 2;

F i g. 5 einen der F i g. 3 entsprechenden Teiischnitt nach Linie 5-5 in F i g. 1;

F i g. 6 einen vergrößerten Teilschnitt nach Linie 6-6 in F i g. 2.

Bei der Steueranlage der F i g. 1 und 2 verbindet ein vakuumbetätigtes Dreiwege-Schieberventil 1 ein pneumatisch betätigtes Lastventil 2 entweder mit einer Vakuumquelle 3 zum öffnen des Lastventils 2 oder mit der einen Bezugsdruck liefernden Atmosphäre 4 zum Schließen des Lastventils 2. y->

Wie in Fig.2 gezeigt, enthält das Dreiwege-Schieberventil 1 einen zylindrischen Ventilschieber 5. der an einem Ende mit einem Membranstellmotor 6 verbunden ist. Der Membranstellmotor 6 besitzt eine Eingangskammer 7 mit einer Eingangsöffnung 8. die über eine Drosselstelle 9 mit der Vakuumquelle 3 verbindbar ist. Ein Relaisventil 10 enthält eine Rollmembran 11. die eine Ausgangskammer 12 begrenzt, welche über eine Leitung 13 mit der Atmosphäre und mit einer Düse 14 verbunden ist. Die Rollmembran 11 öffnet und schließt die Düse 14 zur Herstellung eines atmosphärischen Druckes oder eines Unterdruckes in de·· Eingangskammer 7. Die Lage der Rollmembran Il wird durch den Druck innerhalb einer Steuerkammer 16 gesteuert, die an einer Signalleitung 17 angeschlossen ist. so

Das Dreiwege-Schieberv^ntil 1 enthält drei stapeiförmig übereinanderliegende scheibenartige Platten 18, 19 und 20 und einen äußeren Deckel 21 von umgekehrt becherförmiger Gestalt, der auf der obersten Platte 20 angeordnet ist. Die Membran des Membranstellmotors

6 ist zwischen dem Deckel 21 und der Platte 20 eingeklemmt, so daß die Membran die Eingangskammer

7 von einer Druckkammer 22 trennt. Die Platten 18, 19 und 20 enthalten eine Längsbohrung 23. die von der Druckkammer 22 nach unten führt, und tv ischen den t>n Platten 19, 20 und 18.19 ist jeweils ein Dichtring 24 bzw. 25 eingespannt, der eine Abdichtung gegenüber dem Umfang des Ventilschiebers 5 ermöglicht. Zwischen dem Ventilschieber 5 und der Platte 18 ist eine Feder 26 angeordnet, die den Ventilschieber 5 und den Membran- *"> Stellmotor 6 vorspannt.

Die scheibenförmig pusgebildeten Platten 18, 19, 20 haben ebene Stirnflächen die die Dichtringe 24, 25 fest zwischen sich einspannen. Die inneren Ecken der Platten 18,19 neben der Längsbohrunp 23 sind mit einer versetzten inneren Nut 27 und einem Vorsprung 28 versehen, db eine strömungsmitteloichte Verbindung M. fen. Von dort erstreckt sich der Dichtring 25 nach innen, und er bildet eine federartige Dichtlippe 29, die 3:..!i von dr* Druckkammer 22 weg geringfügig nach unten erstreckt.

Durch in den Platten 18, 19 gebildeten öffnungen 3S erstrecken sich drei mit gleichen Umfangsabständen angeordnete Befestigungsschrauben 30 nach oben hindurch, und sie sind in Gewindebohrungen 32 tier Platte 20 eingeschraubt. Der untere Dichtring 25 bildet somit einen kammerartigen Abschnitt 33 der Längsbohrung, der über einen Kanal 34 in Form einer radialen Bohrung in der Platte 18 angeschlossen werden kann. Das äußere Ende des Kanals 34 ist durch einen Stopfen 35 verschlossen. Mit dem Boden der Platte 18 ist ein rohrförmiger Anschluß 36 einstückig ausgebildet, der den Kanal 34 mit der Atmosphäre oder einem anderen Bezugsdruck verbindet.

Wie in F i g. 5 dargestellt, besitzt der centring 24 eine innere ringförmige Dichtlippe 37, die mit dt/ Dichtlippe 29 einen kammerartigen mittleren Abschnitt 38 der Längsbohrung bildet, der über einen seitlichen Knnal mit einem Anschluß 39 verbunden ist. Die Dicke der Platte 1? ist kleiner als die axiale Länge des zylindrischen Kolbenbundes des Ventilschiebers 5, so daß der Abstand der Dichtlippe 29 und 37 voneinander kleiner ist als die besagte Länge des Ventilschiebers 5. Hierdurch wird ein Betrieb sichergestellt, bei dem eine Berührung zwischen dem Ventilschieber und einer Dichtlippe erfolgt, ehe die Berührung zwischen dem Ventilschieber und der anderen Dichtlippe unterbrochen worden ist.

Der Ventilschieber 5 ist im Bereich des Kolbenbundes ein glattwandiger. zylindrischer Körper, dessen Umfangswand mit den gegenüberliegenden Stirnwänden durch Abrundungen 39a verbunden ist. Die Dichtlippen 29 und 37 bestehen aus einem Kunststoff geringer Reibung und werden vom Ventilschieber aufgeweitet. Aufgrund der Abrundungen 39a ergibt sich ein glatter, allmählich fortschreitender Eingriff zwischen dem Ventilschieber und den Dichtringen. Aufgrund dieser Maßnahmen kann das Schiebeventil mit einem vergleichsweise niedrigen Eingangsdruck betrieben werden.

Die Platte 20 ist mit einer Ausnehmung versehen, die durch die Membran des Membranstellmotors 6 verschlossen wird und die Druckkammer 22 bildet. Durch entsprechende Öffnungen in den Platten 18, 19 erstreckt sich ein einstückig ausgebildeter, rohrförmiger Eingangsanschluß 40 nach unten, um eine Verbindung zur Vakuumquelle 3 herzustellen. Der Unterdruck gelangt >o.nit in die Druckkammer 22 und über die Längsbohrung 23 und den mittleren Abschnitt 38 zum Lastventil 2, wenn sici. das obere Ende des Vemilschiebers 5 unterhalb der Dichtlippe 37 befindet.

Der Ventilschiebf.r 5 besitzt einen Führungsansatz 41. der in die Feder fä hinein vorsteht und mit einem Anschlag 41a zur Begrenzung der Abwärtsbewegung des Ventilschiebers zusammenwirken kann.

Am oberen Ende des Ventilschiebers 5 ist e^;n iiach oben vorstehender Schaftabschnitt 42 verringerten Querschnitts vorgesehen, der sich durch die Membran des MemK nnMellmotors 6 hindurchcrstrcckt. D.τ Schafiabschiiitt 42 besitz! an seinem oberen Ende einen Gcwindcabschnitt 43. der mit einer Mutter 44

verschraubt ist, um den Ventilschieber 5 mil der Membran des Membranstellmotors 6 fest /.ti verbinden. Die Membran des Membr.instellmotors 6 ist als Rollmembran 45 mil einem äuUercn Einspannabschnitt versehen, der in einer Ausnehmung am oberen Finde der Platte 20 festgelegt ist. Der Deckel 21 ist tcleskopartig nach unten in diese Ausnehmung eingeschoben und mittels eines Lösungsmittels darin festgeschweißt oder anderweitig befestigt. Über dem Schaftabschnitt 42 sind zwei Beilagscheiben 46 angeordnet, und /war jeweils eine auf den gegenüberliegenden Seilen der Membran. Der sich durch die Rollmembran 45 hindurch erstreckende Gewindeabschnitt 43 ist mit einem axialen Kanal 47 versehen, der mit der Eingangskammer 7 durch einen seitlichen Kanal 48 am äußeren Ende des Schaftabschnittes verbunden ist. Im Kanal 47 ist eine Drosselstelle 49 gebildet, die über einen seitlichen Kanal 50 mit der Druckkammer 22 verbunden ist. Die Druckkammer 22 wird durch den Ventilschieber 5 inn^rhelb d?r Pirhtlinnp 17 pHpr 29 ahtJPriirhet. und die wirksame Fläche der Membran in der Eingangskammer 7 ist größer als die wirksame Fläche in der Druckkammer 22, und zwar um den Querschnitt des Ventilschiebers 5. Wenn die Eingangsöffnung 8 verschlossen ist oder an der gleichen Druckquelle anliegt wie die Druckkammer 22, so daß die Drücke in den Kammern 7 und 22 gleich sind, wird der Membranstellmotor 6 als Folge der Differenz zwischen den wirksamen Flächen nach oben in die mit voll ausgezogenen Linien dargestellte Lage vorgespannt, Der Membranstellmotor spricht aufgrund seiner Konstruktion auf eine solche Druckdifferenz mit einer Schnappwirkung an, und die Feder 26 kann daher auch weggelassen werden oder als sehr schwache Feder ausgebildet werden.

Bei der Abwärtsbewegung erfaßt der Ventilschieber 5 zunächst den Dichtring 25, wodurch die Verbindung zwischen dem Anschluß 39 und dem Anschluß 36 unterbrochen wird. Erst danach löst er sich von dem Dichtring 24, wodurch die Verbindung zwischen dem Eingangsanschluß 40 und dem Anschluß 39 geöffnet wird. Infolgedessen wird der Eingangsanschluß 40 niemals unmittelbar mit dem Entlüftungs-Anschluß 36 verbunden. Auch eine nur kurzzeitige Verbindung des Eingangsanschlusses mit dem Entlüftungsanschluß · könnte ein Versagen des Steuerventils herbeiführen, da die Membran und der Ventilschieber möglicherweise nicht ihre tiefste Stellung erreichen könnten.

Wenn der Ventilschieber 5 seine unterste Stellung (gestrichelt in Fig. 2) einnimmt, ist außerdem die Eingangskammer 7 über die Düse 14 und die Leitung 13 des Relaisventils "> mit der Atmosphäre verbunden. Die Luft entweicht durch die Drosselstelle 49 und die Drosselstcllc 9 mit einem sehr starken Druckabfall, so daß der Druck in der Eingangskammer 7 praktisch gleich der Atmosphäre ist und hicrduch ilen Ventilschieber in seiner untersten Lage hält. Wenn das Relaisventil IO schließt, wird die Eingangskammer 7 isoliert, und die Strömung durch die Drosselstellen 49 und 9 läßt nach oder vermindert sich allmählich bis auf einen Punkt, an dem der Unterdruck in der Eingangskammer 7 gleich dem Unierdruck in der Druckkammer 22 entsprechend dem Unterdruck der Vakuumquclle 3 ist. Die auf die Rollmembran 45 einwirkenden Kräfte sind jedoch nicht gleich, und /war infolge der unterschiedlichen wirksamen Flächen. In der Eingangskammer 7 wirkt eine etwas kleinere Kraft auf die Membran als in der Druckkammer 22; der Unterschied ist proportional dem Querschnitt des Vcntilschicbers 5. Hierdurch wird eine nach oben gerichtete Kraft auf den Membranstellmotor 6 ausgeübt, die sich in der gezeigten Ausführungsform mit flpr Kraft rlrr Feder 26 iiherlngrrl und somit nine schnelle Aufwärtsbewegung des Ventilschiebcrs 5 in die in Fig. 2 gezeigte obere Stellung herbeiführt. Hierbei erfaßt der Vcntilschieber 5 zunächst den Dichtring 24 (um den Anschluß 39 von der Druckkammer 22 zu trennen), ehe er sich vom Dichtring 25 löst (um die Verbindung zwischen dem Anschluß 39 und dem Anschluß 36 zu öffnen)

Vorzugsweise reicht die auf die Rollmembran 45 ausgeübte, von den unterschiedlichen wirksamen Flächen herrührende Kraft aus, um die Reibung zwischen dem Ventilschieber und den Dichiringen 24, 25 zu überwinden und die Membran schnell in die andere Betriebsstellung zu bewegen. In diesem Fall kann die Feder 26 vollständig weggelassen werden. Der volle Hub des Ventilschiebers 5 wird praktisch ohne irgendeine Änderung der auf dtn Membransteümotor 6 einwirkenden Stellkraft erzicii; es ergibt sich somit eine Umschaltung mit Schnappwirkung. Statt des Relaisventils 10 kann auch eine andere Schaltkomponente benutzt werden. Beispielsweise kann eine Ventilklappe 51 (F i g. 2) zum öffnen und Schließen der Eingangsöffnung 8 benutzt werden.

Das Gehäuse des Schieberventils 1 wird vorzugsweise im Spritzgußverfahren aus Polysulfon hergestellt. Die Dichtringe 24, 25 sind aus einem Polyäthylen geringer Dichte hergestellt, und die Membran des Membranstellmoiors 6 ist in ähnlicher Weise aus Polyäthylen in einem Vakuumformverfahren hergestellt. Die verschiedenen Teile werden durch ein Lösungsmittel miteinander verschweißt und mit Hilfe von Spannschrauben entsprechend der Darstellung zusammengefügt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Dreiwege-Schieberventil mit einem hin- und herbewegbaren Schieber und einem Ventilgehäuse, bei dem die drei Anschlüsse des Ventiles mit axial voneinander entfernten Abschnitten einer den Ventilschieber aufnehmenden Längsbohrung des Ventilgehäuses in Verbindung stehen und bei dem die Längsbohrung an zwei axial versetzten Stellen je einen Steuerkantenfunktion übernehmenden Dichtring aufweist, der gleitend mit dem Ventilschieber in Berührung gebracht werden kann, wobei die drei Anschlüsse des Ventiles mit dem zwischen den Dichtringen liegenden mittleren Abschnitt der Längsbohrung, mit einem zu einer Seite der Dichtringanordnung liegenden ersten äußeren Abschnitt und mit einem zur anderen Seite der Dichtringanordnung liegenden zweiten äußeren Abschnitt der Längsbohrung in Verbindung stehen und woben ein Schaftabschnitt des Ventilschiebers mit einem Stellmotor verbunden ist, über den der Ventilschieber in die jeweilige Betriebsstellung bewegbar ist. dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (5) einen mit beiden Dichtringen (24, 25) zusammenwirkenden Kolbenbund mit konstantem Durchmesser aufweist, dessen axiale Abmessung größer ist als der axiale Abstand der Dichtringe (24, 25) und der aus Kunststoff mit geringem Reibungskoeffizienten besteht, daß nur zwei Dichtringe (24, 25) vorgesehen sind, die aus flexiblem K. nststoff mit geringem Reibungskoeffizienten bestehen und rur Ac¹··* des Ventilschiebers (5) geneigte Dichtiippen (37, 29) aufweisen, daß der Stellmotor ein Membrans.'.ellnv-.'or (7, 22,45,46) ist und daß die der Langsbohrung zugewandte Druckkammer (22) des Membranstellmotors mit dem ersten äußeren Abschnitt (23) der Längsbohrung axial in freier Verbindung steht, wobei der Eingangsanschluß (40) des Ventils in die Druckkammer (22) einmündet.

2. Ventil nach Anspruch t. dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse durch drei aufeinander angeordnete Platten (18,19, 20) gebildet ist, die die Längsbohrung bildende koaxiale zentrale Ausnehmung aufweisen, und daß ein ringförmiger Außenabschnitt der Dichtringe (24, 25) zwischen die mittlere der Platten (19) und jeweils eine der äußeren Platten (18, 20) eingeklemmt ist, so daß die Dichtringe von jeweils zwei der Platten getragen werden und diese zugleich abdichten.

3. Ventil nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsanschluß (40) des Ventils axial in die Druckkammer (22) des Membranstellmotors einmündet und sich in Axialrichtung durch die drei Platten (18, 19, 20) erstreckt und daß die beiden anderen Anschlüsse (36, 39) jeweils einen radial in die Längsbohrung einmündenden und sich radial durch eine Platte (18, 19) erstreckenden Kanal aufweisen, der mit einem sich in Axialrichtung durch die Platte(n) erstreckenden Anschlußkanal in Ver bindung steht.