DE2506855A1

DE2506855A1 - Gesteuertes druckminderventil

Info

Publication number: DE2506855A1
Application number: DE19752506855
Authority: DE
Inventors: Charles L Bates
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-02-21
Filing date: 1975-02-18
Publication date: 1975-09-11
Also published as: AU7796575A; BR7501032A; DE2506855B2; DE2506855C3; JPS5525314B2; JPS50119330A; CA1032439A; US4060099A

Description

Tel (089) 22253o 29si92 18. Februar 1975

A 21 75 Ml/Ks

Herr Charles L. BATES, 1120 South 1000 East, Mapleton, Utah, U.S.A.

Gesteuertes Druckminderventil

Das Handhaben von strömenden Medien mit hohem Druck birgt verschiedene Schwierigkeiten in sich, sofern in Vorrichtungen, die durchströmt werden, ein erheblicher Druckabfall auftritt. Strömende Medien mit hohem Druck führen in Turbinen, Ventilen und dergleichen oft zu Kavitationserscheinungen, die sich in grübchen- und kraterartigen Anfressungen der Wände äußern. Auch führt ein plötzlicher Druckabfall in einem wesentlich über dem Atmosphärendruck liegenden Gasstrom zu ungewöhnlich starken Geräuschen, wenn das Gas Schallgeschwindigkeit erreicht oder übersteigt. Diese Schwierigkeiten können dadurch "behoben werden, dal3 der Druck allmählich abgebaut wird, indem das strömende Medium mehrere geringfügige Druckminderungen nacheinander erfährt, indem z.B. eine Anzahl von öffnungen mit

509837/0237

Telegrammadresse- Pater-isento.

abnehmendem Öffnungsdurchmesser in den Strömungsweg eingesetzt werden oder indem die Leitungsreibung erhöht wird, indem das strömende Medium durch Kanäle oder Durchtrittswege geleitet wird mit einem hohen Verhältnis von Wardflache zu Volumen.

Der Weg, enge Kanäle statt öffnungen zu verwenden, um eine Druckminderung zu erhalten oder um eine Strömung zu, steuern, ist in der Technik bereits begangen worden. Die Steuerung der Strömung eines geringen Volumens ist durch eine in der US-Patentschrift 1 964 300 beschriebene Vorrichtung gelöst, in der ein einziger, langer Kanal verwendet wird, die Gasströmung zu einem Sparbrenner zu steuern.

In der US-Patentschrift 2 021 079 wird ein langer, enger Kanal in einer Druckmindervorrichtung verwendet. Ein einziger, spiralförmiger Pfad wird so durch Eingraben in einer engen Nut in einander benachbarten Scheiben erzeugt, daß durch einen Stapel.von Scheiben hindurch ein durchgehend verbundener Kanal entsteht.

Das Prinzip, einen langen Kanal zu verwenden, wurde auch bereits bei axial betätigten Ventilen eingesetzt, in denen mehrere schneckenförmige Wege einem Hochdruckstrom entgegengesetzt werden.

508837/0237

In der US-Patentschrift 3 514 074 wird der Strömungsmittelstrom in eine Mehrzahl einzelner Ströme unterteilt, die durch entsprechende Durchtrittswege von großer Länge und geringem Durchmesser geleitet werden, während in der US-Patentschrift 3 513 864 das unter Hochdruck stehende Strömungsmedium einen schneckenförmigen Kanal durchströmt in einer scheibenförmigen Staugitteranordnung. Bei den in den vorstehenden Patentschriften genannten Vorrichtungen werden einander "benachbarte Scheiben mit Radialseparatoren verwendet, die sich entlang den Scheibenflächen erstrecken. Wenigstens einige der Scheiben sind perforiert; in anderen Fällen haben die Scheibe^ Rillen, die voneinander durch die Scheibenflächen selbst getrennt sind, welche zwischen den einzelnen Rillen abdichtend berühren, so daß die Rillen die Richtung der Strömung praktisch in einer zu den Platten parallelen Ebene ändern.

Ein einziger enger Durchtrittskanal kann jedoch nicht

wirksam dazu verwendet werden, in den Weg eines Hochdruckstroms

zu

mit hoher Strömungsmenge eingeschaltet/werden. Außerdem tendieren Vorrichtungen mit einzelnen diskreten Kanälen dazu, zu verstopfen, sobald das Strömungsmedium feste Bestandteile enthält. Die bekannten Vorrichtungen können zwar für den speziellen Zweck, für den sie entworfen sind, brauchbar sein; es begeht jedoch keine Vorrichtung, mit der ein Hochdruckstrom von großem Volumen gehandhabt werden kann und die auch noch leicht herzustellen ist.

509837/0237

. 2FC6855

Mit der Erfindung wird ein Ventil geschaffen, dessen Ventilgehäuse in seinem Innern für eine Vielzahl von Scheiben-Stapeln eingerichtet ist, die einen zylindrischen Mittelraum aufweisen, der durch die Mittelöffnungen der aufeinanderliegenden Scheiben gebildet wird. Aneinandergrenzende Scheiben haben einen geringen Abstand voneinander, so daß sie voneinander getrennte Ringkammern bilden, die den zylindrischen Innenraum umgeben. Einlaß und Auslaß zu den ringförmigen Kammern wird gebildet durch Randöffnungen zwischen den benachbarten Scheiben. Ein geradlinig bewegbarer Kolben im zylindrischen Mittelraum reguliert die Anzahl der Ringräume, durch die das Strömungsmedium hindurchtreten kann. Der Strömungsmittelstrom über die Rippenstege und durch die Rillen in den Scheibenflächen hat einen starken Verbrauch an Strömungsenergie zur Folge. Die Rippen und Rillen sind vorzugsweise konzentrische Kreise auf den Scheibenflächen, und sie wirken so zusammen, daß eine Rille auf der einen Fläche einer Rippe auf der gegenüberliegenden Fläche gegenübersteht. Die Rippen können auch spiralförmig sein und einer spiralförmigen Rille in der gegenüberliegenden Scheibenfläche gegenüberstehen.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nun in Verbindung mit Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch ein Ventil mit einzeln

aufeinandergestapelten Ringscheiben; Fig. 2 eine Draufsicht auf eine der Scheiben;

50983.7^0237

Fig. 3 einen Schnitt durch die Scheibe nach Fig. 2 in Durchmesserrichtung;

Fig. 4 eine Seitenansicht der Scheibe aus Fig. 2;

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Scheibe mit abgewandelter Gestaltung der Rippen und Rillen;

Fig. 6 zwei Scheiten übereinander im Schnitt, deren Rippen und Rillen vertikal voneinander getrennt sind;

Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform derartiger Scheiben mit Rillen in den Scheibenflächen, bei denen der Scheibenabstand mit zunehmendem Radialabstand von der Mittel-Öffnung anwächst;

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Scheibe mit schmalen Stützfüßen am Außenrand, durch die die Scheibe von der darunter befindlichen abgehoben wird;

Fig. 9 ein teils geschnittenes, teils aufgebrochenes Ventil mit Scheiben gemäß Fig. 8, deren Stützfüße beim Aufeinandersetzen gegeneinander verdreht sind.

Das in Fig. 1 gezeigte Ventil besteht aus einem Ventilkörper oder -gehäuse 10, in dem ein vertikal bewegbarer Kolben

11 angeordnet ist, der innerhalb einer zentralen Einlaßöffnung

12 verschoben werden kann, wodurch eine Anzahl seitlicher Einlaßöffnungen 13 mehr oder weniger verschlossen wird; die Einlaßöffnungen 13 führen zu Ringkammern 14, die zwischen den aufeinandergestapelten Scheiben 15» 16 gebildet sind. Ein Strömungsmedium unter hohem Druck strömt in die zylindrische

- 6 509837/0237

Einlaßkammer 12 und von dort in die seitlichen Einlaßöffnungen Λ3-) strömt dann in die offenen Ringkammern 14 zwischen den übereinander angeordneten Scheiben und von dort am Rande der Scheiben durch Austrittsöffnungen 17 wieder ab. Das aus den öffnungen 17 ausströmende Medium gelangt in eine Ringkammer 18, die die gestapelten Scheiben über den größten Umfangsbereich umgibt außer in einer Zone, die zu einer Austrittsöffnung 19 führt.

Das Ventil nach der Erfindung wird aus Scheiben zusammengesetzt, die nachfolgend im einzelnen beschrieben werden. Die Anzahl der Scheiben, der Zwischenraum zwischen ihnen, die Oberflächengröße der einzelnen Scheiben und die spezielle Oberflächengestaltung hängt von der Größe des Ventils .sowie Volumen und Druck des durchzusetzenden Druckmediums ab. Die Scheiben in einem einzelnen Ventil haben vorzugsweise alle dieselben Innen- und Außendurchmesser und im wesentlichen gleichen Aufbau. Die Scheiben sind praktisch sämtlich fluchtend übereinandergesetzt, was insbesondere zur Erzielung einer glatten Zylinderkammer 12 für den Kolben 11 und dessen dichten Abschluß erforderlich ist, so daß am Kolben entlang kein Leckstrom auftreten kann.

Die öffnungen 13 zwischen den benachbarten Scheiben sind in der Achsrichtung des Ventils ausgerichtet, und vorzugsweise ist die gesamte Öffnungsfläche in jeder Ebene jeweils

- 7 -509837/0237

gleich. Eine Öffnung 13 zwischen "benachbarten Scheiben kann ein durchgehender, enger Öffnungsspalt sein, der den gesamten Innenrand der Einlaßkammer zwischen benachbarten Scheiben umfaßt, zumal wenn die Scheiben durch Stützfüße am Außenrand gegeneinander abgestützt sind.

Eine bei der Erfindung mit Vorteil einzusetzende Scheibe ist in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellt. Die Scheibe paßt mit den benachbarten Scheiben mittels konzentrischer Rippen auf der einen Scheibenfläche und unmittelbar gegenüber-stehender konzentrischer Rillen auf der anderen Scheibenfläche ineinandergreifend zusammen. Die Flächen benachbarter Scheiben, d.h. die obere Fläche einer unteren Scheibe und die untere Fläche der nächst darüberbefindlichen Scheibe sind vorzugsweise zueinander parallel, so daß der Ringraum zwischen Einlaßöffnung und Auslaß am Umfang der Scheibe eine Höhe oder Dicke hat, die praktisch gleichförmig ist, wenn auch der Eingraum durch unregelmäßige, d.h. nicht ebene Flächengestaltung begrenzt wird.

Die in den Fig. 2 bis 4 gezeigte Scheibe hat einen Ringrand 20 an ihrem Außenrand, der etwas unter die untere Fläche der Scheibe hinunterragt. Selbstverständlich, kann die Scheibe auch umgedreht verwendet werden, so daß der Rand über die obere Fläche hinausragt.

- 8

509837/0237

Der äußere Ringrand wird durch Schlitze 21 unterbrochen, durch die das zwischen den Scheiben hindurchgeströmte Medium wieder austreten kann. Die Austrittsschlitze 21 können fast den gesamten Umfang der Scheibe einnehmen, so daß der Rand 20 auf Me ine Abschnitte, z.B. vier schmale Bereiche zum Abstützen der jeweiligen Platte zusammenschrumpft. Die Austrittsschlitze 21 befinden sich vorzugsweise auf demselben Radius wie die Eintrittsschlitze 15 am Scheibeninnenrand.

Der Ringrand 20 paßt in eine Ringabstufung oder Schulter 22, so daß die Scheiben sich seitlich nicht gegeneinander verschieben können, und sie halten zwischen den gegenüberstehenden Flächen benachbarter Scheiben den Abstand des Ringraums 14 ein. Eine Ringfläehe 23 liegt gegen die Fläche 24 einer angrenzenden Scheibe an, wie dies die Zeichnung zeigt, doch können die Scheiben auch so konstruiert sein, daß diese einander gegenüberstehenden Flächenabschnitte voneinander Abstand haben. Haben diese Flächenbereiche 23 und 24 miteinander Berührung, dann muß der Austrittsschlitz 21 so gestaltet sein, daß er sich über die Fläche 24 bis in die Schrägfläche 25 der äußersten Ringrille 26 hinein erstreckt, die dann unmittelbar der Ringrippe 27 der nächst angrenzenden Scheibe gegenübersteht. Die Anzahl der Ringrippen auf einer Fläche einer Scheibe ist vorzugsweise gleich der Anzahl der Ringrillen in der gegenüberliegenden Fläche.

509837/023?

25C6855

Ein Durchtrittsraum für das strömende Medium wird zwischen übereinanderliegenden Scheiben dadurch gebildet, daß die Wände 25 und 28 der Ringrillen 26 von den Wänden 29 und 30 der Ringrippen 27 der nächsten Scheibe einen Abstand haben. Bei dem dargestellten Beispiel ist die Wand 25 parallel zur Wand 29- Der Scheitelwinkel der Rille 26 ist gleich dem Scheitelwinkel der Rippe 27· Dieser Scheitelwinkel kann zwischen 150° und etwa 15° liegen, wird jedoch vorzugsweise zwischen 120° und JO⁰ und liegt in den meisten Fällen zwischen 90° und etwa 4-5°. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Rippen und Rillen einen Scheitelwinkel von 60°.

Der Abstand d^ von der Ringfläche 24- zum Scheitel der Rille 26 ist etwas größer als der Abstand d~ von der oberen Rirgf lache 23 zum Scheitel der Ringrippe 27. Dadurch wird erzielt, daß ein Durchtrittsspalt für das strömende Medium zwischen aufeinanderliegenden Scheiben vorhanden ist, wenn die Fläche 23 der einen Scheibe mit der Fläche 24 der anderen in Berührung ist. Der Abstand zwischen benachbarten Scheiben hängt von der Anzahl der Scheiben ab, die für ein bestimmtes Ventil benötigt werden, sowie vom Gesamtdurchmesser der Scheiben, der Breite der festen Scheibenabschnitte zwischen den Ringöffnungen am Innenrand und am Außenrand der Scheibe und der Anzahl und dem Scheitelwinkel der Rippen und der Rillen.

- 10 -

509837/0237

Bei einer typischen Scheibe mit einem Außendurchmesser von etwa 75 mm und einer mittleren Bohrung von etwa 37-, 5 mm genügt ein senkrechter Abstand zwischen den benachbarten Scheiben von 1,5 mm bis 3 mm, um den gewünschten Strömungswiderstand hervorzurufen. Die Gesamtdicke d·, einer Scheibe kann

beträchtlich schwanken, was von der Tiefe der Rillen und der Höhe der Rippen beeinflußt wird. Die Tiefe d, eines Ventils mit Scheiben der oben aufgeführten Abmessungen umfaßt jedoch typisch den Bereich zwischen 6 und 25 mm, vorzugsweise zwischen 9 und 18 mm.

Fig. 2 zeigt eine Unteransicht der in Fig. 3 im Schnitt gezeichneten Scheibe, wobei dargestellt ist, wie der Außenrand 20 urfl die Schlitze 21 und 13 angeordnet sind. Zwischen den Schlitzen 13 bleiben Stützfüße 31 stehen. Fig. 2 zeigt auch, daß die Breite der Schlitze 21 gleich der der Schlitze 13 ist, wenngleich die einen Schlitze auch breiter sein können als die anderen oder die Stützfüße 31 gänzlich entfallen können, so daß der Schlitz 31 als umlaufende Ringöffnung anzusprechen ist. Die Schlitze 21 können den größten Teil des Scheibenumfangs einnehmen, so daß nur noch schmale Zonen des Ringrandes 20 stehenbleiben, die eine seitliche Verschiebung der Scheiben gegeneinander verhindern. Da der Rand 20 die entsprechende Fläche der benachbarten Scheibe überlappt, werden dadurch die Scheiben vertikal im Abstand gehalten, und es wird auch eine

- 11 -

509837/0237

gegenseitige seitliche Verschiebung der Scheiben unterbunden. Aus Konstruktionsgründen sind deshalb keine Stützfüße 31 zwischen den Eintrittsöffnungen 13 erforderlich. Die öffnung in die Ringkammern zwischen den Scheiben kann damit ein umlaufender Ringspalt sein.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 weist abgewandelte konzentrische Rippen und Rillen auf in den einander zugewandten Flächen der übereinander gestapelten Scheiben. Die Schnittdarstellung der Fig. 5 zeigt den rechteckigen Querschnitt der Rippen und Rillen, d.h. die Rippe 32 hat parallele Seitenwände 32a und 52b, die auf eine im wesentlichen ebene Fläche 33 im rechten Winkel treffen. In die Rille 35 greift die Rippe 32 ein, wobei erstere eine etwas breitere ebene Fläche parallel zur Rippenoberfläche 32c aufweist. Eine Scheibe mit einer Rippen-Rillenanordnung gemäß Fig. 5 hat je Rippe eine Umkehrstelle mehr als die Anordnung nach Fig. 3· Der Abstand zwischen den einander gegenüberstehenden Flächen der benachbarten Scheiben ist bei der Ausführungsform nach Fig. 5 im wesentlichen konstant.

Eine ringförmige Expansionskammer 34- ist am Randaustritt der Druckabfallzone vorgesehen. Der Eintritt 37 in die Druckabfallzone ist trichterförmig im Querschnitt. Die Fläche 38 ist mit einen Winkel zwischen 5° und 15° gegen die Senkrechte geneigt, wodurch die Regulierung der Strömungsmenge bei Verschieben des Kolbens gegenüber der Fläche 38 verbessert wird. Die

- 12 609837/023?

Fläche 39 hat eine Winkelneigung zwischen 4-5° und 60° gegen die Senkrechte.

Als Ausgangszone für das strömende Medium "befindet sich der äußere Raum 36 am Rande des Druckabfallbereichs. Das Strömungsmedium strömt in den Ringraum 34- und expandiert darin. Dieser Innenraum 34- dient als Zwischenexpansionszone, aus dem das Gas dann durch Austrittsöffnungen in den umgehenden Leitungsbereich eintritt, wo es weiter expandieren kann.

Fig. 6 zeigt im Schnitt die Expansionszone zwischen einem Scheibenpaar mit konzentrischen Rippen, die den ebenfalls konzentrischen Rillen in der angrenzenden Scheibe genau gegenüberstehen. Die Spitzen der Rippen bzw. der zwischen den Rillen der anderen Scheibe verbleibenden Rippen haben voneinander einen vertikalen Abstand d^, der wesentlich geringer ist als der eingezeichnete Abstand d£ zwischen Scheitel der Rippe und Scheitel des Rillengrundes; vorzugsweise ist d^ nicht größer als ein Viertel von dp· Wenn d^ zu groß gewählt wird, wird das strömende Medium nicht gezwungen, in die Rillen zwischen den Rippen einzudringen. Es ist selbstverständlich möglich, d^ auch 0 zu machen oder, wie es in der Fig. 1 zu sehen ist, die Rippen der einen Scheibe in die Rillen der gegenüberliegenden eindringen zu lassen, so daß die Rippen einander gewissermaßen überlappen.

- 13 €09837/0237

Das Ventil nach der Erfindung kann sowohl für die Steuerung und die Druckminderung von Hochdruckströmungsmittelströmen eines flüssigen Mediums oder eines gasförmigen Mediums verwendet werden, wobei ja. "bekannt ist, daß das Volumen eines gasförmigen Mediums mit Druckabnahme zunimmt. Wird daher bei abnehmendem Druck ein Gasstrom durch einen gleichbleibenden Querschnitt hindureingeleitet, so muß die Strömungsgeschwindigkeit ansteigen. Um akustische Belästigungen der sehr schnellen Gase zu vermeiden, kann das erfindungsgemäße Ventil so dimensioniert werden, daß die Gasgeschwindigkeiten 0,4- Mach an keiner Stelle im Ventil überschreitet.

Um eine praktisch konstante Gasgeschwindigkeit im gesamten Spalt zwischen den Ventilscheiben zu erhalten, muß das Volumen entsprechend der Druckabnahme ansteigen. Ventile, die speziell für Gase konstruiert sind, haben deshalb im Austrittsbereich änen größeren Spaltabstand als am Einlaß des Spaltes an der zylindrischen Mittelkammer. Die Scheiben können Rippen und Rillen von gleichmäßiger Höhe bzw. Tiefe haben, wobei der Abstand zwis chen den einander gegenüberstehenden Flächen mit der Entfernung von den Eintrittsöfbungen in den Spalt zunimmt. Bei einer derartigen Konstruktion nimmt das Volumen des Strömungsweges durch die Spalte zu, ohne daß die Rippenausmaße zunehmen müssen. Damit wird auch erreicht, daß immer weniger Gas seine Richtung ändern muß, wenn es sich dem Außenrand der Scheiben nähert. Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform jedoch wird die Größe der Rippen bzw.

50983^/0237

- 14 -

Rillen mit zunehmendem Abstand von der Eintrittsöffnung in den Spalt erhöht. Ein derartiges Beispiel ist in der Fig. 7 dargestellt.

In i"ig. 7 ist der Spalt einer speziell für Hochdruckgase geeigneten Anordnung wiedergegeben. Der Gasstrom geht durch den Spalt zwischen den Scheibenflächen vom zylindrischen Innenraum 12 zum Außenrand der Scheiben. Die Rillen in den Scheibenflächen nehmen von innen nach außen an Tiefe zu. Die erste Rippe 40, gegen die der Gasstrom zunächst anläuft, hat eine geringere Höhe und damit auch Anlauffläche als die Rippe 41 nahe dem Austritt am Außenrand. Die Tiefe d,- der gegenüberstehenden äußeren Rille 44 ist wesentlich größer als die Tiefe dj- der innersten Rille 45. Die zwischen den beiden Außenrippen 40 und 41 liegenden inneren Rippen 42 und 43 haben eine entsprechend angepaßte, von innen nach außen zunehmende Rippenhöhe.

Da die Höhe der Rippen und die Tiefe der Rillen von innen nach außen zunimmt, nimmt auch das Volumen des Spaltes mit zunehmendem Radialabstand von der Mitte zu. Der Raum zwischen der Rippe 41 und der ihr gegenüberstehenden Rille 44 ist wesentlich größer als der Raum zwischen der Rippe 40 und der gegenüberliegenden Rille 44. Bei einem Ventil, das zur Steuerung eines Gasstroms bei einer Druckabnahme auf etwa ein

- 15 509837/0237

Drittel verwendet wird, sollte der Raum zwischen der äußersten Rippe und der gegenüberliegenden Rille ungefähr das Dreifache des Raumes zwischen der innersten Rippe und der dieser gegenüberstehenden Rille sein.

Bei der Handhabung von Strömungsmedien in einem Ventil gemäß der Erfindung soll über einen Druckabfall von 50 % an einer einzigen Rippe nicht hinausgegangen werden, was im allgemeinen eine dreifache Richtungsänderung des strömenden Mediums verlangt. Um also den Druck von 100 bar auf unter 10 barabzusenken, ist eine Anordnung erforderlich, bei der an der ersten Rippe ein Druckabfall auf 50 bar erzielt werden kann, an der zweiten Rippe dann ein Druckabfall auf 25 bar, an der dritten Rippe ein Druckabfall auf 12,5 "bar und schließlich an der vierten Rippe ein Druckabfall auf 6,25 bar.

Mit der Erfindung wird ein Ventil geschaffen, durch das der Öffnungseffekt verbessert wird und infolge von Richtungsänderungen und Reibungen an den Oberfläb hen der Druck im stromenden Medium vermindert wird. Die Austrittsöffnungen eines Scheibenpaars können auch unmittelbar der öffnung eines weiteren Scheibenpaars gegenüberstehen, so daß die Medienströme dann aufeinanderstoßen, was wiederum zu einem Energieverlust führt. Das strömende Medium wird bei der Erfindung gezrwungen, quer über Rippen und durch Rillen zu strömen, so daß es durch

- 16 509837/0237

wiederholte Richtungswechsel seine Energie zum Teil einbüßt. Außerdem ist der Strömungsweg durch die Spalte zwischen einander gegenüberstehenden Scheiben ausreichend lang, so daß ein Energieverlust auch bereits aufgrund von Reibung auftritt.

Die Scheiben für die Ventile gemäß der Erfindung werden vorzugsweise so konstruiert, daß zwischen ihnen wenigstens eine vierfache Richtungsänderung auftritt. Außerdem wird angestrebt, den Raum zwischen den Scheiben so zu gestalten, daß die Geschwindigkeit des strömenden Mediums nicht zu hoch wird, vorzugsweise niedriger als 0,4- Mach für Gase und wenigers als 30 m/sec für Flüssigkeiten. Das erfindungsgemäße Ventil erlaubt es, die Strömung von unter hohem Druck stehenden Strömungsmedien zu regulieren, ohne daß das Medium eine hohe Geschwindigkeit annehmen muß. Das Medium wird an einem Ende in eine zylindrisch geformte Kammer eingelassen, die durch die Mittelbohrungen der übereinander gestapeLten Scheiben gebildet wird. Das für das unter hohem Druck stehende Medium zur Verfügung stehende Volumen des Innenhohlraums wird durch einen Kolben reguliert, der entlang der Mittelachse der Zylinderkammer verschiebbar ist. Aus der Kammer strömt das Hochdruckmedium radial in die angrenzenden Ringspälte, die die Zylinderkammer umgeben. Die Anzahl der Ringspalte ist um 1 kleiner als die Zahl der verwendeten Scheiben, da jeweils ein Paar von Scheiben benötigt wird, um dnen einzigen Ringspalt zu bilden. Die Scheiben haben mit Ausnahme der untersten und der obersten Rippen und Rillen auf beiden Flächen.

- 17 509837/0237

Die Strömungsrichtung des Mediums in den gewählten Ringspalten ist im wesentlichen senkrecht zu den Rippen und Rillen. Mit anderen Worten, der Stromungsverlauf ist radial, ausgehend von der sylindrischen Mittelkammer, und das Medium strömt auch praktisch radial in den umgehenden Raum aus, der vom Ventilkörper gebildet wird, welcher die übereinander gestapelten Scheiben mit Ausnahme an der Stelle der Austrittsöffnung aus dem Ventilkörper umschließt.

Die Richtung des Medienstroms innerhalb der gewählten Spalte wird in ausreichender Zahl geändert, üblicherweise wenigstens viermal, um einen hinreichend großen Druckabfall in einem Hochdruckmedium zu erzielen. In einem vertikal stehenden Ventil, d.h. in einem solchen mit vertikal angeordneten Kolben, verläuft die Richtungsänderung im wesentlichen in einer vertikalen Ebene; das strömende Medium tritt radial aus der mittleren Zylinderkammer in den Spalt ein und erhält lediglich Ablenkung in vertikaler Richtung zum radialen Verlauf, nicht jedoch in einer Querrichtung innerhalb der Spaltebene.

Die Gase, die eina?Druckminderung ausgesetzt werden, expandieren dabei. Die in der Fig. 7 gezeigte Scheibe soll dieser Eigenschaft der Gase besonders entgegenkommen. Es ist ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemaßen Ventils, daß der gewählte Ringspalt, der durch die einander gegenüberstehenden

- 18 509837/0237

Flächen eines Scheibenpaars gebildet wird, für Gase oder sonstige strömende Medien, die durch den Ringspalt von innen nach außen strömen, ein zunehmend sich vergrößerndes Volumen haften. Da jeder von innen nach außen folgende Ringraum auch einen größeren Umfang hat, ist die Umfangsflache zwischen den Scheiben am Ausiritt wesentlich größer als die Umfangsfläche am Eintritt in die Ringspalte. Dies ist ein Merkmal, das "bei Vorrichtungen, die vom strömenden Medium in einem langen Tunnel oder dergleichen durchströmt werden, nicht auftreten kann.

Ein weiteres wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Ventils ist der wahrhaft unkomplizierte Aufbau jeder einzelnen Ringscheibe. Ventile für die Strömungskontrolle von Hochdruckmedien erfordern ganz allgemein eine sehr genau? Überwachung. Die Flächen der einzelnen Bestandteile werden üblicherweise in Maschinenfertigung hergestellt. Die Maschinenfertigung von konzentrischen Rillen, wie sie bei der Erfindung in den Scheiben angebracht werden, kann leicht auf einer Drehbank ausgeführt werden. Die erforderlichen Toleranzen an den Scheiben können deshalb mit großer Genauigkeit eingehalten werden. In einem Scheibenstapel, aus dem das Ventil nach der Erfindung zusammengefügt ist, kann das Volumen der gewählten Ringspalte sehr genau gleichgehalten werden, womit ein exakt vorhersehbarer Betrieb gefahren werden kann.

509S37/0237

Der konstruktive Aufbau des erfindungsgemäßen Ventils ist auch insofern vorteilhaft, als sich weniger leicht Fremdkörper in einem gewählten, ringförmigen Spalt ansetzen können als in einem langen engen Tunnelrohr. Außerdem kann das Ventil schnell zusammengehaut werden, da weder horizontale noch radiale Ausrichtung der Scheiben gegeneinander erforderlich ist. Die Scheiben müssen lediglich vertikal fluchtend übereinandergesetzt werden, wobei jedoch die übergreifenden Ränder automatisch für diese Anordnung sorgen. Wenn die Scheiben in Umfangsrichtung gegeneinander verdreht sind, so hat dies auf die Arbeitsweise des Ventils keinen Einfluß.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die aus den beschriebenen Scheiben aufgebauten Ventile einfach verlegt und gereinigt werden können, da keine Schweissungen nötig sind, um sie in einer bestimmten Orientierung zueinander festzulegen. Auch brauchen keine Bolzen durch die Scheiben hindurchgesteckt zu werden, um sie gegeneinander zu arretieren, lediglich der vertikale Druck hält die zueinander fluchtenden Scheiben fest. Zusätzliche Abstandshalter zwischen den Scheiben werden ebenfalls nicht benötigt.

Ein weiteres und sehr wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Scheiben schmale Stützfüße haben

- 20 -

509837/0237

können, die voneinander am Umfang einen großen Abstand haben, so daß die Scheiben in Umfangsrichtung zueinander verdreht angeordnet v/erden können, d.h. die Füße an der einen Scheibe werden gerade in der Lücke zwischen den Füßen der vorhergehenden Scheibe angeordnet, was eine gewisse federnde Konstruktion ergibt, so daß Dehnungen infolge unterschiedlicher Erwärmung des Ventilkörpers innerhalb des Scheibenstapels ausgeglichen werden können. Dieses Merkmal des Ventils gemäß der Erfindung ist sehr wichtig, da die Ventile für die Druckminderung im Medienstrom von einem hohen auf einen niedrigen Druck sowohl Reibung als auch Richtungsänderung im Medienstrom verwenden. Es entstehen deshalb infolge der äußeren als auch der inneren Reibung des Medienstroms erhebliche Temperaturerhöhungen. Hinzu kommt, daß das durchströmende Medium häufig selbst bereits eine erhöhte Temperatur hat. Oft sind die Scheiben selbst auch aus einem anderen Werkstoff hergestellt als der Ventilkörper, so daß unterschiedliche Wärmedehnungen infolge der verschiedenen Dehnungskoeffizienten bei den Scheiben und bei dem metallischen Ventilkörper auftreten. Wenn der Wärmed ehnungskoeffizient der Scheiben viel größer ist als der des Ventilkörpers, könnte ein starkes Ansteigen der Temperatur andernfalls zum Bruch des Ventilkörpers führen.

Wie bereits beschrieben, halten die Scheiben ihren Abstand voneinander durch Stützen oder Füße, die nur einen kleinen Umfangsbereich der Scheiben einnehmen und daß der Innenumfang

- 21 509837/0237

der Scheiben gänzlich offen ist, da dort keine Stützfüße nötig sind, um den Abstand der übereinander gestapelten Scheiben zu gewährleisten. Die Füße sind vorzugsweise integraler Bestandteil der Scheiben selbst. Wie bereits gesagt,können am Außenumfang der Scheibe vier schmale Füße vorgesehen werden. Damit ist es möglich, die Scheiben so übereinanderzustapeln, daß die Füße der einen Scheibe gerade in den Zwischenraum der Füße der vorhergehenden Scheibe fallen, so daß sie auf einer elastisch nachgiebigen Stelle der Scheibe ruhen, die sich unter erhöhtem Druck durchbiegen kann. Anhand eines Beispiels in den Fig. 8 und 9 soll hierauf nochmals besonders Bezug genommen werden.

Die in der Fig. 8 im Querschnitt gezeigte Scheibe ist den Scheiben nach Fig. 1 bis 4 nahezu gleich mit der Ausnahme, daß sie nur schmale Füße hat, die in gleicher Weise konstruiert sind wie der Eingrand bei der früher beschriebenen Scheibe, wobei insbesondere diese Füße die darunterliegende Scheibe übergreifen und auf einer Schulter 47 aufstehen, so daß eine seitliche Verschiebung infolge des angrenzenden Randes 48 der Schulter ausgeschlossen ist. Die Füße 46 halten also den vert ikalen Abstand der benachbarten Scheiben ein und verrasten auch noch die Scheiben gegeneinander, um ein genaues Fluchten zu erzielen und um jede Verschiebung bei auftretenden Querkräften zu verhindern.

- 22 -

509837/0237

Die Verwendung von Scheiben mit schmalen und wenigen Füßen am Innenumfang, vorzugsweise jedoch am Außenumfang oder auch entlang Innen- und Außenumfang ermöglicht es, eine Federwirkung im Scheibenstapel zu erzielen, indem die Füße jeweils auf Lücke zur darunter befindlichen Scheibe gesetzt werden.

Es kann wünschenswert sein, die Schlitzöffnungen 4-9, durch die das Medium aus dem Spalt zwischen den Scheiben austritt, so auszuschneiden, daß ein schwacher Tragbalken der Dicke t gebildet wird. Die Dicke t wird dann so gewählt, daß die Scheibe zwischen einander benachbarten Füßen, die den Stützbalken bildet, sich unter dem Druck dnes daraufgesetzten Fußes hinreichend durchbiegt, so daß übermäßige Beanspruchungen in einem Scheibenstapel, die durch Kräfte infolge unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffizienten von Stapel und Ventilkörper auftreten, in Grenzen gehalten werden.

Obgleich genaue Dimensionierungen der Breite der Füße 46 und des Abstands zwischen den Füßen nur für Scheiben bestimmten Durchmessers gegeben werden können, ist bei der Herstellung der Scheiben für ein Ventil, in dem Unterschiede der Wärmedehnungskoeffizienten ausgeglichen werden sollen, darauf zu achten, daß die Breite der Füße und die Breite der Schlitze zwischen den Füßen wenigstens in einem Verhältnis von 1 : 2 liegen, so daß wenigstens etwa 65 % offene Fläche am Umfang der

- 23 509837/0237

Scheibe vorhanden ist- Vorzugsweise wird eine Fußbreite zu Schlitzbreite von 1 : 3 gewählt, -wobei zwis eben 3 und 6 Füße gleichmäßig am äußeren Umfang der Scheibe verteilt werden. Vier gleichmäßig verteilte 5¹UEe, die ungefähr 20 % des Umfangs einnehmen, ergeben einen sehr günstigen Aufbau» Auch die Dicke t kann in genauen Zahlen nur für eine in ihren Abmessungen festliegende Scheibe angegeben werden, Allgemein kann jedoch gesagt werden, daß bei einer Fußbreite von mehr als 25 % des Umfangs der Scheibe die Dicke t vorzugsweise geringer ist air. 25 % der Balkenbreite.

In Fig. 9 ist ein Scheibenstapel gezeigt, bei dem die Füße 46 so gegeneinander versetzt angeordnet ist, daß sie auf den Balkenelementen 50 ruhen, die durch die Seheibeüabschnitte zwischen den Füßen gebildet sind. Die Scheiben in Fig. 9 haben vier gleichmäßig am Umfang verteilte Füße mit etwa 20 % Breite gegenüber dem Abschnitt zwischen den Füßen; mit anderen Worten die vier Füße nehmen zusammen etwa 20 % des Scheibenumfangs ein.

509837/0237

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 j Ventil mit einem vertikal betätigten Kolben und einer mit dem Kolben zusammenwirkenden Ventilwand, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilwand aus einem Stapel von Ringscheiben (16) gebildet ist, deren Mittelbohrungen zueinander fluchten und so die zylindrische Ventilkammer(12) für den Kolben (11) bilden, wobei jede Ringscheibe(i6) auf wenigstens einer Oberfläche mehrere kreisringförmige Rippen (29) aufweist und auf wenigstens einer Scheibenfläche Vorsprünge (20) vorgesehen sind, um benachbarte Ringscheiben (16) voneinander in Abstand zu halten, und am Innenumfang jeder Ringscheibe eine Öffnung (13) vorhanden ist, die mit dem Spalt (17) zwischen den Scheiben in Verbindung steht.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer der einander gegenüberstehenden Flächen zweier Ringscheiben (16) konzentrische Rippen (29) und auf der gegenüberliegenden Fläche der angrenzenden Ringscheibe entsprechende konzentrische Rillen (28) vorgesehen sind.

3· Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Fläche einer Ringscheibe spiralig verlaufende Rippen und

- 25 509837/0237

auf der gegenüberliegenden Fläche der benachbarten Ringscheibe entsprechende Spiralrillen vorgesehen sind.

4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 3'ede Scheibe V-förmige, konzentrische Rillen und entgegengesetzt V-förmige konzentrische Rippen in den Zwischenräumen zwischen den Rillen aufweist.

5· Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar einander benachbarter Ringscheiben (16) zwischen den einander zugewandten Flächen einen ringförmigen, kontinuierlichen Raum mit ungleichmäßigem radialem Querschnitt hat.

6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar einander benachbarter Scheiben zwischen den sich gegenüberstehenden Flächen einen ringförmigen, kontinuierlichen Spaltraum von dünnem radialem Querschnitt bildet mit wellenförmigen, einander entgegengerichteten vorstehenden Flächen.

7. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen Ringrippen einen einzigen, scharf ausgeprägten Scheitelrand haben.

8. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen Ringrippen ebene Oberflächen haben.

- 26 509837/0237

9- Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Vorsprüngen sich auf einer Scheibenfläche erheben nahe dem äußeren Scheibenperipherierand.

10. Ventil aus übereinander gestapelten Scheiben mit einer Überströmflache für erhöhten Strömungswiderstand, gekennzeichnet durch eine Scheibe mit Mitterbohrung und konzentrische Ringrippen auf wenigstens einer Oberfläche.

11. Ringscheibe, die mit gleichen Ringscheiben in einem Ventilkörper zu einem Stapel zusammensetzbar ist, so daß eine freie Oberfläche entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Scheibe eine Mittelbohrung und wenigstens eine weitere Fläche aufweist, auf der sich konzentrische Ringrippen befinden.

12. Verfahren zum Steuern eines Medienstroms mit hohem Druck, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochdruckmedium in das eine Ende eines zylindrisch geformten Hohlraums eingeleitet wird, das Hohlraumvolumen reguliert wird, das Hochdruckmedium radial aus dem zylindrischen Hohlraum in Ringräume eingelassen wird, die den zylindrischen Hohlraum umgeben, daß die Richtung des Medienstroms durch die Hohlräume in ausreichender Zahl geändert wird, um im Hochdruckströmungsmedium einen erbäblichen Druckabfall zu erzeugen, wobei eine radial verlaufende Strömungsverteilung des Mediums in den Hohlräumen erzielt wird und daß das strömende Medium aus den Hohlräumen praktisch radial ausströmt.

509837/0237

_ 2*7 —

1J. Ringscheibe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußerer Ringrand (20) den Außenumfang der Scheibe umläuft und ubergriffselemente zum Überlappen einer angrenzenden Scheibe bildet.

14. Ringscheibe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Außenrand (20) Öffnungen (13) vorhanden sind.

15· Ringscheibe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenrand wenigstens 65 % des Scheibenumfangs einnimmt.

16. Ringscheibe nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch vier voneinander im Abstand befindliche Füße (46) in Verteilung um den Außenrand, die Übergriffselemente über eine angrenzende, diese im Abstand haltende Scheibe darstellen.

17· Ringscheibe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen Ringrippen V-förmigen Querschnitt haben.

18. Ringscheibe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe auf jeder Scheibenfläche mehrere konzentrische Rippen trägt und daß die Rillen zwischen benachbarten Rippen den konzentrischen Rippen der gegenüberstehenden Scheibenfläche unmittelbar gegenüberliegen.

- 28 -

509837/0237

19 · Ringscheibe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen Ringrippen V-förmigen Querschnitt haben.

20. Ventil mit vertikal betätigbarem Kolben und einer mit dem Kolben zusammenwirkenden Ventilwand, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilwand aus einem Stapel von Ringscheiben gebildet wird, die eine kreisförmige Mittelöffnung aufweisen, welche zueinander fluchtend und eine zylindrische Kammer für den Kolben bildend, zusammengesetzt sind, wobei Jede Scheibe wenigstens eine freiliegende Oberfläche zur Schaffung einer Druckreduzierstelle hat und jede Scheibe mit/iienigstens drei Vorsprüngen mit Abstand zueinander an wenigstens einer Umfangsfläche versehen ist, um die Scheibe von benachbarten Scheiben dadurch im Abstand zu halten, daß die Vorsprünge auf dem Umfangsrand der benachbarten Scheibe stehen, und daß ene öffnung an der Innenfläche jeder Scheibe eine Verbindung mit dem Spalt zwischen benachbarten Scheiben bildet.

509837/0237