DE2410541B2

DE2410541B2 - Umschaltventil

Info

Publication number: DE2410541B2
Application number: DE2410541A
Authority: DE
Inventors: Hidetsugu Fujitani; Naotake Oneyama
Original assignee: Shoketsu Kinzoku Kogyo Kk Tokio
Current assignee: Shoketsu Kinzoku Kogyo Kk Tokio
Priority date: 1973-11-07
Filing date: 1974-03-06
Publication date: 1978-12-14
Also published as: GB1490369A; JPS5074822A; FR2250055B1; US3955597A; DE2410541A1; FR2250055A1; DE2410541C3; JPS5326686B2

Description

H =

.160

D, - D

2, J

ist, wobei D=, der wirksame äußere Durchmesser, D\ der wirksame innere Durchmesser und / die Höhe des ringförmigen Ventilverschlußteils ist.

Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil mit einer Absnprrojnrichtun*⁷ zur L'nischuHun¹* der Richtung eines Fluidstroms durch Verbindung einer ausgewählten Austrittsöffnung mit einer Eintrittsöffnung bei gleichzeitiger Herstellung eines Abflusses über eine zweite Eintrittsöffnung zu einer anderen Austrittsöffnung, bestehend aus einem Ventilgehäuse mit einer im Inneren vorgesehenen, im wesentlichen zylindrischen Ventilkammer mit einem Paar von einander gegenüberliegenden Ventilsitzen und mit Führräumen an gegenüberliegenden Enden für einen in der Ventilkammer verschiebbaren Hauptventilkörper mit Endbereichen, die in dichtender Berührung mit den Wänden der Führräiime des Ventilgehäuses stehen, sowie mit einem Paar von einander gegenüberliegenden Ventilsitzen zwischen den Endbereichen, welche den Ventilsitzen des Ventilgehäuscs zugewandt sind, ;ius einem locker um den Hauptventilkörper angeordneten, ringförmigen Ventilverschlußleil mit rechteckigem Ringqucrschnilt, das in Berührung mit den Ventilsitze·" von Ventilgehäuse und Hauptventilkörper bringbar ist. und aus einer Ventilbetätigungscinrichtung zur Verschiebung des Hauptventilkörpers von einer ersten in eine zweite Umschaltstellung.

Ein derartiges Umschaltventil, das ein Ventilgehäuse mit im wesentlichen zylindrischer Veniilkammcr und einander gegenüberliegenden Ventilsitzen aufweist, ist beispielsweise aus der AT-PS 2 65 791 bekannt. In der Ventilkammer dieses Ventils ist ein verschiebbarer Hauptventilkörper mit ebenfalls gegenüberliegenden Ventilsitzen angeordnet, zwischen denen ein ringförmiges Ventilverschlußteil locker liegt. Das Verschließen des jeweils abzusperrenden Ströinungspfades erfolgt bei dem bekannten Umschaltventil durch Anpressen des kreisringförmigen, ebenen Ventilsitzes des Hauptvenlilkörpers an eine erste Dichtfläche des Ventilvcrschlußteils, das dadurch mit seiner /weiten gegenüberliegenden Dichtfläche gegen den ebenfalls kreisringförmigen, ebenen Ventilsitz des Ventilgehäuscs gepreßt wird. Die Stärke des Anpreßdruckes und damit die Dichtwirkung hängen ausschließlich von dem auf die Stirnfläche bzw. die Kolbensdrnseilc seines Stcuerkolbcns ausgeübten Mediendruck ab.

Es sind ferner bereits Umschaltventile bekannt, die sich im wesentlichen in zwei Gruppen einteilen lassen, nämlich in Umschaltventile mit einem verschiebbaren, im allgemeinen stangenartigen Verschlußteil und in Umschaltventile mit einem von einem Ventilsit/, abhebenden VerschluUteil. Ein Ventil mit verschiebba-

rem Verschlußteil hat die Vorteile, daß es nur eine geringe Anzahl von Bauelementen erfordert und einfach aufgebaut ist, daß es lediglich durch Änderungen verschiedene Abmessungen eines einzigen Verschlußteils eine Umschaltung in viele Richtungen und Stellungen ermöglicht, und daß es sich einfach an Konstruktionen mit abgeglichenem Druck anpassen läßt, wodurch eine vorteilhafte Verringerung der erforderlichen ^'entilbetätigungskraft ermöglicht wird und verhältnismäßig große Fluidmengen verarbeitet werden können, insbesondere dann, wenn ein System mit unmittelbar betätigtem Magnetventil verwendet wird.

Ventile mil verschiebbarem Ventilglied haben jedoch auch unvermeidbar die Nachteile, daß sich nur schwer eine sichere Abdichtung an den gleitenden Bereichen des Verschlußteils erreichen läßi und daß kleine Fluidmengen sowiie Staub oder Fremdstoffc im Fluid in den Bereich der gleitenden Teile gelangen und so einen erhöhten Reibungswiderstand für das Verschlußteil

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nen, etwa ein Durchbrennen einer Magnetspule, wenn ein unmittelbar betätigtes Magnetventil benutzt wird. Um dies zu verhindern, muß der Zustand des Fluids sehr sorgfältig gesteuert werden.

Andererseits hat ein Ventil mit sich von einem Ventilsitz abhebenden Verschlußteil die Vorteile, daß es das Fluid auf sichere Weise abdichtet, daß man durch eine geringe Verschiebung des VerschlußleiK einen großen Fluidstrom bewirken kann und daß sich keine Bctriebsschwicrigkciten infolge Durchlritts kleiner Fluidmengen oder infolge Staubs und Fremdstoffen ergeben, so daß auch keine genaue Steuerung der Qualität des Fluides erforderlich wird. Die Nachteile der bekannten Ventile mit sich vom Ventilsitz abhebendem Verschlußteil bestehen darin, daß die Herstellung eines druckabgeglichcnen Aufbaus, der nur eine geringe Betätigungskraft benötigt, schwierig ist und daß zur Umschaltung in mehr als drei Richtungen oder in mehr als drei Stellungen die Verwendung einer entsprechenden Anzahl von Ventileinheiten erforderlich wird, so daß ein Ventilaufbau entsteht, der eine erhöhte Anzahl von Bauelementen aufweist, was nachteilig bezüglich Größe und bezüglich Herstellungskosten ist.

Die Betriebseigenschaften von Ventilen mit verschiebbaren. Verschiußtcil und Ventilen mit sich von einem Ventilsitz abhebendem Verschlußteil sind, wie vorstehend erwähnt, gegensitzlich, so daß diese Ventile in der Praxis auch für unterschiedliche Anwendungszwecke benutzt werden. Im allgemeinen wird ein Ventil mit verschiebbarem Verschlußteil zum Umschalten in mehr als drei Richtungen und ein Ventil mit von einem Ventilsitz abhebenden Verschlußteil für Umschaltungen in weniger als drei oder in zwei Richtungen benutzt. Es gibt bereits ein Vierrichtungs- oder Vierwege-Ventil mit sich vom Ventilsitz abhebendem Verschlußteil, das aus einer Anzalil von Zwei- oder Dreiwege-Vcntileinheiten aufgebaut ist oder eine Achse enthält, die eine Anzahl von Ventilsitzen aufweist ähnlich wie bei einem Ventil mit verschiebbarem Verschlußteil. Dieser Aufbau hat jedoch den Nachteil, daß er eine erhöhte Anzahl von Bauelementen benötigt und kompliziert konstruiert sein muß, um Durchlasse zu bilden, die die verschiedenen Vcntileinheiten verbinden, so daß eine Ventilanordnung von unerwünscht großen Abmessungen entsteht und ihre Herstellung teuer ist. Es könnte auch ein Aufbau in der Größe eines Ventils rr.'t verschiebbarem Verschlußteil realisiert werden, doch hätte dies den Nachteil, daß eine axial wirkende Ventilbetätigungsknift sich nur schwer gleichförmig auf eine Anzahl von Dichtungsbereichen zwischen Verschlußteil und einem Ventilsitz verteilen läßt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfach aufgebautes und zur Erzielung einer sicheren und festen Abdichtung nur eine geringe Betätigungskraft benötigendes Umschaltventil mit von einem Ventilsitz abhebendem Verschlußteil zu schaffen, das auch bei Steuerung von verschmutztem Fluid kein nachteiliges Betriebsverhalten zeigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Umschaltventil in der aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ersichtlichen Weise ausgebildet.

Das ringförmige Ventilverschlußteil wird durch die Wirkung des Hauptveniiikörpers und einem bei Verschiebung dieses Hauptveniiikörpers in die erste oder zweite Umschaltstellung in der Veniilkammer entstehenden Fluiddruck fest zwischen den kegelstumpfförmigen Sitzen des Hauptver/ ;körpers und des Vcniugchuüses geriulten, wouurcn eiuj sichere Dichtung um den Hauptventilkörper entsteht, um eine Fluideinlaßöffnung mit einer gewählten Fluidauslaßöffnung zu verbinden.

In ein-;m bevorzugten Ausführungsbeispiel verläuft ein Fluidaustrittsdurchlaß axial durch den Hauptventilkörper und ist über eine radiale Öffnung zwischen dem Paar von kegelstumpfförmigen Ventilsitzen des Hauplventilkörpers mit der Veniilkammer verbunden.

Das ringförmige Ventilverschlußteil wird mittels einer Führeinrichtung in koaxialer Lage bezüglich dem I lauptvcntilkörper gehalten.

Ein Merkmal der Erfindung ist in dem ringförmigen Ventilverschlußteil zu sehen, das bewegbar in einem Raum zwischen dem Ventilgehäuse und dem Hauptventilkörper angeordnet ist. In der ersten und der zweiten Umschaltslellung wird durch das ringförmige Ventilverschlußteil und die kegelstumpfförmigen Ventilsitze im Gehäuse und im Hauptventilkörper eine sichere Ventildichtung infolge der kombinierten Wirkung einer von einer geeigneten Venlilbctätigungscinrichtung verursachten Kraft und eines auf das ringförmige Ventilverschlußteil selbst wirkenden Fluiddiuckes aufrechterhalten. Der Hauptventilkörper kann mittels einer extrem geringen Betätigungskraft ohne Einfluß von dem auf das ringförmige Ventilverschlußteil wirkenden Fluiddruck von einer Umschaltstellung in die andere bewegt werden.

Da außerdem das ringförmige Ventilverschlußteil locker bezüglich dem Hauptventilkörper angeordnet ist. so daß der auf das ringförmige Ventilverschlußteil wirkende Fluiddruck nicht auf den Betrieb des Hauptventilkörpers wirkt, kann das Ventil mit einem druckabgeglichenen Aufbau arbeilen, ähnlich wie die bekannten, abgeglichenen Umschaltventile mit ver schicbbarem Ventilglied, oder es kann als einfaches Umschaltventil dienen, das unter dem Einfluß eines Fluiddrucks in eine Ausgangsstellung zurückkehrt. Außerdem kann es ai.s sich selbst haltendes Doppel-Umschaltventil arbeiten, das unter dem Einfluß des Fluiddrucks dauernd in einer Umschaltstellung gehalten wird. Die erfindungsgemäße Ventilanordnung ist somit für verschiedene Anwendungszwecke geeignet, da sie in ihrer Funktionsweise sehr vielseitig ist.

Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Umschaltventil alle Vorteile der bekannten Ventile mit von einem Ventilsitz abhebendem Verschlußteil und mil einem verschiebbaren Verschliißtei! auf. ohne <l;iit ιΙργρπ

Nachteile vorhanden wären.

Die Erfindung wird im folgenden iinhiind tier Aiisführungsbeispicle zeigenden Figuren riiiher erliititcrl.

F'i g. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Umschaltventil gemäß der Erfindung;

F i g. 2 zeigt das Ventil aus Fig. I in einer anderen Umschaltstellung;

F" i g. 3 zeigt einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines crfindungsgcmäßcn Um-'-ehaltventils;

F-" i g. 4 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführtingsbcispiel eines erfindiingsgemäl.len Umschaltventils;

F'i g. 5 zeigt in einem Schnitt ilen Aufbau eines ringförmigen Vcntilverschlußtcils gemäß der Erfindung:

F i g. 6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie Vl-Vl aus F i g. 5;

F" i g. 7 zeigt einen Schnitt durch eine abgewandelte Führung des ringförmigen Vcntilverschlußtcils in der Stellung gemäß F" i g. 6.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Umschaltventil gemäß der Erfindung hat ein Ventilgehäuse I mit einer im Inneren vorgesehenen, im wesentlichen zylindrischen Ventilkammer 2. In dieser Ventilkammer befindet sich ein in axialer Richtung verschiebbarer I lauptvcntilkörper 3 sowie ein ringförmiges Ventilverschlußteil 4. das locker um den Hauptventilkörper angeordnet ist und in einem Raum /.vischen einander gegenüberliegenden Ventilsitzen am Ventilgehäuse I und am Hauptventilkörper 2 eingeschlossen wird, wie dies später erläutert werden wird.

Das die Ventilkammer 2 bildende Ventilgehäuse 1 hat eine Fluideintrittsöffnung /'.Austrittsöffnungen Λ und B sowie eine Auslaßöffnung /:'. die jeweils in Verbindung mit der Ventilkammer 2 stehen. Diese Ventilkammer weist zylindrische Fndräutnc 5 und 6 auf, die in Fingriff mit den zylindrischen Feldbereichen des Hauptventilkörpers 3 stehen, um diesen bei der axialen Verschiebung in der Ventilkammer 2 zu führen. Im Inneren des Ventilgehäuses 1 befinden sich zwei im Winkel zueinander angeordnete, kegelstumpfförmige Ventilsitze 7 und 8, die am inneren Umfang eine Ringnut mit trapezförmigem Querschnitt bilden. Die Eintrittsöff nung Pist zwischen den kegelstumpfförmigen Ventilsitzen 7 und 8 mit der Ventilkammer 2 verbunden, während die Austrittsöffnungen A und San gegenüberliegenden Seiten der Ventilsitze 7 und 8 in Verbindung mit der Ventilkammer 2 stehen. Die Auslaßöffnung Zf führt in das äußere Ende des zylindrischen Endraumes 5. der am unteren Ende der Ventilkammer 2 gezeigt ist (F i g. 1 und 2). In doi Figuren ist das Ventilgehäuse 1 als ein einstückiger Block dargestellt. Es ist jedoch klar, daß ein entsprechendes Gehäuse auch durch Verbindung einer Anzahl von Bauelementen oder Teilen hergestellt werden kann.

Der in der Ventilkammer 2 verschiebbar angeordnete Hauptventilkörper 3 weist an gegenüberliegenden Enden zylindrische Gleitbereiche 10 und 11 auf, deren Durchmesser mittels Dichtungsringen 9 an die zylindrischen Endräume 5 und 6 des Ventilgehäuses 1 angepaßt ist. Diese Dichtungsringe 9 dienen zum Abdichten der Ventilkammer 2 und können gegebenenfalls auch durch andere Elemente ersetzt werden, beispielsweise durch Membranen. Der Hauptventilkörper 3 hat ein Paar im Winkel zueinander angeordneter, kegelstumpfförmiger Ventilsitze 12 und 13~ die am äußeren Umfang des Ventilkörpers 3 eine Ringnut mit trapezförmigem Querschnitt bilden und gegenüber den kegclsttimpflöt migen Ventilsitzen 7 und 8 am inneren Umfang de Veiililgehüuses I angeordnet sind bzw. diesen züge wandt sind. Der untere (ileitbereich des llauptventi körpers J ist hohl und bildet einen sich in axiale Richtung erstreckenden Verbindiingsdiirchlaß 14 mi einem zylindrischen äußeren Raum größeren Durch messeis und einem zylindrischen inneren Rmn geringeren Durchmessers. Der Durchlaß 14 ist mit eine radialen öffnung 16 verbunden, die in einem eine geringeren Durchmesser aufweisenden liereich 15 de Ilaupiventilkörpers 1 /wischen den kcgclstunipfform gen Ventilsitzen 12 und Π wirgesehen ist.

Der llauptvenlilkörper 3 kann durch /usiimmensei /cn von 2 getrennten Teilen hergestellt werden, die ι dem liereich 15 mit geringerem Durchmesser mileinaii der verbunden sind. d. h.. ein Teil enthält den Ventilsit 12 und den zylindrischen C'.leitbereich 11 und ein Te enthält den Ventilsitz 1 J und den hohlen zylindrische (ileitbereich 10. Die Verbindung der beiden Teile kan beispielsweise durch Verschraubcn, durch Einpresset durch Kleben o. ä. erfolgen, oder die beiden Teil können auch unter Aufrechterhaltung eines Freiheit* grades über eine schwenkbare Gelenkvcrbindun miteinander verbunden sein. Gegebenenfalls läßt sie der Haupt ventilkörper Jauch einstückig herstellen.

Das ringförmige Ventilverschlußteil 4 hat die Fon eines Ringes, der locker um den Bereich 15 m geringerem Durchmesser des Hauptventilkörpers angeordnet ist und in einem Schwimmerraum einge schlossen wird, der von den kegelstumpfförmiec Ventilsitzen 12 und 13 des 1 lauptventilkörpcrs 3 und de kegelstumpfförmigen Ventilsitzen 7 und 8 am innere Umfang des Ventilgehäuses 1 gebildet wird. Da ringförmige Ventilverschlußteil 4 hat vier parallel Dichtungskanten 4a. 4b. 4c und 4c/. die jeweils i dichtenden und festen Eingriff mit den kegclstumpfför migen Ventilsitzen 7, 8, 12 und 13 bringbar sind. In de dargestellten Ausführungsbeispielen hat das ringförmi gc Ventilverschlußteil einen rnchteckförmigen Quer schnitt. F:s kann jedoch auch im Querschnitt X H-förmig oder rund sein.

Das ringförmige Ventilverschlußteil 4 kann durc Formung eines elastischen Materials, etwa Nitrilkau tschuk. zu einer Ringform hergestellt werden, doch ist c: auch möglich, auf einen starren Ring eine äußer Schicht aus elastischem Material aufzubringen. Da Schwimmerventil 4 könnte auch aus einem Ring au starrem Material bestehen, wenn die Oberflächen dei Ventilsitze 7, 8,12 und 13 mit einem elastischen Materia beschichtet wären. Andererseits können sowohl ringförmige Ventilverschlußteil 4 als auch die erwähn ten Ventilsitze starr sein, wenn sie zur Sicherung einet dichtenden Berührung mit einem elastischen Materia beschichtet sind.

Das Umschaltventil gemäß der Erfindung enthäl außerdem eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Bewegung des Hauptventilkörpers aus der Stellung gemäß F i g. 1 in die Stellung gemäß F i g. 2. In den Zeichnunge ist diese Ventilbetätigungseinrichtung schematisch al Block 17 dargestellt, da alle möglichen Einrichtungen verwendet werden können, die auf den Hauptventilkör per 3 von außen eine Ventilbetätigungskraft ausüben Um den Hauptventilkörper 3 und das ringförmig Ventilverschlußteil 4 von einem Ende der Ventilkamme zum anderen Ende zu bewegen, können bekannt! Ventilbetätigungseinrichtungen verwendet werden, dii auf den Hauptventilkörper wirken, beispielsweise da

Aufbringen oder Entfernen eines Venlilbelütigungssignals, elwa eines Fluiddriickcs, einer eleklromagnetischen Krafl, einer mechanischen Kraft o.a. ['.ine entsprechende Betätigungseinrichtung kann /.tir Kiickbewegung des I lauptvenlilkör pers in die enlgcgengeset/.le Richtung, d. h. in den Zeichnungen nach oben, benutzt werden, so dal! dann die Feder 20 nicht erford: oich ist. In dem dargestellten Ausführiingsbcispiel nilii die Feder 20 an einem [{tide auf einem abgesetzten Bereich 18 /wischen dem inneren und äußeren Raum im I lauptvcniilkörpcr 1 iir.il mit dem anderen Ftulc auf der iiuUeren Endwand des zylindrischen Endraums 5 der Ventilkammer 2, so el η Β der I laiiptventilkorpcr 3 nach oben gedrückt wird.

Das gemäß der vorstehenden Beschreibung aufgebaute Umschaltventil arbeilet in der nachfolgend beschriebenen Weise

In F i g. I befindet sirli das Umschaltventil in einer Sieüiing. in der die VvKiilbe'.äiigungscinrichiiing J7 vor, ihrem Antrieb getrennt ist und in der der kegelstumpfförmige Ventilsitz. 13 des I laiiptvcntilkörpcrs 3 infolge der Krafl der Feder 20 an der Kante 4c/ des ringförmigen Vcntilverschlul.(teils4 anliegt, während die Kante 4b des ringförmigen Ventilverschlußtcils 4 am kcgelsliimpfförmigen Ventilsitz des Ventilgchäuscs 1 anliegt. In dieser Lage, die zur Vereinfachung der Beschreibung im folgenden als die erste Umschaltstcllung bezeichnet wird, bewirken die Kanten 4b und 4t/ des ringförmigen VentilvcrschluDtcils 4 eine dichtende Berührung mit den kcgelstumpfförmigen Ventilsitzen 8 und 13 la die Feder den Hauplvcntilkörpcr 3 axial nach oben drückt (Fig. I) und unter Druck stehendes Fluid, das durch die Eintrittsöffnung /'zugeführt wird, auf das ringförmige Ventilverschlußteil 4 wirkt. Andererseits befinden sich die Kanten 4a und 4c des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 in der ersten Umschaltstellung im Abstand von den kegclstiimpfförmigen Ventilsitzen 17, 7 und 12. so daß sie einen offenen Durchlaß bilden. Somit kann unter Druck stehendes Fluid durch die Fintriltsöffnung P in die Ventilkammer 2 gelangen und durch den offenen Durchlaß /wischen dem Ventilsitz 7 und dem ringförmigen Ventilverschlußteil 4 und dann um den Umfang des Hauptventilkörpers 3 zur Auslrittsöffnung A strömen. Demgegenüber wird das Fluid in der Austrittsöffnung B durch den offenen Durchlaß zwischen Ventilsitz 12 und ringförmigem Ventilverschlußteil 4 hindurch und dann durch die Öffnung 16 und den Verbindungsdurchlaß 14 geführt, so daß es zur Auslaßöffnung fgelangt.

Wird der Betätigungseinrichtung 17 ein Umschaltsignal zugeführt, so bewirkt diese eine Abwärtsbewegung des Hauptventilkörpers 3 aus der ersten Umschaltstellung gemäß Fig. 1. Sobald sich der Hauptventilkörper 3 verschiebt, wird die dichtende Berührung der Kanten 4b und Ad des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 mit den Ventilsitzen 8 und 13 aufgehoben, und das ringförmige Ventilverschlußteil 4 befindet sich innerhalb der Ventilkammer 2 in einem »schwimmenden« Zustand. Der Hauptventilkörper 3 ist druckabgleichend aufgebaut, wie dies später beschrieben werden wird, so daß er vollständig frei von Einflüssen des unter Druck stehenden Fluids bleibt und durch Aufbringen einer Betätigungskraft auf den Hauptventilkörper 3, die die Wirkung der Feder 20 überwindet, in die zweite Umschaltstellung (Fig.2) verschoben werden kann, insbesondere Hegen die Kanten 4c und 4a des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 in der zweiten Umschaltstellung dichtend an den Ventilsitzen 12 und 7 an. Mit anderen Worten, das ringförmige Vcntilverschlußteil 4 wird durch den llaiiplventilkörpcr 3 nach unten gegen den kcgelstumpfförmigen Ventilsitz 7 des Ventilgehäuses 1 gepreßt, und zwar durch die kombinierte Wirkung der von der Ventilbetätigungscinrichtung 17 auf den I lauptventilkörper 3 aufgebrachten und gegen die l'eder 20 wirkenden Bcla'ligungsknift und des auf das ringförmige Ventilversehliißicil 4 wirkenden Fluiddriickcs.

In dieser /weiten Umschaltslelliing wird das Fluid von der Einlaßöffnung /' durch den offenen Durchlaß zwischen Venlilsitz 8 und ringförmigem Ventilvcrschlußtcil 4 und dann um den Umfang des I lauptvcntilkörpcrs 3 in die Austrittsöffnung ß geführt. Andererseits gelangt das Fluid in der Austrittr.öffnung A durch den offenen Durchlaß zwischen Ventilsitz 13 und ringförmigem Venlilverschlußlcil 4 und dann durch die Öffnung 16 und den Verbindungsdurchlaß 14 zur Auslaßöffnung

Im folgenden werden nun die Abmessungsbczichungcn der jeweiligen Vcntilclcmcnte beschrieben, die die Umschaltwirkung des vorstehend beschriebenen Ventils charakterisieren.

Wird der öffnungswinkel des kegelstumpfförmigen Ventilsitzes 13 des Hauptventilkörpers 3 mit Ψ, der Öffnungswinkel des kcgelstumpfförmigen Ventilsitzes 8 des Ventilgehäuscs 1 mit'/' und der von den diagonalen durch die Kanten 4b und 4d des ringförmigen Ventilverschlußtcils 4 an radial gegenüberliegenden Stellen mit Θ bezeichnet, so muß die folgende Beziehung erfüllt sein

ISO - (-)

wobei

360

H — ■ arc lan

lh lh

und D-, den wirksamen Durchmesser oder wirksamen Sitzdurchmesser der Kante 4b des Schwimmerventils. Di den wirksamen Silzdurchmesser der Kante 4c/und ι die wirksame axiale Länge des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 zwischen den Kanten 4b und 4c/bezeichnet.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die Winkel der kegelstumpfförmigen Ventilsitz.c 7 und 12 die gleiche Zuordnung bezüglich den Kanten 4a und 4c des ringförmigen Ventilvcrschlußteils 4 haben.

Die vorstehenden Beziehungen sind erforderlich, um sicherzustellen, daß das zugeführte Fluid ausreichend stark auf die Dichtungsbereiche des ringförmigen Ventiiverschlußteils drückt, um dieses zwischen dem Ventilsitz am Hauptventilkörper 3 und dem Ventilsitz am Ventilgehäuse 1 festzuhalten. Die auf das ringförmige Ventilverschlußteil wirkende Dichtungskraft wird entsprechend der Vergrößerung der Differenz zwischen Φ und (180° -Θ) oder Ψ und (180° -Θ) erhöht, so daß sich eine sichere Dichtung des Ventils erreichen läßt, selbst wenn die Kraft der Feder 20 und die vor. der Ventilbetätigungseinrichtung 17 ausgeübte Kraft klein sind. Ferner läßt sich die auf die Dichtungen an den einander diagonal gegenüberliegenden Kanten des ringförmigen Ventiiverschlußteils wirkende Dichtungskraft durch unabhängige Änderup.g der Winkel Φ und Ψ einstellen, urn den Fluiddruck im gewünschten Verhältnis auf die beiden Dichtungsbereiche des Ventils zu verteilen und gleichzeitige Abdichtungen zu bewirken. Wird die Beziehung gemäß Formel (1) nicht erfüllt, so

wird es schwierig, die Belastung durch den Fluiddruck als Dichtungskraft /u verwenden, und der Dichtungsvorgang wird vollständig abhängig von einer äußeren Betätigungskraft.

Bezüglich der Bc/.ichungcn der Durchmesser der , verschiedenen Bereiche der Ventilanordnung gilt folgende Beziehung, wenn die inneren Dichtungskanten 4c und 4i/ dt .Schwimmerventils die effektiven Silzdurchmesser von /Λ und D\ und die oberen und unteren Glcitbereiche f)\ und /Λ der entsprechenden m Dichtungsringe 9 sind,

O₁

C*)

Mit dieser Be/.ichung hat der I laiipivciiiilkörpcr 3 einen ilruekabgeglichenen Aufbau und ist vollständig frei von vorbelastenden Finflüssen durch den Druck des zugefiihrten Fluids, der sonst in der ersten oder /weiten

1 lmsrh:illst(*iliinvJ litter während (Irr Vi-rm-hit'bnrur (.· ^

wirksam werden würde. Der Haiiptventilkörper i wirkt somit in der gleichen Weise wie ein abgeglichenes Umschaltventil mit verschiebbarem Ventilglied, this nur eine sehr kleine Uetätigungskraft benötigt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß das Ventil gemäß dem in den I i g. I und 2 gezeigten Alisführungsbeispiel die Forme! (I) UiHl(J) erfüllt, so dall der auf das ringförmige Ventilverschlußteil wirkende Fluiddruck den größten Teil der erforderlichen Dichtungskraft liefert, wodurch die Ventilbetiiiigungseinrichtung 17 und die Feder 20 nur einen kleinen Kraftanteil für die Ventilbetätigung beizutragen brauchen. Während der Zeitspanne vom Beginn ties Umsehaltvorganges bis zu dessen Fnde werden tier llauptventilkörper J und das ringförmige Ventilverschlußteil 4 in einem nicht vorgespannten Zustand gehalten, so daß bereits die Ausübung einer kleinen Kraft durch die Ventilbetätigungseinrichtiing 17 oder durch die Feder 20 ausreicht, um den I laiiptventilkörper 3 von der einen Umschaltstellung in die andere Umschaltstellung zu bewegen, da der im Ventil vorhandene Fluiddruck während des Umschaltvorganges nicht als Gegenkraft wirkt. Mit anderen Worten, das Ventil ist so aufgebaut, daß der Fluiddruck zur Sicherstellung einer großen Diehtungskrafi auf die Ventilsitzbereiche wirkt, ohne eine vorspannende Kraft auf den flaiiptventilkörper auszuüben, die dem Umschaltvorgang entgegen wirken würde. Dadurch kann die Umschaltung eines Fluidstroms mit großer .Strömungsrate mittels einer kleinen Belätigungskraft erreicht werden.

Außerdem wird bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau des Umschaltventils die während der Umschaltung auf das Ventil wirkende Stoßkraft auf einem minimalen Wert gehalten und in geeigneter Weise absorbiert. Bei einem üblichen Umschaltventil mit verschiebbarem Verschlußteil, bei dem das Verschlußteil über eine verhältnismäßig große Strecke verschoben wird, wirkt auf sein Ende eine große Stoßkraft, wodurch mechanische Schäden auftreten können. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß bei Ventilen mit sich von einem Ventilsitz abhebendem Verschlußteil die Bewegungsstrecke des Ventilgliedes verhältnismäßig klein ist, jedoch wird die Belastung auf den Ventilsitz konzentriert, so daß dieser beschädigt oder beschleunigt abgenutzt wird.

im Gegensatz dazu hat das erfindungsgemäße Umschaltventil, das in den F i g. I und 2 dargestellt ist, eine erhöhte Lebensdauer, denn zusätzlich dazu, daß es sich um ein Ventil mit sich von einem Ventilsitz abhebendem Vei »chliißtcil handelt, bei dem die Bewegung des Ventilglicdes nur über eine kurze Strecke erfolgt, hält es das ringförmige Ventilverschlußteil 4 zwischen den Ventilsitzen des Hauptventilkörpers 3 sowie an der Innenwand des Ventilgehäuses I. um die Bewegung des Ilaupiventilkörpers 3 zu stoppen, so daß der Umschaltsloß von den elastischen Kanten des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 und gleichzeitig durch die Elastizität des ringförmigen Vcnlilverschlußteils als ganzes absorbiert wird. Zur Erzielung dieser .Stoßabsorption besteht tlas ringförmige Ventilverschlußlcil 4 vorzugsweise aus einem elastischen Material, wie vorstehend bereits beschrieben.

In den Fig. J bis ^r> sind Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Grundform ties erfindiiiigsgemäßen Venlilaufbaiis dargestellt.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. i sind die üe/iehiH'g'.·!! der Abmessungen der verschiedenen Durchmesser tier wesentlichen Teile ties Umschaltvcntils geäntlert. Während in dem Ausführiingsbeispiel gemäß F i g. I und 2 die oberen und unteren Gleitbereiche IO und Il an den gegenüberliegenden Knden ties llaiiptventilkörpers gleichen Durchmesser haben, ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. i tier Durchmesser des unteren, zylindrischen Glcilberci dies 10,7 kleiner als tier des oberen Gleilbereiches II,/. so daß sich die folgende Beziehung ergibt:

O₁ O_x ο_Λ ■ o, i-n

Außer dieser geänderten Durchmesserbezieliung unterscheidet sich tlas Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 nicht vom Grundaufbau gemäß F i g. I und 2. und aus diesem Grund sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen und Bezeichnungen versehen.

In der ersten dargestellten Umschallstelliing wirkt der Fluiddruck auf die Differenzfläche des llaiiptventilkörpers, die sich aus dem Unterschied zwischen D₁ ( = D₄ = D₁) und D\ ergibt und drückt den Hauptventilkörper 3 nach oben, um die Feder 20 beim Fes'li-gen des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 an den Ventilsitzen zu unterstützen. Bei diesem Aufbau ist es möglich, die Belastung der Feder 20 /w verringern oder diese Feder gar vollständig wegzulassen. Währentl tier I laiiptventilkörper 3 von der ersten Umschaltstellung in die zweite Umschallstelliing verschoben wird, muß er gegen den auf seine Differenzfläche wirkenden Fluiddruck arbeiten. Sobald jedoch der Hauptventilkörper die zweite Umschaltstellung erreicht hat, in der Dt = D₁ ist. verschwindet der entgegenwirkende Fluiddruck, so daß die Betätigungskraft das ringförmige Ventilverschlußteil fest gegen die kegelstumpfförmigen Ventilsitze drücken kann. Ist in diesem Fall D₂ geringfügig größer als D₄, so entsteht eine Kraft, die den Hauptventilkörper 3 entsprechend der gebildeten Differenzfläche gegen die Betätigungskraft drückt, so daß der Hauptventilkörper 3 in die erste Umschaltstellung zurückkehrt, sobald die Betätigungskraft verschwindet.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 kehrt der Hauptventilkörper nahezu unabhängig von der Wirkung der Feder aus der zweiten Umschaltstellung in die Ausgangslage zurück, d. h., der Hauptventilkörper 3 gelangt bei Wegnahme der auf ihn von der Ventilbetätigungseinrichtung 17 ausgeübten Betätigungskraft in die erste Umschaitsteiiung zurück. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn ein Ausfall der Feder 20 infolge Brechens sonst zu ernsthaften Schwierigkeiten oder

Il

gefährlichen Situationen im Hclricb der Anlage führen würde. Das Ventil arbeilet somit als einseitige Sieh erheitskon.struk tion.

F^; i g. 4 zeigt ein anderes Ausl'ührungsbeispiel, bei dem die Abmessiingsbezichungen der llaiiptteile des Ventils geändert sind. In diesem (all besteht /wischen den Durchmessern D\ bis /λ die folgende Beziehung:

lh

Außerdem ist der Durchlaß 14,7 über die uesamle Länge des I lauptvenlilkörpers i geführt, und es sind an gegenüberliegenden Luden der Ventilkammer 2 Auslaßöffnungen /:'_; und /:'_. sowie zwei Ventilbetätigungseinrkiittmgeu 17;/ und 17/) vorgesehen. Bezüglich der übrigen Teile entspricht das Aiisfiihrungsbeispiel gemäß I¹Ig. 4 dem Ausliihrungsbeispiel gemäß I i g. I und 2. und cipher sind für gleiche I eile gleiche Ueziigszeichen

Hei dem Umschaltventil genial! l·'i g. 4 wirkt der I luiddruck aiii Jie DifferenzIlachen des I lauplventilkorpers 5. die sich aus dem Unterschied tier Durchmesser /Z| (I),) und /J₁ Z^-ZA₁) ei geben, wodurch das ringförmige Venlilverschlußleil in der ersten und der /weiten Umschaltstellung gegen die Wntilsitz.e gedrückt wird. Infolge l)\ = IJ; empfängt der I lauplventilkörper i während des llmscliallvorganges einen abgeglichenen Fluiddruck, so daß er durch Aulbringen einer extrem kleinen Betätigungskraft in die erste oder /weile Uivsehaltslellung bewegt werden kann, in der er dann dauernd durch den auf die I lache einsprechend /J| oder D.\ wirkenden [luiddruck gehalten wird, selbst wenn die lietätigungskrall einlernt isi. Somit arbeitet das Ausführungsbeispiel gemäß L ig. 4 als doppelt wirken ties, zwei stabile Stellungen einnehmendes Umschaltventil, denn der 1 lauptventilkörper 3 wird unier dem Linfliiß des Nuidclnickes auf die /Λ oder D.\ entsprechende fläche in der ersten oder zweiten Umschaltslellung gehalten.

Obwohl vorstehend zwei typische Ausführiingsbeispiclc von Abwandiiingen ties erfindungsgemäßen Ventils beschrieben wurtlen. die sich durch Änderung der Durehmesserbeziehungen tier verschiedenen Teile ergaben, ist es klar, daß verschiedene andere Abwandlungen möglich sintl, um tlas gewünschte Ventilverhalten zu erzielen.

Fig.¹) bis 7 zeigen Aufbauten des ringförmigen Ventilverschlußleils. das in dem vorstehend beschriebenen Umschaltventil verwendet werden kann.

Das verwendete Ventilverschlußleil 4 hat im wesentlichen Ringform und ueist vier parallele innere und äußere Diehtungskanten auf. die in Fingriff oder außer Eingriff mit den zugehörigen Ventilsitzen kommen, um eine Dichtung oder einen Fluiddurchlaß zu bilden. Zu diesem Zweck ist das ringförmige Ventilverschlußteil 4 locker zwischen den jeweiligen Ventilsitzen angeordnet. Das in den Fig. 6 und 7 gezeigte ringförmige Ventilvcrschlußtcil ist besonders zur Verhinderung von Verschiebungen des ringförmigen Ventilverschlußleils in radialer Richtung gegenüber dem Hauptventilkörper 3 geeignet. Derartige Verschiebungen können zu Störungen des Umschaltbetriebes führen.

Das in den F- i g. 5 und 6 dargesle'lte ringförmige Ventilverschlußteil 4' weist an seinem inneren Umfang eine einstückig mit dem übrigen Teil ausgebildete Führung in Form einer Anzahl von Vorsprüngen 21 auf, die in gleitender Berührung mit dem äußeren Umfang ties Haiipivenlilkörpers 3 stehen. Die Fiihrungsvor spriinge können gegebenenfalls auch am äußeren I Imfang ties ringförmigen Ventilverschlußteils vorgesehen werden, um in gleitende Berührung mit tier Innenwand ties Veiitilgehäuses 1 zu kommen. Andererseits kann zur Führung ties ringförmigen Ventilverschlußteils 4' ein Kingelement 22 mit einer Anzahl von nach innen gerichteten Vorsprüngen 23 verwendet WL'IUL'M, WUUCI tl.tS l\ I MgC ICI ti C i'l ί 22 Ml cii'lC l\tlfgMUt 25 IM tier Innenwand ties Veiitilgehäuses I eingesetzt ist (I ig. 7) und in Cileitberiihrting mit dem äußeren I Imfang ties ringförmigen Ventilverschlußteils 4' stein, (iegebenenfalls kann tlas ringförmige Ventilverschlußteil 4' auch von einer Membran gehalten werden, die Fluiddinchlässe aufweist.

Die Führungen fur tlas ringförmige Venlilverschlußteil in Form von Vorsprüngen, in Form eines Ringelements oder einer Membran sollten so aufgebaut sein, daß sie radiale Verschiebungen ties riiiglörmigen Venlikerschlußteils 4 gegenüber dein I lauptventilkörper 5 verhindern, ohne ilen lUndstrom durch tlas Ventilgehäuse I z.'i unterbrechen. Die Führungen können unterschiedlichste andere Formen haben, wenn sie nur these Bedingung erfüllen.

Aus tier vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß tlas erfindungsgemäße Umschaltventil beispielsweise durch vorhandene hydraulische oder pneumatische, mechanische oder elektromagnetische Betätigungseinnchtungen geschaltet wert!· n kann, /udeir. isl ein einfach und ein doppelt wirkender Betrieb möglich. Bei tier Umschaltimg ergibt sich nur eine sehr geringe Verschiebung, und da für these Verschiebung nur eine kleine Betätigungskraft erforderlich ist, karu ein Umschaltventil mit großer Kapazität durch ein sehr kleines Solenoid umgeschaltet werden. Bei Verwendung von hydraulischen, pneumatischen oder liilfsgesieiierten elektromagnetischen Betätigungsein richtungen reicht zur Erzeugung der Betätigungskraft der geringe Steuerdruck aus, und falls eine einen großen Durchmesser aufweisende Steuereinrichtung mit einer Membran o. ä. an einem Ende des llauptventilkörpers vorgesehen ist, läßt sich das Ventil mit geringen Drücken steuern.

Obwohl die Erfindung vorstehend an Hand eines vier Öffnungen aufweisenden Umschaltventils beschrieben wurde, ist es klar, daß auch ein Ventil mit drei Öffnungen in der erfindungsgemäßen Weise aufgebaut werden kann.

llier/u _i Watt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Umschaltventil mit einer Absperreinrichtung zur Umschaltung der Richtung eines Fluidstroms durch Verbindung einer ausgewählten Austrittsöffnung mit einer Eintrittsöffnung bei gleichzeitiger Herstellung eines Abflusses über eine zweite Eintrittsöffnung zu einer anderen Ausirittsöffnung, bestehend aus einem Ventilgehäuse mit einer im Inneren vorgesehenen, im wesentlichen zylindrischen Ventilkammer mit einem Paar von einander gegenüberliegenden Ventilsitzen und mit Führräumen an gegenüberliegenden Enden für einen in der Ventilkammer verschiebbaren Hauptventilkörper mit Endbereichen, die in dichtender Berührung mit den Wänden der Führräume des Ventilgehäuses stehen, sowie mit einem Paar von einander gegenüberliegenden Ventilsitzen zwischen den Endbereichen, v. ~:lche den Ventilsitzen des Ventilgehäuses zugewandt sind, aus einem locker um den Hauptventilkörper angeordneten, ringförmigen Ventilverschlußteil mit rechteckigem Ringquerschnitt, das in Berührung mit den Ventilsitzen von Ventilgehäuse und Hauptventilkörper bringbar ist, und aus einer Ventilbeiätigungseinrichtung zur Verschiebung des Hauptventiikörpers von einer ersten in eine zweite Umschaltstellung, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Ventilverschlußteil (4) in den Umschaltstellungen des Hauptventilkc^rpers (3) jeweils mit im Ringquerschnitt diagonal gegenüberliegenden Dichtungskanten (46, 4c/,· 4;i, 4c) auf den T.egelstumpfförmigen Ventilsitzen (7, 8; 12, 13) liegt, daß die jeweils den diagonal gegenüberliegenden Dv.itungskanten (4b, 4d; 4a, 4c) zugeordneten Ventilsitze (7, 8; 12, 13) einen spitzen Winkel gemäß der Dimensionierungszuordnung von ¹P" < Φ" einschließen, wobei Ψ der Öffnungswinkel der kegelstumpfförmigcn Ventilsitze (12, 13) des Hauptventilkörpers (3) und Φ der öffnungswinkel der kegelstumpfförmigcn Ventilsitze (7, 8) des Ventilgehäuses (1) ist, und daß eine Vorspanneinrichtung (20) zum Drücken des Hauptventiikörpers (3) von der zweiten in die erste Unischaltstellung vorgesehen ist.

2. Umschaltventil nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Ventilverschlußteil aus elastischem Material besteht.

3. Umschaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Ventilverschlußteil aus starrem Material besteht und mindestens im Bereich der Dichtungskanten mit einem elastischen Material beschichtet ist.

4. Umschaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß im Hauptventilkörpor ein axial verlaufender Austrittsdurchlaß vorgesehen ist, der über eine radiale öffnung zwischen den Ventilsitzen des Hauptventilkörpers mit der Ventilkammer verbunden ist.

5. Umschaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung der kcgelstumpfförmigen Ventilsitze von Ventilgehäuse und Hauptventilkörper sowie die Lage der Dichtungskantei) des ringförmigen Vcntilverschlußteils gegeben sind durch

¹P" < 180" - B" < Φ",
wobei '/' der Öffnungswinkel der kegelstumpfförmigen Ventilsitze des Hauptventilkörpers, Φ der Öffnungswinkel der kegelstumpfförmigen Ventilsitze des Ventilgehäuses und Θ der Schnittwinkel von zwei voneinander diagonal gegenüberliegenden Dichtungskanten des ringförmigen Ventilverschlußteils bestimmten Diagonalen an zwei radial gegenüberliegenden Stellen des ringförmigen Ventilverschlußt<-'ils ist, wenn