DE2310856B2 - Rückschlagventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Rückschlagventil zum Einsatz in eine ein pulsierendes Fluid führende Leitung, dessen Ventilverschlußstück bei der öffnungs- und Schließbewegung dadurch gedämpfte schraubenförmige Schwingungen ausführt, daß ein mit dem Ventilverschlußstück verbindender Stift schraubenförmige Gänge hat, die auf gehäusefesten Führungen laufen.

Ein derartiges Rückschlagventil beschreibt beispielsweise die US-PS 13 80 737. Das Ventilverschlußstück beschreibt dort bei der öffnungs- und Schließbewegung schraubenförmige Schwingungen. Dies wird dort dadurch erreicht, daß mit dem Ventilverschlußstück ein Stift verbunden ist, der schraubenförmige Gänge hat, in die gehäusefeste Stifte eingreifen.

Sofern ein derartiges Rückschlagventil in Leitungen mit pulsierenden Medien eingesetzt wird, können sich Probleme ergeben, sofern nämlich die pulsierenden Schwingungen in der Leitung durch die Drehschwingungen des Ventilverschlußstückes verstärkt werden. Bei dem beschriebenen vorbekannten Rückschlagventil ist keine Vorsorge dafür getroffen, derartige Überlagerungen und Verstärkungen zu verringern und zu vermeiden. Außerdem ergibt sich ein erheblicher Reibungskontakt zwischen den Spitzen der gehäusefesten Stifte und den Schraubengängen, so daß dieses vorbekannte Ventil nur mit großen Reibungsverlusten öffnet bzw. schließt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Rückschlagventil vorzuschlagen, welches bei seinem Einsatz in eine Leitung, die ein pulsierendes Fluid führt, stabilisierend wirkt. Außerdem soll die öffnungs- und Schließbewegung des Ventilverschlußgliedes mit geringer Kraft vonstatten gehen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stift und den Führungen ein Rollkontakt besteht, wobei der Steigungswinkel der schraubenförmigen Gänge um etwa 15° größer ist als 30° und das Ventilverschlußstück bei seiner Schwingung eine Grundfrequenz der Drehung von weniger als der Hälfte der Grundfrequenz seiner linearen Schwingung ohne Drehkemponente hat.
Dadurch wird erreicht, daß die Grundfrequenz der Drehung bei der schraubenförmigen Bewegung des Ventilverschlußstückes kleiner ist als die Hälfte der Grundfrequenz der linearen Schwingung dieses Verschlußstückes ohne Drehkomponente. Bei diesen

ι ο Verhältnissen können die beiden Schwingungen, die sich am Ventil verschlußstück vektoriell zusammensetzen, sich nicht in ungünstiger Weise addieren. Vielmehr fallen nach der Fourierschen-Entwicklung diejenigen Frequenzen mit nennenswerter Amplitude, d. h. die Schwingungen erster und niedriger Ordnung, nicht zusammen, bzw. subtrahieren sich voneinander. Sie können sich in keinem Fall verstärken. Allenfalls können sich Schwingungen sehr hoher Ordnung zufällig verstärken, was jedoch unbeachtlich ist, weil Schwingungen hoher Ordnung nur sehr niedrige Amplituden haben können.

Die Unteransprüche kennzeichnen bevorzugte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Mehrzylinder-Kompressors, wobei ein neuartiges Rückschlagventil im Auslaß des Kompressionskrümmers angeschlossen tet,

.in Fig.2 eine Vertikalschnittansicht durch das Rückschlagventil in geschlossener Stellung,

F i g. 3 eine Schnittansicht ähnlich F i g. 2 in offener Stellung des Rückschlagventils,
Fig.4 eine Schnittansicht längs der Linie IV-IV von

r, Fig.2.

In F i g. 1 ist ein Rückschlagventil 10 veranschaulicht, das durch eine herkömmliche geschraubte Verbindungsanordnung an dem Auslaß 12 eines Kompressionskrümmers 14 eines Mehrzylinder-Kompressors 61 angeschlossen ist, welche eine kontinuierliche Strömung von komprimiertem, flüssigem oder gasförmigem Medium mit periodischen erzeugt.

Das in Fi g. 2 und 3 dargestellte Rückschlagventil 10 enthält einen Ventilkörper 18, der ein zylindrisches

4^r> umgekehrtes, becherförmiges Gehäuse definiert, mit axialen Fließöffnungen 28, die am Umfang im Abstand zueinander um einen zentralen Nabenteil 20 angeordnet sind, der einen Federsitz 21 und eine zentrale Bohrung 22 aufweist, die einen Schaftteil 24 eines Führungsstößels 26 teleskopartig nach oben dahindurch hin und her bewegbar geführt aufnimmt. Ein radialer Flansch 25 auf dem Führungsstößel oberhalb seines Kopfes 30 weist einen Federsitz 27 gegenüberliegend dem Federsitz 21 darauf auf. Der Kopf 30 auf dem unteren Ende des

V) Führungsstößels 26 ist bei 32 abgerundet und wird durch einen Halsteil 31 mit geringerem Durchmesser aufgenommen.

Die äußere zylindrische Wand 34 dient als eine Ventilkammer und weist einen nach unten zeigenden

bo inneren Ansatz 36 auf, der eine Dichtung 38 daran aufnimmt, und mit einem nach außen verjüngten Endkantenteil versehen ist, um in geführter Relation rund um die obere Fläche 42 eines inneren Flansches 44 aufgenommen zu werden, der eine Dichtung 46 trägt, wobei die Dichtungen 38 und 46 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sind.

Die untere öffnung des Gehäuses ist durch eine Sitzplatte 45 geschlossen, die einen spinnenförmigen

Ständer 47 mit Einlauföffnungen 52 definiert, und einen Rand 50 aufweist, der in abgedichteter Relation zwischen den zwei Dichtungen 38 und 46 geklemmt ist. bin kreisförmiger Steg 48 rund um die öffnungen 52 dient zusammengefaßt als ein Ventilsitz, welcher auf seiner Oberkante in zwei leichten Bändern flach überlappt angebracht ist.

Die Nabe 53 des Ständers 47 weist eine nach unten öffnende zylindrische Vertiefung 54 auf, die eine Kugellagerbuchse 56 und einen Kugellager-Käfig 58 aufnimmt, der durch eine Verschlußkappe 57 gehalten ist. Der Käfig weist sechs radiale öffnungen 60 auf, die Kugellager 62 darin aufnehmen. Die Löcher und Kugellager sind vorzugsweise in vertikalen Paaren angeordnet, die am Umfang im gleichen Abstand zueinander, wie beispielsweise 120° in drei Sätzen angeordnet sind, wie veranschaulicht. Sie nehmen einen Sitzstößel 64 in gelagerter Relation auf. Obwohl zusammenarbeitende gekrümmte Laufrinnen vorgesehen sein können, welche in ihrer Steigung an besonderen örtlich festgelegten Stellungen auf dem Ventil für Zwecke der Erfindung variieren, sind sie hierin veranschaulicht als aus drei konzentrischen schraubenförmigen Kugellager-Laufrinnen 66 bestehend, mit wendeiförmigen Stegen zwischen ihnen. Die Kugellager 62 von jedem Paar sind vertikal in einem Abstand zueinander angeordnet, um einen der Stege zwischen ihnen aufzunehmen und die jeweiligen Laufrinnen 66 nehmen die Kugellager in einem rollenden Eingriff auf, in welchem die Kugellager in jedem Paar in benachbarten Laufrinnen angeordnet sind. Diese Anordnung sieht zwei im vertikalen Abstand zueinander angeordnete Unterstützungspunkte zur Ausrichtung vor, und zwei Dreipunkt-Querunterstützungen, die den Stößel mit den Laufflächen kreuzen als auch mit dem Umriß der sphärischen Flächen der Kugellager in reibungsfreiem, rollendem Kontakt damit zusammenpassen.

Eine Steigung füi die Laufrinnen ist vorgesehen, die ausreicht, um Eigenrücklauf des Ventilverschlußstückes unter leichten Kraftbedingungen zu erlauben, wobei die Wendelsteigung der Durchmesser und die Form der Rillen betrachtet werden, und der Winkel der Schraubenlinie so niedrig wie möglich gehalten wird, um den Rotationsfaktor in dem axialen Abst Abstand der Ventilauslenkung zu akzentuieren. Vorzugsweise weisen die dreifachen beginnenden Laufbahnen einen Schraubenwinkel von 36 bis 40° auf und eine Steigung von 16,916 mm (0,666 inches) und eine Teilung von 5,639 mm (0,222 inches), von Laufrinne zu Laufrinne, wobei die Laufrinnen einen Radius von 1,702 mm (0,067 inches) aufweisen. Die Dreifachgeräte-Schraubenlinie hat den Vorteil, billig durch Rollen hergestellt zu werden, und weist ausgezeichnete Genauigkeit auf. Ein anderer Vorteil ist, daß die größere Anzahl von verwendbaren Kugellagern die Kräfte über viele Berührungspunkte verteilt, und einen kleinen Stößeldurchmesser von beträchtlicher Festigkeit erlaubt, zusammen mit der Fähigkeit, das Ventil in seine geschlossene Stellung mit einer sich verklemmenden Wirkung unter niedrigen Federkräften zu bringen.

Obwohl die Kurgellagerbuchse 56 Kugellagerrinnen darin aufweisen kann, die mit den Laufrinnen 66 des Stößels für einen vollen rollenden Kontakt der Kugellager zusammenpassen, hat sich dies nicht als notwendig erwiesen, da es genügend durch die Käfigöffnungen erlaubten rollenden Kontakt gibt, um anfängliche reibungsfreie Bewegung zwischen dem Stößel und einer zylindrischen Buchse 56 über eine begrenzte Länge vorzusehen, wo er auch immer angebracht ist, wie beispielsweise die anfängliche Öffnungsstellung des Ventilverschlußstückes und an seiner offenen Arbeitsstellung, die durch das Verschlußstück eingenommen wird, wenn es durch die Strömung von komprimiertem flüssigem oder gasförmigem Medium geöffnet ist.
In diesen Stellen gibt es genügend Bewegungsfreiheit,

ίο die durch den Käfig für die relative Bewegung der Teile erlaubt wird, um reibungsfrei zu sein, und die Kugellager dienen als Führungen mit oder ohne Notwendigkeit für freies Rollen, wenn der Stößel, zwischen den zwei Stellungen bewegt wird, wenn das Ventil beispielsweise geöffnet oder geschlossen wird, wobei das Gewicht des Ventilverschlußstückes 80 die Feder während des Schließens unterstützt.

Für diesen Zweck trägt das obere Ende des Stößels 64 das Ventilverschlußstück 80, manchmal als Sitzhalter bezeichnet, wobei das obere Ende des Stößels in einer Vertiefung 70 in dem VentiJverschlußstück 80 zur koaxialen Ausrichtung aufgenommen ist. In einer zentralen Vertiefung nimmt das Ventilverschlußstück 80 eine aus Kunststoffmaterial hergestellte Scheibe 72 auf,

2^r> welche axial an das abgerundete untere Ende 32 des Führungsstößelkopfes 26 angreift. Über der Scheibe ist der Kopf durch eine Führungswand 74 in dem Ventilverschlußstück 80 umgeben, zum Berühren der radialen Ränder des Kopfes, wie beispielsweise bei 76,

jo beim Zentrieren und der relativen Rotationsbeziehung.

Der Stößel 64 ist vorzugsweise an das Ventilverschlußstück 80 geschweißt und gleichermaßen ist die Kappe 57 an die Nabe 48 des Ständers 47 geschweißt, so daß sie als ein Schmiermittelbehälter für die Kugellager-

r> anordnung dient.

Eine vergleichsweise leichte gewickelte Druckfeder 78 ist zwischen den bereits beschriebenen Sitzen 21 und 27 vorgesehen, und arbeitet über die Berührung zwischen dem Kopf 30 und der Scheibe 72, um das

4Ii Verschlußstück nach unten in seine geschlossene Stellung zu drücken, während die Kugellager das Verschlußstück, den Stößel und die Laufrinne 66 bei einem Schraubenwinkel rotieren, welcher die Teile nicht reibungsmäßig verklemmt, noch den Einsatzring 86 und

•r> den kreisförmigen Steg48.

Das Ventilverschlußstück 80 ist eine Schwungradmasse, die am Umfang eine äußere Drehungsfläche definiert, die sich längs der Fließlinie des komprimierten flüssigen oder gasförmigen Mediums krümmt, wenn es

ίο von der Öffnung 52 zu den öffnungen 28 fließt, um ein Minimum an Turbulenz vorzusehen. In dem Vorsprung der öffnungen 52 ist die axiale Fläche des Verschlußstückes 80 konkav nach außen gekrümmt, und divergiert nenenswert, wie bei 82 angezeigt, wo es mit einer

ή axialen Rinne 84 versehen ist, um den aus Kunststoffmaterial hergestellten Sitzeinsatzring 86 aufzunehmen, der in seiner geschlossenen Stellung an den Ventilsitzsteg 48 angreift. Der Einsatzring 86 justiert an der überlappten Fläche auf dem Steg 48 mit einem vollen Dichtungskon-

w) takt, welcher nur eine leichte Feder zum Herstellen benötigt. Ein Anzapfloch 88 verbindet die Rinne 84 mit der stromab gelegenen Seite des Ventils und verhindert jeglichen Druckaufbau, der den Einsatzring abheben könnte.

b) Auf ihrer stromab gelegenen Seite krümmt sich die Drehungsfläche bei 90 konvex und weist bei 92 eine konkave Krümmung auf, in Richtung auf den und in dem Vorsprung der Auslaßöffnungen 28, um Wirbelbildun-

gen auf ein Minimum zu beschränken. Es ist zu beobachten, daß diese Drehungsfläche ein Ventilverschlußstück von konzentrierter Masse definiert, mit einem vergleichsweise bereiten Radius der Kreisbewegung, um wahlweise Rotationsträgheit für seine örtliche Umgebung in seiner offenen Stellung vorzusehen als auch eine beträchtliche lineare Trägheit für eine Frequenzansprechbarkeit, die viel geringer ist als die Impulsfrequenz des Kompressors.

Das Rückschlagventil hierin unterscheidet sich in iu zwei Hinsichten von in Betracht gezogenen mechanischen Schwingungsanalysen. Seine Auslenkung ist durch Anschläge begrenzt und die Druckfunktion, obwohl periodisch, ist nicht sinusförmig. Selbst wenn jedoch die Druckfunktion kompliziert ist, und die schraubenform!- ge Bewegung des Ventilverschlußstückes zusammengesetzt ist, scheint es aus der Berechnung der natürlichen Frequenz für ein einfaches lineares Modell und ein einfaches Rotationsmodell, daß eine ansprechende Frequenz der beschriebenen Konstruktion wenigstens so niedrig wie 1,55 Hz ist, welches wohl unterhalb der Pulsierungen selbst eines Einzylinder-Kompressors ist, der bei herkömmlichen Induktionsmotor-Geschwindigkeiten arbeitet.

/W,) natürliche Frequenz für lineare Bewegung
//?ist 3,13 ]/k/w'in Hz

JO

k = Federkonstante (pounds/inches)
w = Gewicht (pounds)

Für dieses spezielle Ventil

w = 0,406 pounds

k — 5,9 pounds/inches

Zn = 3,13 _v/5,93/0,406=12Hz

j

■4(1

/n=3,13

//7 für Drehbewegung
IUWF?

wobei

L = inches: Pounds/Radienat

W = GEWICHT(pounds)

R = Radius der Kreisbewegung in inches.

Für dieses spezielle Ventil

L = Mn

W = 0,406 pounds

R = 9/16 inches

dann
/W=3,13

1/ '

,13 j/ ---jö^6

= 1,55 Hz

Aus diesen Berechnungen senkt der Effekt der Drehbewegung sehr die natürliche Frequenz desselben Ventilgliedes.

Somit ist mit recht niedriger Reibung in seiner offenen Stellung die Resonanzfrequenz des Ventilverschlußstückes beträchtlich niedriger als die erwartete pulsierende Frequenz des Systems des flüssigen oder gasförmigen Mediums, und mit einer leichten Feder kann das Ventil recht weit öffnen, um einen minimalen Druckabfall vorzusehen, welcher seinerseits die pulsierende Druckfunktion vermindert und mit zwei Oberschwingungen von linearen und Rotationsträgheiten, die verschieden sind, gibt es einen Faktor der gegenseitigen Dämpfung, der ferner die Ansprechfrequenz und auch die Abnutzung vermindert, insbes. wo die Wirbelströmungen auch auf ein Minimum beschränkt sind.

In dieser Beschreibung verwendete Kunststoffmaterialien beziehen sich auf elastische Polymerisationsprodukte, die sich durch ihre Schmierfähigkeit oder niedrigen Reibungskoeffizienten auszeichnen, sowie durch Festigkeit und Alterungsbeständigkeit, insbes. unter der Einwirkung von Wärme. Beispiele solcher Kunststoffmaterialien sind Akrylnitrat-Butadien-Styrol, Azetal (Homopolymere und Mischpolymere), die Fluorkunstsloffe, Tetrafluoräthylen, ein Chlortetrafluoräthylen und ein fluoriniertes Äthylen-Propylen u. dgl. Diese Materialien werden vorzugsweise mit einem geeigneten trägen Füllmittel verwendet, wie beispielsweise Aluminiumoxyd, Kohlenstoff oder Siliciumoxyd.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Rückschlagventil zum Einsatz in eine ein pulsierendes Fluid führende Leitung, dessen Ventilverschlußstück bei der öffnungs- und Schließbewegung dadurch gedämpfte schraubenförmige Schwingungen ausführt, daß ein mit dem Ventilverschlußstück verbundene Stift schraubenförmige Gänge hat, die auf gehäusefesten Führungen laufen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stift (64) und den Führungen (58) ein Rollkontakt besteht, wobei der Steigungswinkel der schraubenförmigen Gänge (66) um etwa 15° größer ist als 30° und das Ventilverschlußstück (90) bei seiner Schwingung eine Grundfrequenz der Drehung von weniger als der Hälfte der Grundfrequenz seiner linearen Schwingung ohne Drehkomponente hat

2. Rückschlagventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollkontakt durch Kugeln (62) eines Kugellagers bewirkt wird.

3. Rückschlagventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (56) des Kugellagers gehäusefest gehalten ist.

4. Rückschlagventil nach den Ansprüchen 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenförmigen Gänge (66) sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Stiftes (64) erstrecken.