DE2816393A1

DE2816393A1 - Ventil

Info

Publication number: DE2816393A1
Application number: DE19782816393
Authority: DE
Inventors: Francis Xavier Kay
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-04-18
Filing date: 1978-04-15
Publication date: 1978-10-19
Also published as: GB1599415A; JPS597877B2; DE2816393C2; US4234162A; JPS53134234A

Description

Francis Xavier Kay, 30 Sheep Street, Winslow, Buckinghamshire, Großbritannien

Ventil

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Druckfließmitteln, mit einem zum Steuern der Verbindung zwischen Durchlässen in einem Ventilkörper relativ zu diesem beweglichen Glied und wenigstens einer Dichtung aus einem Dichtungselement, das in einer entweder im be-' weglichen Glied oder im Ventilkörper vorgesehenen Ausnehmung aufgenommen ist und

in einer durchlaßschließenden Stellung des beweglichen Glieds durch den auf das Dichtungselement wirkenden Fließmitteldruck in abdichtendem Eingriff mit einer Wand der Ausnehmung und einer Dichtungsfläche an entweder dem Ven-

75/16

Büro Bremen:

Postfach 10 71 27, Fcldstraßc 24 D-2800 Bremen 1 • Telefon: (0421) * 74044 Telex :244958bopatd Tclcjir : Diagramm. Bremen

Konten Bremen: Bremer Bank, Bremen

b 8 7

PSchA Hamburg

f!U.Z 20010020) 126083-202

Büro München: Schlotthauer Straße D-BOOO München Telefon: (0β9) 632321

Tekgr. rTelcpatent. München

BOEHMERl' & BOEhMERT

.5·

tilkörper oder dem beweglichen Glied deformierbar ist.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf solche Dichtungsanordnungen, bei denen Durchlaßverbindungen und andere unerwünschte Leckagen verhindert werden. Obwohl die Erfindung insbesondere ihre Anwendung auf Ventile der Ausgestaltung mit einem Kolben oder einem hin- und herbeweglichen Glied findet, das sich innerhalb eines Ventilkörpers bewegt, um die Verbindung zwischen Sätzen von Durchlässen in letzterem zu steuern, ist es offensichtlich, daß die Erfindung eine breitere Verwendungsfähigkeit besitzt. Sie ist anwendbar auf jede Ventilkonstruktion, in der ein bewegliches Glied die Verbindung zwischen Durchlässen in einem Ventilkörper steuert und unerwünschte Verbindungen zwischen Durchlässen und anderen Leckagen des gesteuerten Druckfließmittels durch ein flexibles oder nachgiebiges Dichtungselement verhindert werden, das streifenförmige,mit doppelten Enden versehene oder schleifenförmige Formen aufweist und in einer Ausnehmung im mobilen Glied oder im Ventilkörper in der Art aufgenommen ist, daß es zu dichtendem Eingriff mit geeigneten Flächen der Ausnehmung deformierbar ist, wenn das mobile Glied und der Ventilkörper durch den differentiellen Fließmitteldruck dazu neigen, eine unerwünschte Leckage hinter dem Dichtungselement zu verursachen. Obwohl also die Erfindung bei einer breiten Vielfalt von Ventilkonstruktionen anwendbar ist, wie beispielsweise Ventilen mit gleitenden Platten, mit Ventilkegeln oder dergleichen,wird aber zur Vereinfachung die Beschreibung und Diskussion unter Bezugnahme auf die Anwendung auf Ventile mit einem Stößel oder Kolben oder hin- und herbeweglichen,schiffchenartigen Gliedern, vorgenommen. Es gibt zwei Arten von Ventilen dieser

809842/1087

EOEHMERT & BOEHMERT

•6-

Konstruktion, nämlich diejenigen, bei denen die Dichtungselemente an dem beweglichen Glied angebracht sind, und diejenigen, bei denen die Dichtungselemente am Ventilkörper angebracht sind.

Wenn die Dichtungen an den Ventilkörper angepaßt sind, weist das bewegliche Glied Umfangsnuten auf und hat eine spulenartige Form, so daß derartige Ventile allgemein als "Spulenventile" bezeichnet werden. Sind die Dichtungselemente aber an dem beweglichen Glied angebracht, so wird ein derartiges Ventil allgemein als "Kolbenventil" bezeichnet. Im allgemeinen weist ein Kolbenventil die einfachere Konstruktion auf, während ein Spulenventil, obwohl es komplizierter aufgebaut ist, üblicherweise den Vorteil hat, daß bei einer vorgegebenen physikalischen Ventilgröße eine größere Fließmittel-Strömungskapazität sowie eine größere Lebenserwartung für die Dichtungen gegeben sind, weil die Dichtungen relativ zu den Durchlässen festsitzen und das bewegliche Glied so ausgebildet werden kann, daß sich ein weiches In-Eingriff-Kommen und Lösen der Dichtungen ergibt. Die Dichtungen, welche üblicherweise in Ventilen dieser Klasse Verwendung finden, bestehen aus elastomerem Material, wie beispielsweise Neopren oder Nitrilkautschuk. Die Form und das Material der Dichtung werden so gewählt, daß sich unter dem Druck, der durch das von dem Ventil gesteuerte Fließmittel ausgeübt wird, eine Verformung der Dichtung in der Weise ergibt, wie sie notwendig ist, um ein druckdichtes Ansitzen an den Flächen, mit denen die Dichtung in Kontakt steht, zu gewährleisten. Die Auswahl der Form und des Materials für einen bestimmten Anwendungszweck erfordert bei den Dichtungen eine beträchtliche Sorgfalt, um sowohl eine Leckage, wie sie

809842/1087

B(DEHMERT & BOEHMERT

von einer unzureichenden Dichtungsdeformation unter Arbeitsdrücken resultiert, als auch eine' übermäßige Deformation der Dichtung zu vermeiden, die im allgemeinen zu einer Beschädigung der Dichtungsflächen, welche durch die Dichtung beaufschlagt werden, führt.

Bei Spulenventilen finden als Formen für das bewegliche Glied angefaste oder abgerundete Erhebungen als Kontaktstellen für die Dichtungen Anwendung, welche die Abtrennung und die wechselseitige Verbindung der verschiedenen Durchlässe im Ventilkörper bei der Bewegung des Spulenkörpers gewährleisten. Die Dichtungen, wie beispielsweise O-Ringe, sind in dem Körper zwischen den darin vorgesehenen Durchlässen in Nuten angeordnet, die gewöhnlich durch Abstandshalter geeigneter Konfiguration bestimmt sind. Solche Abstandshalter haben radiale Löcher für das Hindurchtreten des gesteuerten Druckmittels. Wenn die Dichtungen O-Ring-Form haben, sind die Enden der Abstandshalter normalerweise so geformt, daß sich eine Halterung ergibt, welche ein Kollabieren der Dichtungselemente in die Spulennuten während der Bewegung der Spule verhindert. In einigen Anwendungsfällen, insbesondere aber dann, wenn die Dichtungen eine zusammengesetzte Form haben, die eigentlich nicht kollabieren kann, brauchen die Abstandshalter keine speziell ausgebildeten Enden zum Halten der Dichtungen zu haben. Im allgemeinen ist jedoch eine Dichtungshalterung gegen das Kollabieren erforderlich, wenn das Ventil Fließmittel unter relativ hohem Druck steuern muß.

Bei Kolbenventilen bewegen sich die Dichtungen relativ zu den Durchlässen und überqueren wenigstens einige derselben. Aus diesem Grunde ist es allgemein gebräuchlich,

809842/1087

EOr.HMERT & BOEHMERT

die Durchlässe in einer Buchse vorzusehen, welche in den Ventilkörper paßt, so daß die Durchlässe, welche die Dichtung überqueren muß, die Form einer großen Zahl von Bohrungen mit kleinem Durchmesser annehmen, in die eine darüber laufende Dichtung kaum eintreten kann, so daß nur eine geringe Gefahr besteht< daß die Oberfläche der Dichtung extrudiert wird und «o verschleißt und/oder beschädigt wird. Eine derartige Buchse mit ihrer großen Anzahl von Bohrungen kleinen Durchmessers ist aber relativ kostspielig in der Herstellung. Die vielen Bohrungen mit kleinem Durchmesser brechen den Fließmitteldruck, welcher den Durchlaß durchsetzt, und bewirken somit eine Herabsetzung des Wirkungsgrades. Wenn ein Ventil dieser Konstruktion zur Steuerung von Fließmittel hohen Druckes verwendet wird, ist darüber hinaus eine Deformation der Dichtungsfläche in die Bohrungen während der Bewegung des Kolbens nahezu unvermeidbar, woraus dementsprechend ein Verschleiß der Dichtungen resultiert.

Eine weniger gebräuchliche Form von Kolbenventilen weist Durchlässe in Form enger Ringnuten in einer Buchse oder in einer Buchsenanordnung auf, die an den Ventilkörper angepaßt ist. Bei dieser Ausbildungsform ergibt eich ein besserer Fließmitte1strom bei vorgegebenem Gesamtquerschnitt des Durchlasses als bei der oben beschriebenen Art, bei der eine Vielzahl kleiner Bohrungen Verwendung findet. Es bleibt aber für die Dichtungsfläche eine gewisse Tendenz, bei der Bewegung dee Kolbens in . ·- die Ringnuten hineinextrudiert zu werden, insbesondere dann, wenn das Ventil ein Fließmittel bei relativ hohem Druck zu steuern hat. Andererseits hat diese Ausbildung einen zusätzlichen Vorteil insofern, als das Ventil ·ο

- 5 -80 9 842/1017

; copy

BOEHMERT & ROEHMERT

konstruiert werden kann, daß sich der gewünschte Wechsel in der Verbindung der Durchlässe bei einem sehr kurzen Laufweg des beweglichen Gliedes ergibt, weil der erforderliche Hub durch die Durchlaßweite bestimmt wird, die im Falle ringförmiger, nutenähnlicher Durchlässe klein sein kann.

In der eigenen Patentanmeldung P 27 57 360.0 ist ein Kolbenventil beschrieben, das erlaubt, gewisse Betriebsvorteile von Spulenventilen mit der Konstruktionseinfachheit der grundlegenden Kolbenventilausgestaltung zu realisieren.

Insbesondere ist ein Kolbenventil beschrieben worden, das einen Ventilkörper, der in wenigstens einem Ringdurchlaß mit angefasten Kanten ausgebildet ist, und ein bewegliches Glied aufweist, welches zwei mit dem Durchlaß zusammenwirkende Dichtungen aufweist, wobei eine derartige Anordnung der Dichtungen vorgesehen ist, daß eine Dichtung in einer Stellung des beweglichen Gliedes mit einer Erhebung auf ihrer Seite des Durchlasses in Kontakt steht, während die andere Dichtung dem Durchlaß gegenüberliegt, wohingegen in einer anderen Stellung des beweglichen Gliedes die andere Dichtung mit einer Erhebung auf ihrer Seite des Durchlasses in Kontakt steht und die eine Dichtung dem Durchlaß gegenüberliegt.

Der Durchlaß oder die Durchlässe ist bzw. sind bei dieser Konstruktion mit einer relativ weiten Mündung versehen. Der Durchlaß bzw.-die Durchlässe sind direkt in dem Ventilkörper gebildet/ und zwar durch Materialbearbeitung oder durch andere Bearbeitungsproaesse, wobei ein derartiger Durchlaß aber auch im

809842/1087

BOEHMERT & BQEHMEW

2816383

Ganzen oder teilweise in einer Zylinderbuchse oder -hülse, wenn dies gewünscht sein sollte, gebildet sein kann. Kenn dementsprechend eine Dichtungsfläche einem derartigen Durchlaß gegenüberliegt«, ist ein beträchtlicher freier Querschnitt für die Fließmittelströmung zu dem Durchlaß oder von dem Durchlaß hinter einer derartigen Dichtung verfügbar, in einer Art und Weise, die der Fließmittelströmung hinter einer Dichtung in einem konventionellen Spulenventil entspricht.

Die Dichtungen können herkömmlicher Ausgestaltung sein, wie z.B. O-Ringe oder Ringe mit anderen Querschnittsformen.

Obwohl, wie festgestellt, der Strömungsweg des Fließmittels demjenigen in einem Spulenventil ähnelt,sind die Dichtungen bei einem Spulenventil in dem Körper angeordnet, so daß das Risiko besteht, daß die Dichtungen nach innen in eine Nut in dem beweglichen Glied unter Fließmitteldruck kollabieren, wenn das bewegliche Glied sich bewegt, um die Innenfläche der Dichtung freizulegen, so daß den Dichtungen konstuktionsntäßige Begrenzungen auf erlegt sind, um ein. solches Kollabieren zu vermeiden. -Jedoch sind in einem Kolbenventil der Ausgestaltung nach der erwähnten Patentanmeldung P 27 57 360.O die Dichtungen auf dem beweglichen Glied vorgesehen, so daß eine Dichtung keine Tendenz hat, durch eine Auswärtsbewegung zu kollabieren, wenn ihre Außenfläche nicht abgestützt ist, sobald sie sich in den Bereich des Durchlasses bewegt. Dementsprechend ist die Formgebung bei den Dichtungen für Kolbenventile einfacher. Dennoch bleibt die Möglichkeit, daß bei Anwendung hohen Drucks die Dichtungen solch eines KoI-

809842/1087

BOEHMERT & ROEHMERT

benventils überexpandiert werden können, wenn sie nicht außen gehalten werden, beispielsweise in einem solchen Ausmaße, daß sie nicht mehr den Weg für die Fließmittelströmung hinter einer solchen Dichtung öffnen/ wenn dies gewünscht wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil mit Dicht ungs anordnungen zu schaffen, die die Notwendigkeit für eine Begrenzung des Dichtungselements gegen übermäßige Deformierung vermeiden oder minimieren, wie beispielsweise beim Kollabieren oder Uberexpandieren im Falle von Spulenventilen und Kolbenventilen, wenn bei den betreffenden Ventilen, insbesondere bei Hochdruckanwendungen, das Dichtungselement nicht gehalten ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Ventil der eingangs genannten Art gelöst durch eine mittels des Dichtungselements gesteuerte Belüftung der Ausnehmung^ die auf übermäßige Deformation des Dichtungselements durch die Bewegung des beweglichen Gliedes zu einer durchlaßöffnenden Stellung desselben hin anspricht, um den auf dem Dichtungselement lastenden und dessen Deformation bewirkenden Druck abzulassen.

Mit "übermäßiger Deformierung" wird in diesem Zusammenhang eine Deformierung gemeint, die bei der durchlaßschließenden Stellung des beweglichen Gliedes über das Maß hinausgeht, das ausreicht, um eine Leckage hinter den Dichtungselementen unter dem auf die Dichtungselemente auegeübten Differenzdruck zu begrenzen.

Der Ablaß der Ausnehmung kann eine Vielfalt von Formen in Abhängigkeit von der allgemeinen Ausgestaltung des

809842/1087

BOFHMERT & ΚΟΕΗΐνϊΙΐΚΤ

Dichtungserlemts und des Ventils, in das es eingefügt ist, annehmen. Im allgemeinen ist jedoch gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, daß die Belüfung der Ausnehmung in mindestens einer stromab gelegenen Wand der Ausnehmung eine Belüftungsöffnung aufweist, die so angeordnet ist, daß sie durch das Dichtungselement bedeckt und daher geschlossen ist, wenn dieses seine Dichtungsfunktion ausführt, - d.h., das Dichtungselement undeformiert oder nur einer normalen Dichtungsdeformierung unter dem Differenzdruck ausgesetzt ist. Wenn das bewegliche Glied in seiner durchlaßschließenden Stellung ist, ist die Ablaßöffnung jedoch so angeordnet, daß sie als Ergebnis einer übermäßigen Dichtungselement sdeformierung im obengenannten Sinne unbedeckt wird.

In Abhängigkeit von den Erfordernissen können eine Belüfungsöffnung oder eine Vielfalt von Belfüftungsöffnungen vorgesehen sein, wobei eine Reieh von regelmäßig abständigen, entlang der Länge der stromabwärts gelegenen Wand der Ausnehmung angeordneten Belüftungsöffnungen in den meisten Fällen bevorzugt wird, um ein schnelles und einheitliches Lösen des Druckes innerhalb der Ausnehmung beim Ansprechen auf eine übermäßige Dichtungselementsdeformierung zu erreichen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils ist vorgesehen, daß in der Ausgestaltung als Spulenventil ein Dichtungselement die Form eines in einer Ausnehmung des Ventilkörpers eingesetzten Dichtungsringes hat; und daß die Belüftung der Ausnehmung wenigstens eine im inneren Umfang der bei in seiner durchlaßschließenden Stellung befindlichen, beweglichen Glied stromabwärts der Ausnehmung gelgegenen Wand derselben gebildete Öffnung aufweist, deren Tiefe derart ist, daß sie normaler-

8 0 9842/1087

BOEHMERT & HOEHMFRT

weise durch den Dichtungsring abgedeckt ist, die sich aber über den Außendurchmesser des Rings erstreckt, wenn der Ring einer übermäßigen Verformung ausgesetzt ist und wenn der Ring als Ergebnis der Bewegung des beweglichen Glieds oder der Ventilspule in ihre durchlaßöffnende Stellung unter den Dichtungsring wirkenden differentiellen Hochdruckbedingungen einwärts zu kollabieren beginnt.

Gemäß einer anderen bevorzugten AusführungsCorm ist vorgesehen, da ο in C¹^r Ausgestaltung als Spulenventil das Dichtungselement die Form eines in der Ausnehmung des Ventilköroers aufgenommenen Dichtungsringes aufweist und daß die Belüftung der Ausnehmung wenigstens eine an der Basis der stromabwärts gelegenen Vland der Dichtungsausnehmung befindliche Öffnung aufweist, wobei die Öffnung so angeordnet ist, daß sie durch den Dichtungsring unter normalen Dichtbedingungen bedeckt und geschlossen ist, aber bei übermäßiger Deformierung des Dichtungsrincjes unbedeckt ist, wobei die erwähnten Öffnungen zu einem geeigneten Niederdruckbereich führen, wie in dem Auslaß oder dem der Dichtung entsprechenden Duchlaß selbstJieim Wichtbedecktsein der öffnungen bei übermäßiger Deformierung das Dichtungsrings fü1it der Fließmitte1-druck in der Dichtungsausnehmung ab, der die übermäßige Deformierung verursacht hat.

Es versteht sich, daß die Dichtungsausnehmung bei einer solchen Konstruktion, wie gewöhnlich, teilweise durch Abstandsringe gegeben sein kann, die innerhalb des Ventilkörpers eingepaßt sind, oder daß die Dichtungsausnehmung erforderlichenfalls direkt im Ventilknrnor gebildet sein kann: Im letzteren Fall kann die Belüftung der Ausnehmung bequemerweise durch Längsnuten in der Venti1-körperbohrung geformt sein.

- 1Ό -

8U 984 2/1087

BOEHMERT & BOEIIMLRT

Im Falle eines Kolbenventils, das beispielsweise ein in Übereins timmuncj mit der obengenannten Patentanmeldung P 27 57 360.0 hergestelltes Ventil ist, ist bevorzugterweise vorgesehen, daß in Ausgestaltung als Kolbenventil ein Dichtungselement in der Form eines in einer Ausnehmung des Ventilkolbens aufgenommenen Dichtungsringes vorgesehen ist; und daß zur Belüftung der Ausnehmung wenigstens eine Öffnung im Kolben auf der stromabwärts gelegenen Seite der Ausnehmung vorgesehen ist, wobei die Tiefe der Öffnung derart ist, daß sie durch den Dichtungsring bedeckt ist, wenn er seine Dichtungsfunktion ausführt d.h., wenn der Dichtungsring unverformt oder in seiner normalen Dichtungsstellung ist, wobei der Kolben in einer durchlaßschließenden Stellung ist. Die Öffnung oder die Nuten sind durch den inneren Umfang des Dichtungsringes unbedeckt, wenn dieser durch auf ihn wirkenden differentiellen Druck expandiert wird, wenn der Kolben sich in seine durchlaßöffnende Stellung bewegt und die äußere Fläche des Ringes nicht mehr gehalten wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsrom zeichnet sich dadurch aus, daß eine Belüfungsöffnung in der stromauf gelegenen Wand der Ausnehmung vorgesehen ist. Solch eine stromauf gelegene Belüftung der Ausnehmung, die beispielsweise durch eine oder mehrere öffnungen oder Nuten ähnlich der gebildet ist, die eine stromab gelegene Belüftung der Ausnehmung, wie sie oben beschrieben wurde, bilden, kann zur Steuerung des Differenzdruckes über das Dichtungelement während des Abfallens des Druckes in der Ausnehmung durch die Öffnung der abwärts gelegenen Belüftung der Ausnehmung dienen. ¹Zu solchen Differenzdrucksteuerungszwecken ist vorgesehen, daß die Belüftungsöffnung in der stromauf gelegenen Wand der Ausnehmung

8U9842/1087

BOEHMERT &

einen vom durch die stromabwärts gelegene Belüftungsöffnung der Ausnehmung ausgeübten Fließmittel-Strömungswiderstand verschiedenen Widerstand hat, indem beispielsweise die jeweiligen Ablässe verschiedene Querschnittsflächen haben.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt des Kolbens eines erfindungsgemäßen Kolbenventils;

Fig. 2 eine Teilansicht einer teilgeschnittenen Darstellung des Kolbens der Fig. 1;

Fig. 3 in teilweisem Längsschnitt ein Kolbenventil, bei dem der Kolben der Fig. 1 und 2 Verwendung findet;

Fig. 4 in ähnlicher Sicht wie in Fig. 3 ein Spulenventil mit Dichtungen üblicher Form; und

Fig. 5 in ähnlicher Sicht wie Fig. 4 ein Spulenventil mit erfindungsgemäßen Dichtungen.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Kolbenventil dargestellt, das entsprechend der oben angeführten, eigenen Patentanmeldung P 27 57 360.0 hergestellt wurde, wobei die Dichtungen erfindungsgemäß angepaßt sind. Zu Illustrationszwecken zeigen die Fig. 1 und 2 den Teil des Kolbens eines solchen Ventils, der mit zwei Dichtungen zusammengepaßt ist, um mit einem Durchlaß des Ventils zusammenzuwirken.

- 12 -

8U98A2/ 1 087

BOHIIMBRI & IiUIiHMLKT

Wie in der Fig. 3 dargestellt ist, weist das Ventil einen Körper 1 mit einem Durchlaß in der Form einer ringförmigen Nut 2 auf, die sich zu einem breiteren^ aber flacheren Nutteil 3 hin öffnet, das aus den in der Patentanmeldung P 27 57 3 60.0 erklärten Gründen geneigte Viande 4 aufweist. Das Ventil hat weiterhin einen Kolben 5, der mit einem Paar von Dichtungen versehen ist, die jede eine Ausnehmung 6 und ein Dichtelement in der Form eines O-Ringes 7 aufweisen. Wie sich am besten in den Fig. 1 und 2 erkennen läßt, weist der Kolben 5 äußere Längsnuten 8 mit einer Tiefe auf, die geringer ist als die Tiefe der Dichtungs-Ausnehmungen 6. Bei der Bezugnahme auf Fig. 1 gibt auf diese Weise die Abmessung "A" den Gesamtdurchmesser des Kolbens 5 wieder und entspricht dem Bohrungsdurchmesser im Ventilkörper 1 mit geeignetem Laufspielraum, während die Abmessung "C" den Basisdurchmesser der Ausnehmung oder Nut 6 wiedergibt. Die Abmessung "B" gibt den Grunddurchmesser der Nuten 8 wieder; wie dies offensichtlich ist, ist die Abmessung "B" größer als die Abmessung "C". Die Abmessung "D" ist die Breite der Längsnut 8.

Die Differenz zwischen den Abmessung "B" und "C" hängt von der Form und den Abmessungen des O-Rings 7 und dem Ausmaß ab, um welches letztere überexpandiert werden dürfen, bevor ein Entlüften des Durchlasses und damit ein Ablassen des Druckes stattfinden.

Die Abmessungen "B" und "D" werden insbesondere bestimmt durch die Querschnittform und Fläche der Dichtungen, durch die Härte des Materials, aus denen die Dichtungen hergestellt sind, und durch die Fließmittelströmung, die die Längsnuten 8 durchlassen müssen, um ein erforderliches

- 13 -

8Ü9842/1087

BOKHMHRI & IiOElIMLKT

Abfallen im Differenzdruck über eine Dichtung hin zu gewährleisten, während ein Flußweg zu einem Durchlaß geöffnet ist, der durch die Dichtung gesteuert ist.

Die Abmessung "D" ist im Hinblick auf die vorgenannten Faktoren zu dem Betrag bestimmt, bis zu dem die Dichtung in die Nuten 8 deformiert werden kann, wenn sie ihre Dichtungsfunktion ausübt, um die Fließmittelströmung zu einem durch die Dichtung gesteuerten Durchlaß zu verhindern Diese Abmessungen ziehen daher den differentiellen Fließmitteldruck in Betracht, dem die Dichtung im Betrieb ausgesetzt werden kann.

Die Abmessungen "B" und "D" bestimmen zusammen die Querschnittfläche jeder Längsnut 3, so daß die gesamte, für den Druck entlastenden Fließmittelfluß verfügbare Querschnittfläche durch die Zahl der Längsnuten 8 und die genannten Abmessungen bestimmt ist.

Die Erfahrung zeigt, daß die Abmessung "D" die kritischte ist und daß sie im Bereich von 0,127 bis 1,57 mm (0,005 bis O,o62 Zoll) und vorzugsweise im Bereich von 0,381 bis 0,635 mm (0,015 bis 0,025 Zoll) liegen sollte.. Längsnuten 8 mit Breiten dieser Abmessungen können bequem mittels üblicher Herstellungsverfahren gebildet werden. Es wurde gefunden, daß bei Längsnuten mit diesen Abmessungen Dichtungsmaterialien mit der üblicherweise benutzten Härte in den Längsnuten 8 bei den erforderlichen differentiellen Arbeitsdrücken nicht in unakzeptierbarer Weise deformiert werden. Beispielsweise hat ein Ventil mit acht Längsnuten acht dieser Breitenabniessungcn auf einem Kolben mit einem Durchmesser von 15,88 mm (0,625 Zoll), der mit O-Ring-Dichtungen eines Elastomer-

- 14 -

0 U a 8 A 2 I 1 Ü 8 7

BOEHMERT & BÜEMMF.RT

materials von 90 Shore-Härte versehen war, befriedigend bei Drücken bis zu etwa 10 bis 12 bar (10 bis 12 Atmosphären) gearbeitet.

In Fig. 3 ist die Situation dargestellt, wie sie sich während der Bewegung des Ventilkolbens 5 (in Fig. 11 nach rechts gesehen) aus einer durchlaßverschließenden in eine durchlaßöffnende Position ergibt, wobei angenommen wird, daß der Durchlaß oder die Nut 2 ein Auslaß oder ein Ablaß-Durchlaß ist, der in der den Durchlaß öffnenden Stellung des Kolbens 5 Fließmittel· von einem anderen Durchiaß aufnimmt, der nicht gezeigt ist, aber im Körper 1 links von dem Ventilteil angeordnet ist, das in der Zeichnung wiedergegeben ist.

Wenn der Kolben 5 sich in der den Durchlaß schließenden Position befindet, sitzt der linke Dichtungsring 7 auf der normalen Bohrungsfläche des Ventilkörpers auf, während der rechte Dichtungsring sich innerhalb des Durchlaßbereiches befindet, um vielleicht Fließmittel von einem weiter rechts von dem gezeigten Ventildurchlaß liegenden Durchlaß hierhin strömen zu lassen. In der den Durchlaß schließenden Stellung bewirkt der an der linken Seite des linken Dichtungsringes 7 anliegende Druck eine Verschiebung des Dichtungsringes in Richtung auf die rechte Seite seiner Ausnehmung 6, so daß er gegen die stromab gelegene (rechte Wandung) der Ausnehmung und gegen die Bohrung dos Ventilkörpers 1 abdichtet. Die Tiefe der Längsnut 8 ist so bemessen, daß jede Längsnut 8 in dieser "normalen" Dichtungsstelle des Dichtungsrings 7 außerhalb des Hauptdurchmejsers des Dichtungsringes 7 liegt und auf diese Weise durch diesen abgedeckt und verschlossen ist.

- 15 -

8Ud 842/1087

2816333

HOHHMERT & HOEHMf-HT

Betrachtet man nun wiederum die in Fig. 3 wiedergegebene Situation, so zeigt sich, daß der linke Dichtungsring Ί, wenn er sich aus der beschriebenen, durchlaßschließenden Position nach rechts bewegt, sich von der normalen Bohrungsfläche des Ventilkörpers 1 wegbewegt und expandiert hat, so daß er mit der schrägen Wand 4 der Ausnehmung in Kontakt bleibt. Diese Expansion des Dichtungsrings 7 ist das Ergebnis des Fließmitteldruckes innerhalb der Dichtungsausnehmung 6, welche vorher in der Weise wirksam war, daß der Dichtungsring 7 hinreichend fest gegen die Bohrungsfläche des Ventilkörpers gehalten wurde, um zu verhindern, daß Fließmittel hinter dem Dichtungsring in Richtung auf den Durchlaß 2 strömte.

In der gezeigten Weise hat aber diese Überexnansion des linken Dichtungsringes 7 dazu geführt, daß er sich die stromab gelegene (rechte) Wandung der Ausnehmung 6 soweit hinaufbewegt hat, daß die Nuten 8, die darin vorgesehen sind, freigelegt wurden. Dementsprechend kann das Fließmittel innerhalb der Ausnehmung 6 über den durch die Pfeile wiedergegebenen Strömungsweg entweichen. Der Druck, welcher auf den Dichtungsring 7 wirkt , diesen expandiert und die Tendenz hat, ihn mit der Nutenwand 4 in Kontakt zu halten, wird also automatisch gesenkt, wenn der Dichtungsring 7 um ein Ausmaß überexpandiert worden ist, welches ausreicht, um die Nuten freizulegen, so daß also der Dichtungsring fließend in seine normale, unverformte Konfiguration zurückkehren kann, in der er eine deutliche Fließmittelströmung zum Durchlaß 2 gewährleistet.

Die Figuren 4 und 5 stellen eine Ausgestaltung eines herkömmlichen Spulenventils und zum anderen ein erfindungsgemäßes Spulenventil mitDichtungen dar. Beide Fi-

- 16 6 Ij 9 8 k 2 I 1 O 8 7

BOEHMERT & BOEHMERT

.So-

guren sind zusammengesetzt, wobei die Fig. 4 zwei Arten herkömmlicher Dichtungsarretierungen und die Fig. 5 zwei Dichtungs-Entlüftungsausnehmungs-Anordnungen darstellen.

In beiden Figuren sind Teile, die gleiche Funktionen haben, mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die dargestellten Spulenventile weisen jeweils einen Körper 10 mit Durchlässen 11, 12 und 13 auf, die teilweise im Körper 10 und teilweise in Abstandsringen mit Umfangsnuten 14 und Durchlaßöffnungen 15 gebildet sind. Derart werden Ausnehmungen gebildet, in denen Dichtungselemente in Form von O-Ringen 16 aufgenommen sind.

Das Ventil weist weiterhin ein mobiles Glied in der Form einer Spule 17 auf, die in Fig. 4 in der durchlaßöffnenden Stellung gezeigt ist, in der sie einen Fließmittelfluß vom Durchlaß 13 zum Durchlaß 12 erlaubt. Die Spule 17 ist in Fig. 5 in einer Stellung gezeigt, bei der sie sich der durchlaßöffnenden Stellung im Verlauf ihrer Bewegung, deren Richtung durch einen Pfeil angedeutet ist, von der durchlaßsschließenden Stellung nähert, in der-der rechte Dichtungsring 16 auf dem Teil der Spule 17 mit größerem Durchmesser aufliegt.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind die Abstandsringe so geformt, daß sie Dichtungsausnehmungen 18 bilden, die Lippen haben, die eine öffnung definieren, die enger ist als der Dichtungsring, um diesen am radialen Zusammenziehen nach einwärts zu hindern, wenn der Ring 16 nicht durch Anliegen an der Spule 17 gehalten wird. Der linke Dichtungsring 16 der Fig. 4 ist völlig in der Dichtungsausnehmung, die schräge Lippen 19 hat, aufge-

- 17 -

809842/1087

BOEHMERT & BOEHMERT

nommen gezeigt, wogegen der rechte Dichtungsring in einer Dichtungsausnehmung 18 aufgenommen gezeigt ist, die gebogene Wandteile 20 hat, die die erforderlichen Lippen definieren.

Im erfindungsgemäßen Spulenventil in Fig. 5 sind keine solchen Anordnungen zum Zurückhalten der Dichtungsringe erforderlich. Statt dessen sind Anordnungen zum Entlüften der Ausnehmungen für jede der Dichtungsausnehmungen 18 vorgesehen. Im Falle der linken Dichtung sind diese Entlüftungsanordnungen für die Ausnehmung 18 durch Längsnuten im Abstandsring wenigstens auf der stromabwärts gelegenen Seite (der rechten Seite in Fig. 5) der Ausnehmung gebildet, um den Fluß des Druckfließmittels von der Ausnehmung 18 zum Durchlaß 12 bei einem beginnenden, nach einwärts gerichtetem Zusammenziehendes Dichtungsrings zu gewährleisten, wenn dieser nicht mehr durch den Angriff der Spule 17 gehalten wird. Diese Anordnung ist funktionell äquivalent der der Nuten 8 im Kolben 5 des Kolbenventils, das in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist.

Die rechte Seite der Fig. 5 zeigt eine alternative Anordnung zum Lüften der Ausnehmung, wobei Lüftungsöffnungen in den Abstandsringen an der Basis der Dichtungsausnehmung 18 vorgesehen sind, die zwischen den Abstandsringen definiert ist,um so einen direkten Fluß des Fließmittels zwischen den Durchlässen 13 und 12 zu gewährleisten, wenn der Dichtungsring 16 durch den Druck innerhalb der Dichtungsausnehmungen 18 deformiert ist, nachdem er auf die Bewegung der Rolle 17 gegen ihre durchlaßöffende Stellung hin nicht mehr durch sie gehalten wird. Diese Flieftnittelströraing wird durch die Pfeile in der Fig. 5 angedeutet.

- 18 -

809842/1087

BOEHMERT & BOEHMEPT

. aa·

Da das erfindungsgemäße Spulenventil mit Dichtungen keine Anordnungen zum Zurückhalten der Dichtungen erfordert/ wie sie in der Fig. 4 dargestellt sind, können die Dichtungsausnehmungen in geeigneten Fällen direkt in den Ventilkörper geformt werden, beispielsweise durch Verfahren des Maschinengießens oder -formens, wobei Komplikationen durch die Abstandsringe vermieden werden. Die erforderlichen Anordnungen zum Lüften der Ausnehmungen können in solchen Fällen durch eine oder mehrere Längsnuten geschaffen werden, die in der Bohrung des Ventilkörpers so gebildet sind, daß sie den Nuten in den Abstandsringen der linken Dichtung in Fig. 5 äquivalent sind.

Obwohl bei den dargestellten Ausführungsbeispielen Dichtungsringe in der Art von O-Ringen beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung in gleicher Weise auf Dichtungsringe anwendbar ist, die andere Querschnittsformen besitzen, beispielsweise Ringe mit quadratischem oder X-förmigen Querschnitt.

- 19 -

809842/1087

Claims

ANSPRÜCHE

1. Ventil zum Steuern von DruckfließmitteIn, mit einem zum Steuern der Verbindung zwischen Durchlässen in einem Vöntilkörper relativ zu diesem beweglichen Glied und wenigstens einer Dichtung mit einem Dichtungselement, das in einer entweder im beweglichen Glied oder im Ventilkörper vorgesehenen Ausnehmung aufgenommen und in einer durchlaßschließenden Stellung des beweglichen Glieds durch den auf das Dichtungselement wirkenden Fließmitteldruck in abdichtenden Ein griff mit einer Wand der Ausnehmung und einer Dichtungsfläche an entweder dem Ventilkörper oder dem beweglichen Glied deformierbar ist, gekennzeichnet durch eine mittels des Dichtungselements (7, 16) gesteuerte Belüftung (8, 21, 22) dar Ausnehmung (6, 18), die auf übermäßige De-

des Dichtungselements (7, 17) durch die <)*§ beweglichen Gliedes (5, 17) zu einer durch-

Stellung desselben hin anspricht, um den auf d«w Dichtungselement (7, 17) lastenden und dessen Deformation bewirkenden . Druck abgelassen.

2, Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 75/16

809842/1087

ORIGINAL INSPECTED

BOEHMERT 6r ÜOEHMERT

die Belüftung der Ausnehmung (6, 18) in mindestens einer stromab gelegenen Wand der Ausnehmung (6, 18) eine Belüftungsöffnung (8,21,22) aufweist, die so angeordnet ist, daß sie durch das Dichtungselement (7, 16) geschlossen ist, wenn dieses

3. Ventil nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Belüftungsöffnungen (8, 21, 22).

4. Ventil nach einen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausgestaltung als Spulenventil ein Dichtungselement die Form eines in einer Ausnehmung (18) des Ventilkörpers (10) eingesetzten Dichtungsringes (16) hat; und daß die Belüftung der Ausnehmung (18) wenigstens eine im inneren Umfang der bei in seiner durchlaßschließenden Stellung befindlichem beweglichen Glied (17) stromabwärts der Ausnehmung (18) gelegenen Wand derselben (18) gebildete Öffnung (15, 21) aufweist, deren Tiefe derart ist, daß sie normalerweise durch den Dichtungsring (16) abgedeckt ist, die sich aber über den Außendurchmesser des Rings (16) erstreckt, wenn der Ring (16) einer übermäßigen Verformung ausgesetzt ist.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftung der Ausnehmung Längsnuten (21) in der Bohrung des Ventilkörpers ( 10) aufweist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausgestaltung als.Spulenventil das Dichtungselement die Form eines in der Ausnehmung (18) des Ventilkörpers

(16) aufgenommenen Dichtungsringes (16) aufweist; und daß die Belüftung der Ausnehmung (18) wenigstens eine an der

809842/1087

BOEHMERT & BOEHMERT

Basis der stromabwärts gelegenen Wand der Dichtungsausnehmung (16) befindliche Öffnung (22) aufweist, wobei die öffnung (22) so angeordnet ist, daß sie durch den Dichtungsring (16) unter normalen Dichtbedingungen bedeckt und geschlossen ist, aber bei übermäßiger Deformierung des Dichtungsringes (16) unbedeckt ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Ausgestaltung als Kolbenventil ein Dichtungselement in der Form eines in einer Ausnehmung (6) des Ventilkolbens (5) aufgenommenen Dichtungsringes (7) vorgesehen ist; und daß zur Belüftung der Ausnehmung (6) wenigstens eine öffnung (8) im Kolben (5) auf der stromabwärts gelegenen Seite der Ausnehmung (6) vorgesehen ist, wobei die Tiefe der Öffnung (8) derart ist, daß sie durch den Dichtungsring (7) bedeckt ist, wenn er seine Dichtungsfunktion ausführt.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Belüftungsöffnung in der stromauf·^ gelegenen Wand der Ausnehmung (6, 18) vorgesehen ist.

9. Ventil nach'Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftungsöffnuug in der stromauf gelegenen Wand der Ausnehmunrr (6, 18) einen vom durch die stromabwärts gelegene Belüftungsöffmng (8,21,22) der Ausnehmung (6,·. 18) ausgeübten Fließmittel-StrÖmungswiderstand verschiedenen Widerstand hat.

809842/1087