DE2348387A1

DE2348387A1 - Druckabhaengige fluid-ventilanordnung

Info

Publication number: DE2348387A1
Application number: DE19732348387
Authority: DE
Inventors: Donald C Bergstedt; Eugene P Feild
Original assignee: FNB Products Inc
Current assignee: FNB Products Inc
Priority date: 1972-10-30
Filing date: 1973-09-26
Publication date: 1974-05-09
Also published as: GB1440208A; JPS49133928A; FR2204769B1; CA1002423A; US3856043A; FR2204769A1

Description

FNB Products, Inc., 2180 Sand Hill Road, HenIo Park, California 94025 (V. St. A.)

Druckabhängige Fluid-Ventilanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilanordnung mit einem Gehäuse und einer darin befindlichen, ein sich öffnen und schließen lassendes Ventil für ein. Fluid bildenden Einrichtung. Dabei handelt es sich insbesondere um eine als Druckregler für eine Pumpe geeignete Ventilanordnung, mittels der sich der Pumpen-Auslaßdruck mit guter Reproduzierbarkeit im wesentlichen konstant halten IaQt_f wenn sich das Abgabevolumen sowie die Fluid-Temperatur in weiten Grenzen ändern·

Konventionelle Fluid-Druckregier enthalten gewöhnlich ein kegel- oder kugelförmiges Ventilelement in Verbindung mit einer Öffnung, deren Ventilsitzbreite gerade so weit abgeschrägt ist, daß Verschleiß vermieden wird. Das bewegliche Ventilelement ist mittels einer Schraubenfeder vorgespannt, und als. Druckdichtung dient gewöhnlich ein Becher, ein O-Ring, eine Membran oder ein Balg.

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Das bekannte bewegliche Ventilelement ist so konstruiert, daß es aufgrund einer hohen internen Reibung zum Aus·* knicken oder Schleifen neigt und sich dabei unter dein Einfluß abartiger Turbulenzeffekte gegenüber dem Ventilsitz seitwärts verlagert. Es kommt dabei zu einer ungenauen Passung und zur Reibung zwischen den Ventilteilen· Aus diesen und später genannten Gründen läßt sich damit der Auslaßdruck einer Fluid-Pumpe bei veränderten Fluid-Durchflußmengen nicht zuverlässig innerhalb eines gewünschten Bereiches von Werten aufrechterhalten. Im allgemeinen beträgt die beste Regelgenauigkeit 10 bis 20 %. Das heißt, um diesen Betrag ändert sich der Auslaßdruck der Fluid-Pumpe unter den verschiedenen Lastzuständen der Pumpe.

Schaltet man konventionelle Regler unter festen Lasten und unter festen Durchflußmengen abwechselnd ein und aus, so stellen sich am Auslaß der Pumpe Zufallsabweichungen von bis zu 20 % gegenüber einem eingestellten Punkt ein. Ferner kann sich der Druckeinstellpunkt innerhalb von Stunden oder Tagen nach vollzogener Einstellung verändern·

Hinzu kommt, daß die üblichen Dichtungsbecher-Regler aufgrund ihrer internen Reibung sehr langsam ansprechen, so daß mit konventionellen Reglern ausgestattete Pumpen Luftakkumulatoren benötigen, um die Druckspitzen im Auslaßstrom der Pumpe zu reduzieren. Solche Akkumulatoren tragen zur Erhöhung der Gesamtkosten des Systems bei. Durch das Material und die Formgebung sind konventionelle Dichtungsbecher-Konstruktionen nur für Temperaturen bis etwa 70° C geeignet. Metall-Membrandichtungen halten höhere Temperaturen aus, eignen sich jedoch nicht für Hochdruck-Kolbenpumpen, weil die Membranstruktur zu

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Ermüdungen neigt· Schraubenfedern können brechen und neigen zur seitlichen Belastung des beweglichen Ventilelementes, was zu schwerwiegenden Verlagerungen führt·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für viele Anwendungsgebiete, insbesondere jedoch als Druckregler zur sehr genauen Steuerung des Fluid-Auslaßdruckes einer Pumpe geeignete Ventilanordnung zu schaffen, die bei sehr geringer interner Reibung für in weiten Grenzen unterschiedliche Durchflußmengen bei gegebener Last eine Reproduzierbarkeit in der Größenordnung von 0,1 % oder besser aufweist, in relativ hoher Umgebungstemperatur bis etwa 320° C sowie mit einer Ansprechhäufigkeit von bis zu 9000 Impulsen pro Minute arbeiten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß «um Ventil zwei gegenseitig verschiebbare Ventilelemente mit je einer Arbeitsfläche gehören, deren Arbeitsflächen einander zugekehrt und beim geschlossenen Ventil miteinander im Eingriff sind; daß mittels einer im Gehäuse befindlichen Einlaßeinrichtung ein Fluidstrom in das Gehäuse und in einen den äußeren Rändern der Arbeitsflächen benachbarten Bezirk leitbar ist; daß das eine Ventilelement eine in seine Arbeitsfläche einmündende öffnung besitzt, die bei geschlossenem Ventil geschlossen ist; daß die erste der Arbeitsflächen zwischen ihrem äußeren Rand und der Öffnung eine wirksame Länge aufweist, die mindestens dem 1,5-fachen Radius der Öffnung entspricht; daß im Gehäuse Platz zur Aufnahme einer Einrichtung vorhanden 1st, die die Ventilelemente gegeneinander vorspannt und in gegenseitigen Eingriff bringt, jedoch die gegenseitige Trennung der Ventilelemente zuläßt, wenn sich das Fluid an der Stelle befindet und dabei das Ventil öffnet, indem es an den Arbeitsflächen

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vorbei in die Öffnung ein- und durch diese hindurchfließt; und daß mit dem Gehäuse eine den Abfluß von Fluid aus der Öffnung ermöglichende Einrichtung verbunden ist.

Die Länge der Arbeitsflächen im Verhältnis zum Durchmesser der Öffnung und die Anordnung dieser Arbeitsflächen gegenüber dem Fluidstrom durch diese Öffnung sind so gewählt, daß im wesentlichen keine seitliche Belastung auf die beweglichen Elemente übertragen werden kann. Somit zentrieren sich die Elemente ständig selbst.

Vorzugsweise sind die Arbeitsflächen der Elemente flach und kreisförmig gestaltet, wobei die Arbeitsfläche des einen Elementes eine sanfte Neigung aufweist. Die beiden einander zugekehrten Arbeitsflächen bilden dann einen ringförmigen, nach außen keilförmig sich erweiternden Zwischenraum, wenn das Ventil geschlossen ist; wenn dann das Fluid zwischen die Arbeitsflächen eintritt, kann es das bewegliche Element leicht abheben. Anstelle der Neigung kann die Arbeitsfläche des beweglichen Elementes auch etwas größer ausgebildet sein als die Fläche des anderen. Ferner besteht die Möglichkeit, das bewegliche Ventilelement mittels einer Zusatzeinrichtung, beispielsweise mittels einer elektromagnetischen oder mechanischen Betätigungseinrichtung abzuheben, wenn die flachen Arbeitsflächen der Elemente im wesentlichen die gleiche Fläche aufweisen.

Diese erfindungsgemäße Ausbildung der Arbeitsflächen gestattet die Verwendung von Dichtungen geringer Reibung in jeder beliebigen Größenordnung zwischen dem beweglichen Element und dem Gehäuse, um das bewegliche Ventilelement schnell und leicht abheben und den Druck-

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Schwankungen von bis zu 9000 Impulsen pro Minute folgen zu lassen. Benutzt man den Gegenstand der Erfindung als Druckregler für eine Pumpe, so folgt er im Normalbetrieb jedem einzelnen Pumpenhub und trägt wesentlich zur Verminderung von Spitzendrücken bei, wie sie bei Verwendung herkömmlicher Druckregler auftreten. Damit entfällt normalerweise die Notwendigkeit, Akkumulatoren zum Abfangen der Spitzendrücke von Kolbenpumpen zu verwenden.

Erfindungsgemäß werden die Ventilelemente durch eine Feder zueinander vorgespannt, und diese Feder besteht vorzugsweise aus einer Anzahl von Tellerfedern (belleville washers). Die Spannkraft dieser Feder kann fest eingestellt oder veränderlich sein, um den Regler an unterschiedliche Pumpendrücke anzupassen. Die Tellerfedern sorgen für eine sehr gleichmäßige Kraftentfaltung, so daß die beweglichen Elemente nicht verkippt oder in anderer Weise gestört werden können.

Der Flächenquerschnitt der Arbeitsfläche jedes Ventilelementes ist gegenüber dem Durchmesser der Auslaßöffnung relativ groß· Der große Flächenquerschnitt exponiert einen unterschiedlich großen Abschnitt des beweglichen Elementes gegenüber dem eintretenden Wasserdruck und hat eine starke Tragwirkung auf der Turbulenz innerhalb der Ventilsitzfläche zwischen den Arbeltsflächen und beeinflußt dadurch andererseits die Wirksamkeit der Anordnung, wenn diese als Regler eingesetzt wird. Eine bestimmte Kraft, die von befragten Hydraulik-Fachleuten noch nicht definiert worden ist, hat auf das bewegliche Element einen solchen Einfluß, daß die Gesamt-Wirksamkeit des Reglers vergrößert wird. Hit dem Bernoulli'sehen Gesetz läßt sich dieses Phänomen nicht vollständig erklären.

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Berechnungen zeigen, daß die Fluid-Viskosität hier sehr wenig Einfluß hat. Die Querschnittaflache verläuft vorzugsweise unter einem Winkel von 90° gegenüber dem durch die Öffnung hindurchtretenden Fluidstrom, und das Fluid wird beim Passieren der Querschnittsfläche beschleunigt, ohne dabei Seitenkräfte auf das bewegliche Ventilelement zu übertragen. Somit bleibt dieses Ventilelement ständig im Gehäuse selbst zentriert, so daß alle zuvor erwähnten Verlagerungsprobleme konventioneller Regler hier wirksam vermieden werden. Dadurch besteht andererseits die Möglichkeit, viele Standard-O-Ringdichtungen am beweglichen Ventilelement zu verwenden, ohne Rücksicht auf dessen Größe.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung läßt sich auch als Differenzdruck-Vorrichtung verwenden, indem man auf der Gehäuseseite, welche dem beweglichen Element bezüglich des ersten Fluid-Einlasses gegenüberliegt, einen zweiten Fluid-Einlaß anbringt. Da das bewegliche Element gegenüber dem festen Ventilelement durch eine Feder vorgespannt ist, addiert sich die Federvorspannung zu dem einen Fluid-Druck, und diese Summe steht dem zweiten Fluid-Druck entgegen, so daß eine Differenzdruck-Vorrichtung zur Verfügung steht, die sich für verschiedene Anwendungsfälle einsetzen läßt.

Konstruktiv läßt sich der Gegenstand der Erfindung auf verschiedene Weise ausbilden, beispielsweise mit Fluid-Eingang und -Ausgang an einem Ende der Anordnung. Ferner läßt sich der Gegenstand der Erfindung als Pumpenregler für Pumpen verschiedener Größe und verschiedener Ausgangsdrücke verwenden und als Fluid können sowohl Flüssigkeiten als auch Gase verarbeitet werden. Ferner läßt

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sich der Gegenstand der Erfindung als integraler Bestandteil des Einlaß- und Auslaß-Leitungssystems der Pumpe einbeziehen, wenn als Regler für diese Pumpe eingesetzt. Darüber hinaus läßt sich der Gegenstand der Erfindung als variabler Druckregler verwenden, auf dessen bewegliches Element eine äußere Kraft einwirkt, beispielsweise über einen Nocken oder einen Hebel. Außerdem läßt sich der Gegenstand der ^findung als "in-line"-Serienregler zur Verwendung in Flüssigkeiten oder Gasen ausgestalten» Bei dieser Konfiguration würde das Ventil schließen, wenn sich in der abgehenden Strömungsrichtung der Druck erhöht. Ferner läßt sich der Gegenstand der Erfindung als sehr genaues Sicherheitsventil einsetzen.

Nachfolgend wird die Erfindung in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch die Fluid-Ventilanordnung im geschlossenen Ruhezustand,

Fig. IA ein schematisches System-Diagramm zum

Einsatz der Ventilanordnung als Regler,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Linie 2-2 von Fig. I₁

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus der

Ventilanordnung von Fig. 1 im geöffneten Betriebszustand und bei geringer Durchflußmenge,

Fig. 4 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 3, jedoch bei großer Durchflußmenge,

Fig. 4A eine Darstellung des einen Ventilelementes mit verschiedenen Dimensionsangäben,

Fig. 5 eine abgewandelte, als Differenzdruck-Regler verwendete e^findungsgemäße Ventilanordnung,

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Fig. 6 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit einem mechanischen Betätitungselement. zum Öffnen der Ventilanordnung,

Fig. 6A eine Seitenansicht zu Fig. 6,

Fig. 7 eine ähnliche Ventilanordnung, mit einem elektromagnetischen Betätigungselement zum Öffnen des Ventils,

Fig. 8 eine Gesamtansicht einer Fluid-Pumpe,

welche die erfindungsgemäße Ventilanordnung als eingebautes Bauteil enthält, und

Fig. 9 einen Querschnitt durch die in Fig. 8 in die Pumpe eingebaute Ventilanordnung.

Wenn auch die in der nachfolgenden Beschreibung mit der Bezugszahl 10 bezeichnete Ventilanordnung für eine ganze Anzahl unterschiedlicher Verwendungszwecke geeignet ist, so befaßt sich die folgende Beschreibung insbesondere mit ihrer Verwendung als mit einer Fluid-Pumpe 12 verbundener rückgekoppelter Druckregler, dessen Einlaß mit einer Fluid-Quelle verbunden und dessen Auslaß an eine Last, beispielsweise einen Hydromotor, eine Fluid-Abgabedüse o. dgl. angeschlossen ist. In diesem Falle fließt das Fluid, beispielsweise Wasser, gemäß Fig. IA über eine Leitung 14 in den Einlaß einer Pumpe 12 und verläßt den Pumpenauslaß über eine Leitung 16 zur Last. Der Einlaß der Ventilanordnung 10 ist über eine Leitung 18 an die Leitung 16, und der Auslaß der Ventilanordnung 10 über eine Leitung 20 an die Pumpen-Einlaßleitung 14 angeschlossen. Bei Einsatz der Ventilanordnung 10 als Regler besteht deren Aufgabe darin, am Auslaß der Pumpe 12 einen konstanten Fluid-Druck aufrechtzuerhalten, auch wenn sich das Volumen pro Zeiteinheit des Fluidstromes, der die Pumpe in Richtung auf die Last verläßt, ändert.

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Gemäß Pig. 1 gehört zur Ventilanordnung 10 ein rohrförmiges spiegel symmetrisches Gehäuse 22 mit offenen Enden, an denen je ein Innengewinde zum beiderseitigen Einschrauben anderer Teile eingearbeitet ist. In das Einlaßende des Gehäuses 22 ist eine in Längsrichtung durchbohrte Kappe 24 mit einem Außengewindeansatz 26 eingeschraubt. Am vorderen Ende dieses Gewindeansatzes 26 schließt sich integral ein erstes stationäres Ventilelement 28 an, dessen Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser einer gegenüberliegenden Gehäuseerweiterung 30 ist, so daß an dieser Stelle ein Ringspalt 32 entsteht. Vier oder mehr Querbohrungen 34 verbinden den Ringspalt 32 mit einem nach außen führenden, innerhalb der Kappe 24 gebildeten zentralen Strömungskanal 36. An einem Punkt 18A der Kappe 24 befindet sich ein Innengewinde zum Anschluß an die Pumpe 12. Als Dichtung ist ein O-Ring 38 zwischen Kappe 24 und Gehäuse 22 eingelegt.

Gemäß Fig. 3 ist eine Arbeitsfläche 29 leicht kegelförmig gestaltet, d.h. als leicht angeschrägte umlaufende Schulter ausgebildet. Diese schräge Arbeitsfläche 29, die der Einfachheit halber in Fig. 1 und 4 fortgelassen wurde, arbeitet mit einer planen Arbeitsfläche 40 eines zweiten beweglichen Ventilelementes 42 zusammen, so daß ein umlaufender, in Querrichtung keilförmiger Spalt 31 gebildet wird, der mit den Querbohrungen 34 in Verbindung steht. Die Keilform des Ringspaltes 31 begünstigt das Öffnen des durch die beiden Ventilelemente 28 und 42 gebildeten Ventiles.

Das zweite Ventilelement 42 ist als zylindrischer Kolben 44 ausgebildet, der außen mittels mehrerer O-Ringe 48 gegenüber einer zylindrischen Innenwand 50 des Gehäuses 22 abgedichtet ist. Zusätzlich ist der Kolben 44 durch

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ein zylindrisches Lagerelement 52 zentriert- Anstelle des Lagerelementes 52 könnte ein zusätzlicher geschlitzter O-Ring verwendet werden, dessen Schlitz eine gewisse Leckflüssigkeitsmenge hindurchläßt und beim Austritt von Leckflüssigkeit aus dem Gehäuse anzeigen würde, daß die anderen O-Ringe 48 defekt sind.

In eine Erweiterung 55 einer Innenbohrung 54 ist ein Rohr 56 mit Preßsitz eingepaßt und mittels eines O-Ringes abgedichtet; somit können sich Kolben 44 und Rohr 56 gemeinsam gegenüber dem ersten Ventilelement 28 bewegen.

Der Kolben 44 wird mittels einer Federanordnung GO, deren Spannung durch eine Stellschraube 62 einstellbar ist, gegen das erste Ventilelement 28 gedrückt. Die Federanordnung 60 besteht aus einer Anzahl von wechselseitig übereinandergeschichteten Tellerfedern 64, wie Fig. 1 zeigt. Derartige Tellerfedern sind unter der Bezeichnung "Belleville^M-Federscheiben nach Katalog Nr. B-403 bei der Associated Spring Corporation, Seaboard Division, P. Box 231, Gardena, Kalifornien 90248, erhältlich. Bei in dargestellter Weise übereinandergeschichteten Tellerfedern 64 vergrößert sich der Federweg proportional zur Anzahl von Einzelelementen, während die zur Verfügung stehende Federkraft die gleiche bleibt wie bei einem Einzelelement. Benutzt man eine große Anzahl von Tellerfedern, so bleibt der Federweg jedes Einzelelementes im linearen Abschnitt der Federcharakteristik. Benutzt man jeweils zwei parallelgeschichtete Tellerfedern, so steigt die Federkraft entsprechend an.

Zwischen der Federanordnung 60 und dem Kolben 44 bzw. der inneren Stirnfläche der Stellschraube 62 liegt je

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Unterlegscheibe 66 bzw. 68, und zur Verminderung der Reibung beim Verstellen der Schraube 62 befindet sich vorzugsweise zwischen Scheibe 68 und einer Zwischenscheibe 71 ein Rollenlager 70.

Die Stellschraube 62 selbst ist in eine mit dem unteren Gehäuseende verschraubte Zwischenbuchse 72 eingeschraubt, welche den Kolben mit Federanordnung auch dann festhält und sichert, wenn die Stellschraube 52 ganz herausgeschraubt sein sollte. Die Zwischenbuchse 72 ist also ein wichtiges Sicherheitselement für die Ventilanordnung 10. Übrigens läßt sich die Stellschraube 62 manuell oder mit Handwerkzeugen bedienen.

Ist die Ventilanordnung 10 als Regler für die Pumpe 12 gemäß Fig. IA eingesetzt, so gelangt in die Leitung 18 eintretendes Fluid zunächst in den zentralen Strömungskanal 36 und dann über die Querbohrungen 34 in den Ringspalt 32. Wegen der leicht konischen Gestalt der Arbeitsfläche 29 des ersten Ventilelementes 28 kann das Fluid in den keilförmigen Ringspalt 31 eintreten und gegebenenfalls den Kolben 44 vom ersten Ventilelement 28 abdrücken, so daß ein Fluid-Fluß in und durch die Innenbohrung 54 des Kolbens zustande kommt, wie in Fig. 4 durch Pfeile 80 angedeutet ist. Der Betrag der Kolbenverdrängung ist eine Funktion des Fluid-Druckes und'der Strömungsmenge. Während der Kolben 44 abgehoben bleibt, fließt das Fluid weiter durch die Innenbohrung 54 und das Rohr 56 zur Leitung 20, um wieder in die Leitung 14 einzumünden. Ändert sich der Druck, so ändert sich auch die Kolbenstellung, so daß am Auslaß der Pumpe 12 ein konstanter Fluid-Druck erzielt wird. Steigender Druck läßt den Kolben 44 weiter abrücken, und wenn sich der Auslaßdruck der Pumpe 12 verringert,

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rückt der Kolben 44 näher an das Ventilelement 28 heran. Wie erwähnt, läßt sich die Vorspannung der Federanordnung 60 über die Stellschraube 62 einstellen. Zur Reduzierung von Turbulenzen sowie der Abnutzung am Einlaßende der Innenbohrung 54 kann die Arbeitsfläche 29 des ersten Ventilelementes 28 mit einem verrundeten Innenkonus 28A (Fig.-J) versehen sein.

Das Verhältnis der wirksamen Flächen der Arbeitsflächen gegenüber Durchmesser und Länge der Innenbohrung 54 ist wichtig zur Erzielung der unerwartet guten Resultate bei der Druckregelung und der Reproduzierbarkeit der Druckreo'.!- werte. Um eine sichere Aussage über dieses Abhängigkeitsverhältnis zwischen wirksamen Flächen und Bohrungsdurchmesser machen zu können, sind zahlreiche Versuche unternommen worden. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle I aufgeführt. Die in der Tabelle mit Buchstaben bezeichneten Parameter können in Fig. 4A eingesetzt werden-

	•	D	A	TABELLE	I	C	C/B	H/A
Modell		750	.125	B	.3125	5.00	2.73
Nr. 1		750	.150	.0625	.300	4.00	2.27
		750	.172	.075	.2895	3.386	1.98
	•	750	.201	.0855	.275	2.731	1.69
	1.	750	.218	.1005	.266	2.440	1.56
	1.	93 7	.125	.109	.406	6.500	3.50
Nr. 2	1.	937	.150	,0625	.393	5.250	1.96
	1.	937	.218	.075	.359	3.300	2.00
		937	.300	.109	.318	2.125	1.46
		312	.150	.150	.581	7.746	2.92
Nr. 3	312	.218	.075	.547	5.018	2.00 ,
	312	.300	.109	.506	3.373	1.46
	312	.390	.150	.461	2.364	1.12
		a ι y /	.195
		U b 7 b

Die tabellarisch aufgeführten Testergebnisse zeigen, daß mit größer werdendem Verhältnis C/B die Regelgenauigkeit besser wird. Unter einem Wert von 1.5 für dieses Verhältnis war die Genauigkeit schlecht, darüber wurde sie zunehmend besser. Soweit man konventionelle Regler überhaupt mit der vorliegenden Erfindung vergleichen kann, beträgt bei ihnen das Verhältnis zwischen wirksamer Stirnfläche und Bohrungsdurchmesser weniger als 1.

Das Verhältnis H/A ist wichtig bezüglich des Verschleißes am Kolben 44. Solange dieser Wert mindestens 1 beträgt, ist der Verschleiß gering, und oberhalb des Wertes 1 wird der Verschleiß noch geringer. Für doppelt wirkende Pumpen bzw. Pumpen mit langsamer Kolbenbewegu: g sollte das Verhältnis H/A mindestens 1 sein.

Die Abschrägung der Arbeitsfläche 29 des Ventilelementes 28 sollte mindestens zwischen 0,025 und 0,25 Millimeter liegen, dann erzielt man im Betrieb der Ventilanordnung beste Ergebnisse. In diesem Zusammenhang wird die Abschrägung durch den äußeren Abstand zwischen Ventilelement 28 und Kolben 44 bestimmt, wenn beide Elemente innen im Bereich eines umlaufenden Bezirks 28B (Fig. 3) aufeinanderliegen. Die exakten Formen von Ventilelement 28 und Kolben 44 sind nicht so wichtig, solange die genannte relative Neigung vorhanden ist und auf den Kolben keine Querkraft übertragen wird. Ist der Betrag der Arbeitsflächen-Neigung zu klein, dann oszilliert der Kolben gegenüber dem Ventilelement 28. Ist dagegen die Neigung zu groß, dann verschlechtert sich die Regelgenauigkeit in unzulässiger Weise. Die Neigung kann entweder am Element 28 oder am Kolben 44 vorgesehen sein; vorzugsweise befindet sich die umlaufende Neigung jedoch am Ventilelement 28, dem stationären Teil dieses aus zwei Elementen bestehenden Ventils.

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Mit einer nach vorstehenden Ausführungen bemessenen Neigung läßt sich aer Fluid-Auslaßdruck der Pumpe 12 innerhalb von etwa einem Prozent regeln, mit anderen Worten:
Bei einer innerhalb weiter Grenzen variablen Durchflußmenge durch die Pumpe und für Pumpen aller Größen bedeutet dies, daß der Auslaßdruck: höchstens um 1 % von einem gewünschten Sollwert abweicht. Dies ist bei konventionellen Reglern, in denan Ventilsitze verwendet werden, nicht möglich, weil diese bestenfalls eine Regelgenauigkeit von 12 %, gewöhnlich jedoch eine um 20 % liegende Genauigkeit erreichen, beispielsweise die unter Katalog-Nr. 1260957 erhaltliche Hilfsventilanordnung der John Bean division of FMC Corporation, Lansing,'Michigan. Bei einem derartigen Regler nutzt sich gegebenenfalls der Ventilsitz ab. Wegen der
besonderen Bauart versetzt sich das Ventilelement dieses bekannten Reglers gegenüber seinem Ventilsitz. Ferner ist die Betriebsweise des Reglers sehr mit Fehlern behaftet, weil eine beträchtliche Reibung zwischen dem beweglichen Ventilelement und dem benachbarten Gehäuse stattfindet.
Diese Reibung liegt in der Größenordnung von 50 % des
Betriebsdruckes bei dem zuvor erwähnten Regler des Typs
John Bean. Dagegen liegt beim Gegenstand der Erfindung
die Reibung bei etwa 2 % des, Betriebsdruckes.

Tellerfedern haben den Vorteil, daß sie im Verlauf ihres Hubes niemals Quer- oder Kippkräfte auf den Kolben übertragen. Dagegen würde eine konventionelle Schraubenfeder solche Kräfte erzeugen und diese beim Auftreten von Druck radikal verändern. Außerdem neigen Tellerfedern nicht zum Brechen wie Schraubenfedern.

Die gewünschte Federcharakteristik läßt sich durch Auswahl und Kombination von Standard-Tellerfedern ganz nach Wunsch einstellen. Dagegen müssen Schraubenfedern für

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eine gewünschte Federcharakteristik erst besonders herge- . stellt werden. Die Federanordnung 60 der Ventilanordnung 10 besitzt ein großes Verhältnis zwischen Anfangskraft und Kraftzunahme über den Verschiebeweg des Kolbens 44 hinweg. Dieses Verhältnis bedeutet eine relativ kleine Federkonstante, und der Kolben 44 schließt im Bereich seines gesamten Arbeitsweges annähern bei-dem gleichen Druck.

Die große wirksame Fläche der Arbeitsfläche 40 des Kolbens 44 im Verhältnis zum Durchmesser der Innenbohrung b4 bringt es mit sich, daß das durch den keilförmigen Ringspalt 31 hindurchströmende Fluid beschleunigt wird, wenn es vom umgebenden Ringspalt 32 zur Innenbohrung 54 fließt. Die Druckverteilung auf der wirksamen Fläche der Ventil-Arbe it'· fläche vermindert sich nach einer Exponentialfunktion, wenn es sich der Bohrung 54 nähert. Diese Druckverteilung ändert sich mit der Durchflußmenge.

Aufgrund der Neigung zwischen Arbeitsfläche 29 und Arbeitsfläche 40 nimmt die Fluid-Strömungsgeschwindigkeit in Richtung auf die Innenbohrung 54 zu. Ohne diese Neigung ergäben sich Bedingungen, als wäre die Bohrungsmündung im Verhältnis zur Größenordnung der Ventilanordnung 10 sehr groß. Das Ergebnis wäre ein überkorrektes Ventil, dessen Kolben 44 kräftig schwingen würde. Die Neigung hat ferner den Vorteil, daß"fast die gesamte wirksame Fläche der Arbeitsfläche 40 des Kolbens 44 zum Öffnen des aus den Elementen 28 und 44 gebildeten Ventils zur Verfugung steht. Die sehr schwach ausgebildete Neigung bietet dem einfließenden Fluid eine veränderliche Kolbenfläche dar.

Da gemäß Fig. 3 die Arbeitsfläche 40 des Kolbens 44 größer ist als die gegenüberliegende Arbeitsfläche 29, findet

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das mit dem Einganqsdruck eintretende Fluid in Verbindung mit dem keilförmigen Ringspalt 31 eine relativ große Arbeitsfläche 40 vor, auch wenn das Ventil geschlossen ist. Dies begünstigt das Offnen des Ventils.

Da erfindungsgemäß das Fluid radial von außen nach innen zur Innenbohrung 54 fließt, wird keine Querkraft auf den Kolben 44 übertragen. Dadurch wird der Kolben ständig im Gehäuse 22 zentriert und neigt nicht zum Kleben an den Innenflächen des Gehäuses oder Ventilsitzes. Dadurch können bei der erfindungsgemäßen Ventilanordnung O-Ringe a Ls Dichtungen in jeder Größe verwendet werden, was bei bekannten Ventilen dieser Art nicht möglich war. Bei sehr kleiner Druckänderungen verformt sich ohne wesentliche Kolbenbewegung lediglich der O-Ring, so daß das Ventil in fast iaealer Weise urmittelbar auf den Auslaßdrück der Pumpe 1.' anspricht. Ferner ist die Ansprechzeit der Ventilanordnung 10 viel größer als die Reaktionszeit der Pumpe bei Veränderungen des Fluid-Auslaßdruckes. Daraus ergibt sich, daß die Ventilanordnung im Betrieb den Auslaßdruck-Änderunct· jedes einzelnen Kolbenhubes unmittelbar folgt, ohne wie in konventionellen Anordnungen größere Reibungsbeträge überwinden zu müssen. Die sich bei konventionellen Vorrichtungen ergebenden Fluid-Spitzendrücke am Pumpenauslaß unterwerfen Schläuche und nachgeordnete Geräte schweren Stoßbelastungen. Dieser Nachteil wird durch die Ventilanordnung 10 vermieden, und außerdem wird gegenüber kon-. ventionellen Einrichtungen der Geräuschpegel bei Kolbenpumpen wesentlich gesenkt. Verwendet man die erfindungsgemäße Ventilanordnung 10, so kann man auf Akkumulatoren verzichten, schont außerdem die Pumpenlager und vermeidet ferner das Auftreten von Stoßbelastungen durch Spitzendruckänderungen in der nachgeschalteten Last des Systems.

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Ausgezeichnet ist auch die erfindungsgemäße Druck-Repro-

2 duzierbarkeit. Eine mit 52,7 kp/cm (750 PSI) an fester Last arbeitende Pumpe kann ein- und ausgeschaltet bzw. die Last zu- und abgeschaltet werden, und die Druck-Reproduzierbarkeit bleibt dennoch gut unterhalb 0,07 kp/cm'' (1 PSI). Dagegen zeigen konventionelle Regler unter den gleichen Betriebsbeoingungen Zufalls-Abweichungen bis zu + 15 % des Betriebsdruckes..

Mit dem Gegenstand der Erfindung läßt sich der Druck für einen Pumpen-Leistungsbereich zwischen 0 und 90 % der vollen Pumpenleistung gut innerhalb von 2 % regeln. Zum Beweis wurde ein Regler an einer 5,5-GPM-Pumpe getestet.

2
Der Druck wurde auf 70 kp/cm (1.000 PSI) eingestellt, während kein Wasser aus der Pumpe heraustrat. Vor einer S GPM-Düse wurde ein Ventil geöffnet. Der Druckabfall war auf dem Meßinstrument nicht ablesbar.

Ein bestimmter erfindungsgemäßer Regler regelt den Druck in einem breiten Durchflußmengenbereich. Zum Beweis wurde ein 2b GPM-Regler mit verschiedenen Pumpen getestet, und zwar einer 1-GPM-, 5-GPM-, 12-GPM- und einer 25-GPM-Pumpe.

2 Jede Pumpe wurde zwischen 3,5 kg/cm (50 PSI) und 70 kp/

2
cm ί1.000 PSI) getestet und die Wirkung war in allen Fällen eine hervorragende. Eine obere oder untere Grenze war nicht zu erkennen. Kein bekannter Regler hat einen so breiten Betriebsbereich.

Außerdem läßt sich der erfindungsgemäße Gegenstand von der Größe eines Fingerhutes bis zu jeder technisch möglichen Größe ohne wesentliche Kcnstruktionsänderung ausgestalten. Von welchem konventionellen Regler könnte man dies behaupten?

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Ferner läßt sich der Gegenstand der Erfindung ohne grundsätzliche Konstruktionsänderung zum Regeln von sehr-geringen bis zu sehr hohen Drücken einsetzen. Wegen der großen Ventilsitzfläche ist der Verschleiß bei sehr hohen Drücken minimal. Welcher konventionelle Regler bietet diese Möglichkeit?

Beim Gegenstand der Erfindung können Standard-Kolbendichtungen verwendet werden, die von Unter-Null-Temperatur^n bis zu 315° C (600° F) arbeiten. Zum Pumpen von Chemikalie: können Spezialdichtungen für geringere und höhere Temperaturen verwendet werden* Konventionelle Regler verwenden Spezial-Becherdichtungen oder Membranen. Diese Dichtungen sind auf etwa 70 C begrenzt und eine Spezialausführung für jeden Regler. Membranen neigen zur Ermüdung und sind für Hochdruck—Kolbenpumpen nicht geeignet. Erfindungsgemäß können auch geläppte Kolben- und Zylinderwände ohne Dichtungen für bestimmte Anwendungszwecke verwendet werden. Für Spezialfälle könnten auch Membran- oder Balgen-Dichtungen verwendet werden.

Der Gegenstand der Erfindung läßt sich nicht nur für die verschiedensten Flüssigkeiten mit sehr unterschiedlicher Viskosität, sondern'auch zur Regelung von Gasen verwenden.

Der Gegenstand der Erfindung ist zur Serienregelung von Flüssigkeiten und Gasen adaptierbar, indem man seine Konfiguration so ändert, daß das Ventil bei einem Anstieg des Auslaßdruclces schließt. Ferner läßt sich erfindungsgemäß die Vorspannung zum Einstellen des Druckbereiches durch die Schwerkraft, mechanisch, durch Kunststoff, ein Gas sowie durch Flüssigkeit aufbringen. Die Vorspannungserzeugung durch Gas, mechanisch, elektrisch und durch

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Flüssigkeit eignet sich zur Steuerung des Pumpendruckes aus der Ferne.

Ein konventioneller Regler mit einem kegel- oder kugelförmigen Ventilelement arbeitet insofern unstabil, als eine geringe Exzentrizität des beweglichen Elementes zu einer größeren Exzentrizität führen muß, weil am Kegel bzw. der Kugel eine asymmetrische Druckverteilung auftritt. Dagegen erzeugt der erfindungsgemäße plane Ventilsitz keine Seitenkräfte, der Kolben wird nicht verlagert. Die Sicherheit vor Seitenkräften gestattet es, den Kolben mit O-Ring-Dichtungen sehr geringer Reibung auszustatten. Da auch die Tellerfedern 64 keine Seitenkräfte auf den Kolben oder das Rohr 56 übertragen, kann man in der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 10 Ventilsitze mit engen Toleranzen und großer wirksamer Fläche verwenden.

Wegen der geringen Reibung zwischen Kolben und Gehäuse spricht die Ventilanordnung 10 sehr schnell auf Druckär.derungen am Auslaß der Pumpe 12 an, wie sie jedem einzelnen Kolbenhub der Pumpe folgen. Das dargestellte Ausführungsbeispiel kann bis zu einer Freguenz bzw. einer Hubzahl von 9.000 pro Minute folgen* dieser Wert ändert sich mit der Reglerkonfiguration. Ein bekannter Regler vom zuvor erwähnten John-Bean-Typ hat ein sehr langsames Ansprechverhalten. Tests haben gezeigt, daß dieser bekannte Regler etwa erst eine halbe Sekunde später auf eine Druckänderung anspricht, so daß sehr hohe Spitzendrücke an einer Kolbenpumpe auftreten. Berechnungen an dem zuvor erwähnten, mit großen Kolbenbechern ausgestatteten John-

2 Bean-Regler haben einen Dichtungsdruck von etwa 28 kp/cm

2 bei einem Betriebsdruck von 49 kp/cm an den Seitenwänden des Reglers ergeben. Unter den gleichen Bedingungen liegt beim Gegenstand der Erfindung der Druck an den Wänden

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bei etwa 1 kp/cm . Die mit einer Membrandichtung ausgestatteten konventionellen Regler haben zwar eine niedrige Reibung, sind aber sehr kompliziert und für Kolbenpumpen nicht geeignet, weil die Membran selbst zur Strukturermüdung neigt.

Die Reglergenauigkeit ist von folgenden Variablen abhängig;

a) Betrag der Kolbenfläche, die dem Eingangsdruck bei geschlossenem Ventil im Gegensatz zum teilweise oder ganz geöffneten Ventil gegenüberliegt;

b) wirksame Fläche an der Stirnseite des Kolbens 44;

c) Keilform des konvergierenden Spaltes zwischen Element 28 und Kolben 44;

d) Verhältnis des Durchmessers der Bohrung 54 zur wirksamen Fläche der Arbeitsfläche 40;

e) interne Reibung zwischen Kolben 44 und der Innenwand des Gehäuses 22;

f) Maße der Innenbohrung 54;

g) Weite der Querbohrungen 34;

h) Anzahl und Größe der Tellerfedern 64.

Das zylindrische Lagerelement 52 für den Kolben 44 kann einseitig offen sein, so daß sich Wärmeausdehnungen nur auf seine Dicke, nicht auf seinen Durchmesser auswirken können.

Nachfolgend seien einige Daten zum in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel gegeben:

Das nahtlos aus rostfreiem Stahl hergestellte Gehäuse hat einen Innendurchmesser von 27,5 mm und eine Wanddicke von 6,4 mm. Am äußeren Rand des Ringspaltes 32 beträgt der innere Gehäusedurchmesser etwa 32 mm, und die Gehäuselänge beträgt etwa 117,5 mm.

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Kappe 24: Die Kappe besitzt eine Gesamtlänge von 44,6 mm, der Durchmesser von Ventilelement 28 beträgt etwa 27 mm, und der Durchmesser jeder Querbohrung 34 etwa 6,4 mm. Die geneigte Arbeitsfläche 29 des Ventilelementes 28 ist zunächst gehärtet und dann schräg geschliffen. Der ausge- ^v rundete Innenkonus 28A in der Arbeitsfläche 29 wird auf Wunsch für Hochdruck:-Modelle vorgesehen. Der .Außendurchmesser der aus rostfreiem Stahl hergestellten Kappe beträgt 41,4 mm. Die Querbohrungen 34 müssen den einströmenden Fluidstrom nicht begrenzen.

Kolben 44: Er besteht aus rostfreiem Stahl und mißt am Außendurchmesser 28,6 mm. Der Durchmesser der Arbeitsfläche 40 beträgt etwa 28,5 mm, die Gesamtlänge des Kolbens beträgt 28,6 mm. Der Durchmesser der Innenbohrung 54 liegt etwa im Bereich »wischen 3,2 und 10 mm. Im erweiterten Bereich 54A der Innenbohrung 54 beträgt der Durchmesser etwa 14,2 mm, und die Arbeitsfläche 40 wird nach dem Härten plangeschliffen.

Rohr 56: Es ist aus rostfreiem Stahlrohr hergestellt, besitzt einen Außendurchmesser von etwa 14,4 mm und eine Wanddicke von 2,5 mm, während die Gesamtlänge bei etwa 155,6 mm liegt.

Die erfindungsgemäße, in Fig. 1 dargestellte Ventilanordnung 10 kann auch als Differenzdruck-Regler verwendet werden, wenn zwei separate Fluid-Drücke auf entgegengesetzten Kolbenseiten in das Gehäuse 22 geleitet werden. In diesem Falle dient der zentrale Strömungskanal 36 als Fluid-Einlaß für die eine Seite des Kolbens 44, und ein in Fig. 1 mit unterbrochenen Linien dargestelltes Rohr als zweiter Fluid-Einlaß auf der Gegenseite des Kolbens.

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Das Rohr 90 führt in den Raum, der zwischen der Innenwand des Gehäuses 22 und der Außenoberfläche des Rohres 56 gebildet wird. Ein durch dieses Rohr 90 in das Gehäuse 22 eintretendes Fluid würde den Kolben 44 nach oben drücken. Ist die Federanordnung 60 vorhanden, so würden sich deren Federspannung und der Druck des durch Rohr 90 eintretenden Fluids addieren und dem Druck des anderen Fluid entgegenstemmen, der durch Strömungskanal 36 von oben her eintritt, Aufgrund der geneigten Arbeitsfläche 29 des ersten Ventilelementes 28 würde dieser Differenzdruck-Regler genau so präzise und wirkungsvoll arbeiten wie die zuvor beschriebene Ventilanordnung 10.

Der Gegenstand der Erfindung läßt sich in die Einlaß- und Auslaßleitungen vieler Kolbenpumpen einbauen. Das Gehäuse, den Einlaß und die Ventilsitabereiche würde man in die Hochdruck-Ausgangsleitung einbauen. Das Gehäuse 22 könnte parallel zum Pumpenzylinder verlaufen. Das Rohr 56 könnte mittels einer O-Ring-Dichtung in die Einlaßleitung eingeführt werden. Die Druckregulierung könnte in oben beschriebener Weise vorgenommen werden, oder die gesamte Einheit könnte so eingebaut werden, daß das Element 28 über die Front der Hochdruckleitung und nicht durch die Schraube 62 justiert werden kann. Konventionelle Regler sind für derartige Einbauten nicht geeignet.

In einer gemäß Fig. 5 modifizierten Form läßt sich die Ventilanordnung 10 aus der Ferne bedienen, falls erwünscht. Die Ventilanordnung 10 in Fig. 5 ist im wesentlichen die gleiche wie in Fig. 1, ihr fehlt lediglich die Federanordnung 60. Stattdessen besitzt das Gehäuse 22 einen Seiteneinlaß 280 in Form eines Rohrstutzens 84, welcher in einen zwischen Kolben 44 und der hier vereinfacht dargestellten

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Stellschraube 62 befindlichen Raum 82 einmündet· Der Kolben 44 wird also hier mittels eines durch den Rohrstutzen 84 von einer geeigneten Quelle zugeführten Steuerfluid in Form einer Flüssigkeit oder Luft betätigt und in Richtung auf das erste Ventilelement 28 gedruckt. Das Fluid erzeugt also hier die "Feder"-Kraft. Die Arbeitsflächen von Element 28 und Kolben 44 sind die gleichen wie zuvor in Verbindung mit Fig. 1 bis 4 beschrieben.

Im Betrieb des in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiels ist also der Rohrstutzen 84 an eine nicht dargestellte Fluid-Quelle, ein Einlaßkanal 18A gemäß vorhergehender Beschreibung an einen Pumpenauslaß, und der Auslaß des Rohres 56 an den Einlaß der betreffenden Pumpe angeschlossen. Das im Raum 82 stehende Druckfluid erzeugt die notwendige elastische Vorspannung für den Kolben 44, die aus der Ferne verändert und gesteuert werden kann, indem man den Fluid-Druck verändert.

Ist der Druck im Raum 82 größer als der Fluid-Druck am Einlaß 18A, dann wandert der Kolben 44 in seine Schließstellung. Ist der Druck im Raum 82 genügend groß, dann wird das aus Element 28 und Kolben 44 gebildete Ventil wirksam geschlossen.

Falls erwünschti kann man in dem Raum 82 zusätzlich eine Säule aus den zuvor beschriebenen Tellerfedern unterbringen. Dann würde das durch den Seiteneinlaß 280 eintretende Druckfluid den Druck auf den Kolben 44 vergrößern, falls erwünscht, und dieser Druck ließe sich aus der Ferne steuern.

In Fig. 6 und 6A ist eine andere Möglichkeit zur Steuerung der Kolbenstellung dargestellt. Hier befindet sich

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das Rohr 56 im Innern eines Hüllrohres 86, welches mittels einer in das Auslaßende des Gehäuses eingeschraubten Führungsbuchse 83 in den Innenraum des Gehäuses eingeführt ist. Dieses Hüllrohr 86 besitzt einen verbreiberten Rohrabschluß 190 mit einem äußeren Aufsatz 92, in dessen Mitte ein Hebel 96 mit seinem einen Ende drehbar mittels eines Stiftes 94 gelagert ist. Außerdem ist dieser Hebel 96 noch mittels eines Stiftes 100 drehbar gegenüber einer Unterstützung 98 gelagert. Mit dem entgegengesetzten Ende 102 des Hebels 96 gekoppelte und in der Zeichnung nicht dargestellte Elemente können den Hebel 96 um den Stift verdrehen und auf diese Weise das Hüllrohr 86 gegenüber dem Gehäuse 22 in dessen Längsachse verschieben. Innerhalb des Rohrabschlusses 190 ist ein Kniestück 91 mit dem Ende des Rohres 56 verbunden.

Das untere Ende des Hüllrohres 86 liegt auf der Unterlegscheibe 68 auf, die mit den dahinterliegenden Tellerfedern 64 durch einen Ring 104 gegen Herausfliegen gesichert ist, wenn das Hüllrohr 86 einmal weiter nach oben herausgezogen werden sollte. Der Ring ist im Gehäuse 22 , lösbar mittels einer Schraube 106 gesichert. Anstelle einer aus Tellerfedern 66 bestehenden Federanordnung kann eine kompressible Kunststoff-Feder verwendet werden.

Durch den entweder von Hand, durch Nocken oder in anderer Weise betätigten Hebel 96 läßt sich das Hüllrohr 86 gegenüber dem Gehäuse 22 verschieben. Bei einer Hebeldrehung entgegen dem Uhrzeigersinne (Fig. 6A) erhöht sich die auf den Kolben wirksame Vorspannung der Tellerfedern 64, um beispielsweise einem größeren Einlaß-Fluiddruck im Ringspalt 32 entgegenzuwirken. Hebt sich das Hüllrohr 86 dagegen bei einer Drehung des Hebels 96 im Uhrzeigersinne

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gemäß Fig. 6A, so vermindert sich die am Kolben wirksame Vorspannung der Tellerfedern 64.

Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung der Kolbenvorspannung gegenüber dem Element 28 zeigt Fig. 7, wo eine erste Buchse 110 aus einem magnetisch permeablen Material am äußeren Ende des Rohres 56 angeordnet und stirnseitig mit einer zweiten Buchse 111 gekoppelt ist. Diese zweite Buchse

111 ragt durch die Öffnung eines rohrförmigen Elektromagneten 112 hindurch, welcher das Rohr 56 umschließt und mittels einer Überwurfmutter 114 am Auslaßende des Gehäuses 22 angeschraubt ist. Buchse 110 befindet sich nahe dem einen Ende des mittels Leitungen 116 an eine nicht dargestellte Stromquelle anschließbaren Elektromagneten 112. Rohr 56 ist gegenüber Buchse 111 und Elektromagnet

112 verschiebbar. Buchse 111 drückt mit ihrer inneren Stirnfläche gegen die Unterlegscheibe 68.. Ein mittels einer Schraube 122 im Gehäuse 22 befestigter Ring 120 begrenzt den Hub der auf den Tellerfedern 64 aufliegenden Unterlegscheibe 68 nach oben.

Im Ruhezustand befindet sich die erste Buchse 110 in dem in Fig. 7 dargestellten Abstand vom Rand des Elektromagneten 112, und die mit den Tellerfedern 64 in Verbindung stehende zweite Buchse 111 bewirkt, daß der nicht dargestellte Kolben 44 mit einer bestimmten Ruhe-Federspannung beaufschlagt wird,- Sobald der Elektromagnet 112 Spannung erhält, zieht er die erste Buchse 110 an und drückt damit die zweite Buchse 111 weiter in das Gehäuse 22 hinein, so daß sich die Vorspannung der Tellerfedern 64 erhöht. Der Kolben ist jetzt also mit einer höheren Federspannung beaufschlagt. Zur Absenkung der Federvorspannung wird der Elektromagnet von der Stromquelle getrennt.

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Außer der magnetischen Anziehung kann man auch die magnetische Abstoßung realisieren, wenn man die Buchse 110 durch einen Permanentmagneten ersetzt. Man muß in diesem Falle den Elektromagneten 112 mit Gleichspannung der einen oder anderen Polarität versorgen, wenn man die Buchse 110 anziehen oder abstoßen möchte.

Man kann eine der zuvor beschriebenen Betätigungseinrichtungen auch zum selektiven Öffnen des Ventils benutzen, dann läßt sich die Ventilanordnung 10 auch für "by-pass"-Zwecke benutzen, wenn erwünscht. So kann es beispielsweise notwendig sein, nach Abtastung eines bestimmten Fluid-Kennwertes, beispielsweise der Temperatur, das Ventil zu öffnen; dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Last von der Pumpe abgeschaltet wurde, mit der die gesamte Anordnung verbunden ist. So könnte man durch Öffnen des Ventils Temperatur-Erhöhungen im Fluid und in der Pumpe vermeiden, indem das Fluid durch die Ventilanordnung 10 zirkuliert. Dadurch sinkt der Auslaßdruck der Pumpe während des Leerlaufzustandes, Überhitzungen und Beschädigungen der Pumpe werden wirksam vermieden.

Wegen der geringen Innenreibung zwischen Kolben und Gehäuse-Innenwand der Ventilanordnung 10 kann eine Betätigungseinrichtung direkt mit dem Kolben verbunden werden, ohne daß die Eingangskraft verstärkt werden müßte.

Die Ventilanordnung 10 läßt sich auch als Einbau-Regler für eine Fluid-Pumpe benutzen, beispielsweise für solche Fluid-rPumpen, wie sie von der Cat Pumps Corporation, 1600 65th Avenue N., Minneapolis, Minnesota 55430, hergestellt und vertrieben werden. Eine typische Pumpe dieser Art ist in Fig. 8 dargestellt und besitzt eine Einlaßleitung 130 und eine Auslaßleitung 132, und ferner eine Anzahl

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von Kolben-Zylinderanordnungen 134, welche die Leitungen 130 und 132 miteinander verbinden. Einti nicht dargestellte und innerhalb eines Gehäuses 136 untergebrachte Antriebseinrichtung treibt die Kolben-Zylinderanordnung 134 an, so daß ein Fluid von der Einlaßleitung 130 zur Auslaßleitung 132 gepumpt wird. Die Kolben arbeiten mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 120 . Eine typische Pumpe dieser Art kann bis zu 100 1 pro Minute fördern und dabei

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einen Druck von bis zu 70 kp/cm (1.000 PSI) erzeugen.

Der in Fig. 8 als Einbau-Ventilanordnung 150 ausgebildete Gegenstand der Erfindung besitzt ein rohrförmigen Gehäuse 152, welches gemäß Fig. 8 und 9 die Einlaßleitung 130 mit der Auslaßleitung 132 verbindet und beiderseits mittels je einer O-Ring-Dichtung 153 abgedichtet ist. An einer Kappe 154, die bewegbar auf einem mit Gewinde versehenen Bolzen 156 angebracht ist, befindet sich ein Ventilelement 158 mit einer Arbeitsfläche 160. Ein Zwischenraum zwischen dem Ventilelement 158 und der Innenwand des rohrförmigen Gehäuses 152 bildet eine fluidgefüllte Ringkammer 162. Als Fluidverbindung zwischen dieser Ringkammer 162 und der Auslaßleitung 132 dienen eine Anzahl von Längsnuten 164 am Umfang der Kappe 154.

Der durch die Außenwand der Auslaßleitung 132 hindurchgeführte Bolzen 156 besitzt einen als Anschlag zur Begrenzung einer Auswärtsbewegung dienenden Flansch 166, der an einer Innenfläche 168 der Auslaßleitung 132 anliegt. Zwischen Flansch 166 und Fläche 168 liegt eine Scheibe 170, Durch Verdrehen eines Außenendes 172 des Bolzens 156 läßt sich je nach Drehrichtung die Kappe 154 gegenüber dem Gehäuse 152 einwärts oder auswärts bewegen. Als Verdrehsicherung der Kappe 154 gegenüber dem Gehäuse 152 dient

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ein Stift 173. Das Außenende 172 des Bolzens 156 ist gegenüber der Auslaßleitung 132 durch einen O-Ring 174 abgedichtet.

Ein zweites Ventilelement 176 ist von "ähnlicher Konstruktion wie der zuvor beschriebene Kolben 44 der Ventilanordnung 10 und befindet sich innerhalb des rohrförmigen Gehäuses 152 und besitzt eine plane Arbeitsfläche 178, deren Außendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser der gegenüberliegenden Arbeitsfläche 160 des ersten Ventilelementes 158. Beide Arbeitsflächen 160 und 178 verlaufen quer zur Längsrichtung des rohrförmigen Gehäuses 152.

Das zweite Ventilelement 176 besitzt eine Mittelbohrung 180, welche in einen MitteHcanal 182 eines Rohres 184 übergeht, das mit dem Ventilelement 176 verbunden ist. Ein aus Tellerfedern 188 in vorbeschriebener Weise zusammengesetztes Federelement 186 ist auf das Rohr 184 aufgeschoben und erstreckt sich zwischen dem Ventilelement 176 und einem Führungsring 189, der in die Innenbohrung des Gehäuses 152 eingesetzt und durch einen in einer Gehäusenut befindlichen Federring 192 fixiert ist. Hinter dem beweglichen Ventilelement 176 ist das Gehäuse 152 durch eine Bohrung 193 entlüftet. Der Führungsring 189 ist durch O-Ringe 195 nach innen und außen abgedichtet.

Im Betrieb der Pumpe fließt das in der Auslaßleitung stehende Fluid durch die Längsnuten 164 in die Ringkammer 162 und von dort in den umlaufend keilförmigen Kanal zwischen den beiden gegenüberliegenden Arbeitsflächen 160 und 178. Anschließend fließt das Fluid in und durch

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die Mittelbohrung 180 und gelangt schließlich durch den Mittelkanal 182 in die Einlaßleitung 130. Die Betriebsstellung des Ventilelementes 176 gegenüber dem anderen Ventilelement 158 wird bestimmt durch den Flüid-Druck in der Auslaßleitung und somit durch die Lastbedingungen der Pumpe.

Die Werte für die Randbreite und den Durchmesser der Mittelbohrung 180 werden nach den Kriterien ausgesucht, die zuvor im Zusammenhang mit der Beschreibung der Ventilanordnung 10 bereits besprochen wurden. Auf jeden Fall wird der Auslaßdruck der Pumpe auf 2 % oder besser eingeregelt.

Wird die Ventilanordnung 10 wie zuerst beschrieben verwendet, dann bildet sie den Teil eines Systems, und wird sie gemäß Fig. 8 und 9 direkt in die Pumpe eingebaut, dann wirkt die Ventilanordnung als hochwirksamer Pumpenregler, so daß auf einen Akkumulator verzichtet werden kann.

Zusammengefaßt betrifft die Erfindung eine Fluid-Ventilanordnung, die für viele verschiedene Anwendungen, u.a. als Fluid-Druckregler für eine Pumpe geeignet ist, deren Ausgangsdruck unter wechselnden Lastbedingungen gleichförmig eingehalten werden soll. Die Anordnung umfaßt ein Gehäuse mit zwei darin befindlichen gegenseitig verschiebbaren Ventilelementen und eine die Ventilelemente zueinander vorspannende Einrichtung. Die Ventilelemente haben je eine Stirnfläche, die der entsprechenden Stirnfläche des anderen Elementes zugekehrt ist. Das eine der Ventilelemente hat inmitten seiner Stirnfläche eine Öffnung, die so bemessen ist, daß eine Randfläche gebildet wird, deren Breite von der Öffnung bis zu ihrem

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äußeren Rand größer als der Offnungsdurchmesser ist. Die Stirnfläche des ersten Ventilelementes ist vorzugsweise kegelig abgeschrägt, so daß ein sich keilförmig erweiternder Spalt zwischen den Stirnflächen gebildet wird, der das Lösen des Ventilelementes beim Öffnen des dadurch gebildeten Ventils erleichtert. Zum Gehäuse gehört ein Fluid-Einlaß, der mit dem die Ventilelemente umgebenden Bezirk in Verbindung steht, und ein mit der Öffnung verbundener Fluid-Auslaß.

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Claims

Ansprüche

(imJ Ventilanordnung mit einem Gehäuse und einer darin Tiefindlichen, ein sich öffnen und schließen lassendes Ventil für ein Fluid bildenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ventil zwei gegenseitig verschiebbare Ventilelemente (28, 42) mit je einer Arbeitsfläche (29, 40) gehören, deren Arbeitsflächen einander zugekehrt und beim geschlossenen Ventil miteinander im
Eingriff sind; daß mittels einer im Gehäuse befindlichen Einlaßeinrichtung (36) ein Fluid-Strom in das
Gehäuse und in einen den äußeren Rändern der Arbeitsflächen benachbarten Bezirk leitbar ist; daß das eine Ventilelement (42) eine in seine Arbeitsfläche (40)
einmündende Öffnung (54) besitzt, die bei geschlossenem Ventil geschlossen ist; daß die erste der Arbeitsflächen (29) zwischen ihrem äußeren Rand und der Öffnung eine wirksame Länge aufweist, die mindestens dem 1,5-fachen Radius der Öffnung entspricht; daß im Gehäuse
Platz zur Aufnahme einer Einrichtung (60) vorhanden ist, die die Ventilelemente (28, 42) gegeneinander vorspannt und in gegenseitigen Eingriff bringt, jedoch die gegenseitige Trennung der Ventilelemente zuläßt, wenn sicn das Fluid an der Stelle befindet,und dabei das Ventil öffnet, indem es an den Arbeitsflächen vorbei in die
Öffnung ein- und durch diese hindurchfließt, und daß
mit dem Gehäuse eine den Abfluß von Fluid aus der

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Öffnung ermöglichende Einrichtung (20) verbunden ist.
2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche (29) des einen Ventilelementes (28) eine Neigung aufweist, welche in Querrichtung einen keilförmigen Zwischenraum (31) zwischen den Arbeitsflächen (29, 40) freihält, die die gegenseitige Trennung der beiden Ventilelemente (28, 42) zuläßt.
3. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (31) ringförmig verläuft, und daß die Neigung so bemessen ist, daß der Abstand zwischen beiden Arbeitsflächen (29, 40) bei geschlossenem Ventil am Außenrand des einen Ventilelementes (28) einen zwischen 0,0025 und 0,25 mm liegenden Wert aufweist.
4. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Öffnung (54) mindestens ihrem Durchmesser gleich ist.
5. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ventilelemente (28, 42; 158, 176) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, daß das eine Ventilelement (28) gegenüber dem Gehäuse (22) fixiert ist., und daß die Arbeitsfläche (40; 178) des zweiten Ventilelementes (42; 176) einen größeren Durchmesser als die Arbeitsfläche (29; 160) des anderen Ventilelementes (28; 158) besitzt.
6. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Arbeitsfläche (40; 178) im wesentlichen plan ausgebildet und die andere, ihr gegenüberliegende Arbeitsfläche (29; 160) dazu eine-Längsausdehnung aufweist.

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7. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (31) in Fluid-Verbindung (32, 34) mit der Einlaßeinrichtung (36) steht, so daß das Fluid in den Zwischenraum eintreten und die Ventilelemente (28, 42) trennen kann.
8. Ventilanordnung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zwischenraum (31) um die Öffnung (54) herum erstreckt und seine größte Breite am äußeren Rand der anderen Arbeitsfläche (40) erreicht.
9. Ventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (36) in Verbindung mit einem Gehäusebezirk (32) steht, der seinerseits mit dem keilförmigen Zwischenraum (31) zwischen den Arbeitsflächen (z.B.29,40) verbunden ist.
10. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gehäuse (22) Einrichtungen (z.B. 62) zum Einstellen der Vorspannung der Vorspanneinrichtung (60) verbunden sind.
11. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorspanneinrichtung (60) mehrere Federscheiben (64) gehören.
12. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorspanneinrichtung eine mit Druck beaufschlagte Fluid-Menge in dem Gehäuse (22) gehört (Fig. 5).

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13. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (22) zylindrisch und in seiner Längsrichtung im wesentlichen spiegel symmetrisch ausgebildet ist.
14. Ventilanordnung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Ventilelement (z.B. 42) als in einer Zylinderbohrung (50) des Gehäuses (22) beweglicher zylindrischer Kolben (44) ausgebildet und mittels einer ringförmigen elastischen und im Gehäuse verschiebbaren Dichtung (48) abgedichtet ist.
15. Ventilanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (48) aus zwei in einem axialen Abstand voneinander am Umfang des Kolbens (44) angeordneten Dichtungsringen besteht.
16. Ventilanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich die eine Dichtung zwischen der anderen und der Arbeitsfläche des beweglichen Ventilelementes (44) befindet, und daß die andere Dichtung eine Lücke o. dgl. besitzt, um Fluid zwischen sich und der Gehäuseinnenwand durchzulassen.
17. Ventilanordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Ventilelement (42) an seinem Umfang ein geschlitztes Ringlagerelement (52) trägt, welches das Ventilelement gegenüber der Zylinderbohrung (50) zentriert (Fig. 1).
18. Ventilanordnung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum stationären

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Ventilelement (28) mehrere Fluid-Kanäle (34) gehören, die den in einer mit dem Gehäuse (22) verbundenen Kappe (24) befindlichen Fluid-Einlaß (36) mit dem Bereich (32) des Gehäuses verbinden, der die Arbeitsflächen (29, 40) umgibt; und daß der Bereich (32) ringförmig gestaltet ist.
19. Ventilanordnung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Auslaßeinrichtung ein mit dem beweglichen'Ventilelement (42) gekoppeltes Rohrelement (56) gehört, das mit der Öffnung (54) in diesem Ventilelement in Fluid-Verbindung steht und durch das Gehäuse (22) hindurchragt.
20. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ventilelement (28) in seiner Arbeitsfläche (29) eine im wesentlichen konische Erhebung (28A) besitzt, die bei geschlossenem Ventil in dia Öffnung (54) in der gegenüberliegenden Arbeitsfläche (40) hineinragt und die Fluid-Strömung günstig beeinflußt (Fig. 3).
21. Ventilanordnung nach Anspruch I^ dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung (60) mittels einer im Gehäuse (22) verdrehbaren Schraube (62) in ihrer Spannung einstellbar ist, und daß zwischen dieser Schraube und der Vorspanneinrichtung bzw. einer vorgelegten Scheibe (68) ein Rollenlager (70) zur Verminderung der Reibung eingelegt ist.
22. Ventilanordnung nach Anspruch 10, 11 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Ventilelement (42) eine Stirnfläche aufweist, auf die die Vorspanneinrichtung

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(ζ.Βφ 60) so einwirkt, daß eine gleichmäßige Kraftverteilung über die gesamte Fläche gegeben ist.
23. Ventilanordnung nach Anspruch 19 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß diese Stirnfläche um das im Ventilelement (42) befestigte Rohr (56) verläuft, und daß die Federscheiben (64) über das Rohr geschoben' sind.
24. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß sich das gehäusefeste Ventilelement (28) unterhalb des beweglichen Ventilelementes (42) befindet und genügend Masse besitzt, um durch die hierbei als Vorspanneinrichtung wirkende Schwerkraft gegen das andere Ventilelement (42) gedrückt zu werden.
25. Ventilanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung gleichförmig von der Mitte der Arbeitsfläche (29) ausgeht.
26. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch das Gehäuse (22) nach außen ragende und gegenüber dem Gehäuse verschiebbare Einrichtung (86) einerseits mit der Vorspanneinrichtung (60) und außen mit einem Hebel (96) gekoppelt ist, der durch eine äußere Kraft bewegbar ist (Fig. 6A).
27. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-9 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rohr (56) ein magnetisch permeabler Körper (110) angebracht ist, der sich im Kraftbereich eines Elektromagneten (112) befindet und mit diesem zusammen die Vorspanneinrichtung (64) beeinflußt (Fig. 7).

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28. Ventilanordnung nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Ventilelement (42) mittels einer an eine Druckquelle angeschlossenen Fluid-Menge, die über einen separaten Einlaß (84) in das Gehäuse (22) gelangt, gegenüber dem festen Ventilelement (28) vorgespannt ist.
29. Ventilanordnung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ventilelemente (z.B. 28, 42) eine gemeinsame Mittelachse besitzen.
3ü. Fluid-Pumpe, mit einer Fluid-Einlaßleitung und einer davon räumlich getrennten Fluid-Auslaßleitung, einer zwischen diesen Leitungen angeordneten Anzahl von Kolben-Zylinderanordnungen, die das Fluid nacheinander von der Einlaß- zur Auslaßleitung pumpen, einer die Kolben hin- und hergehend antreibenden Einrichtung, und mit einem die Rohrleitungen überspannenden Gehäuse, in dem sich ein Fluid-Druckregler mit einer gemäß mindestens einem der Ansprüche 1-29 ausgebildeten Ventilanordnung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (180) im beweglichen Ventilkörper (176) der Ventilanordnung (150) mit der Einlaßleitung (130) der Pumpe, und daß der die beiden Arbeitsflächen (160, 178) umgebende Bereich (162) des Gehäuses (152) mit der Auslaßleitung (132) der Pumpe verbunden ist.
31. Fluid-Pumpe nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinderanordnungen (134) der Pumpe so bemessen sind, daß die Pumpe mindestens einen Auslaß-

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druck von 85 kp/cm (1200 PSI) und eine Durchflußmenge von mindestens 100 l/min. (25 gallons per minute) erreicht.

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