DE3028712A1

DE3028712A1 - Steuerventil

Info

Publication number: DE3028712A1
Application number: DE19803028712
Authority: DE
Inventors: Heico Jan Frima; Gerrit Adolf Hartemink
Original assignee: Advanced Semiconductor Materials America Inc
Current assignee: Advanced Semiconductor Materials America Inc
Priority date: 1979-07-26
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1981-02-12
Also published as: FR2462638A1; GB2060139B; GB2060139A; FR2462638B3; JPS5620884A; NL7905792A

Description

DIPL.-INQ. DIETER JANDER DR.-INQ. MANFRED BUNINQ PATENTANWÄLTE

Advanced Semiconductor

Materials B.V. 97/17.735 DE

"Steuerventil"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil, bestehend aus einem Gehäuse mit einer Trennwand, die dessen Innenraum in zwei Kammern teilt, einer Zuflußleitung, die in die eine Kammer führt, einer Abflußleitung, die in die andere Kammer führt, einer Ventilöffnung in der Trennwand, einem Ventilkörper, der die Ventilöffnung verschliessen oder sie ganz oder teilweise freigeben kann, einem Ventilstempel, der mit dem Ventilkörper verbunden ist, sich durch die eine Kammer erstreckt, außerhalb des Gehäuses mit einem Betätigungsorgan verbunden ist und sich in die andere Kammer erstreckt, flexiblen Bälgen in beiden Kammern, die einerseits mit dem Gehäuse und andererseits mit dem Ventilstempel verbunden sind, wobei die aktiven Bereiche beider Bälge gleich oder etwa gleich der wirksamen Fläche des Ventilkörpers sind.

Ein solches Ventil dient der Steuerung von Fluiden, also Flüssigkeiten und Gasen.

Beim bekannten Ventil dieser Art (U.S.-PS 3 304 048) ist die Kraft, die erforderlich ist, um das Ventil zu betätigen, im wesentlichen unabhängig von dem Druck auf der Zuflußseite und dem Druck auf der Abflußseite. Außerdem ist eine kleine Kraft erforderlich, um große Fluidströme zu steuern. Das Ventil arbeitet sehr schnell.

Das bekannte Ventil besitzt in der ersten Kammer eine Feder, die das Ventil in die Schließstellung bewegt, wenn das Betäti||üngsorgan nicht arbeitet. Das Betätigungsorgan hat lediglich die Aufgabe, das Ventil ganz oder teilweise zu öffnen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte Ventil derart auszubilden, daß mit ihm Fluidströme sehr exakt gesteuert werden können, wobei der Ventilkörper in seiner Ruheposition jede gewünschte Lage in bezug auf die Ventilöffnung einnehmen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Betätigungsorgan lediglich die Lage des Ventilkörpers relativ zu der Öffnung festlegt und daß außerdem die Lage des Ventilkörpers unabhängig vom Betätigungsorgan relativ zur Öffnung eingestellt werden kann.

Auf diese Weise ist es möglich, den Fluidstrom sehr gleichmassig zu steuern, wobei das Ventil in der Ruheposition offen sein kann. Aus dieser Ruheposition heraus kann der Ventilkörper betätigt werden, um das Ventil zu schliessen, teilweise zu öffnen oder weiter zu öffnen. Die Ruheposition, die von der gewünschten Ausflußmenge und den Druckverhältnissen abhängt, kann unabhängig vom Betätigungsorgan eingestellt werden.

Die Verstellbarkeit kann dadurch erzielt werden, daß der Ventilkörper auf dem Ventilstempel einstellbar angeordnet ist und/oder daß die Wand, in der sich die Ventilöffnung befindet, verstellbar ist und/oder daß die Verbindungstellen zwischen den Bälgen und dem Ventilstempel verstellbar sind.

Um das Ventil sicher gegen Explosionen zu machen, kann zwischen dem Ventilstempel, und zwar jenseits der Stelle, wo der Dichtbalg mit dem Gehäuse verbunden ist, und dem Gehäuse eine Membran angeordnet sein, die bei Zerstörung oder Leckerscheinungen des Balges abdichtet.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, die einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.

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Das Steuerventil gemäß der Erfindung besteht aus einem Gehäuse 1, dessen Innenraum von einer Querwand 2 in eine Einströmkammer 3 und eine Ausströmkammer 4 geteilt wird. Die Zuflußleitung ist mit 5, die Abflußleitung mit 6 bezeichnet. In der Querwand 2 befindet sich eine Öffnung 7, die mittels eines Ventilkörpers 8 geschlossen werden kann.

Der Ventilkörper 8 ist mit einem Stempel 9 ausgerüstet, der durch die Kammer 4 und die obere Wand des Gehäuses 1 hindurchläuft. Am äußeren oberen Ende des Stemples 9 befindet sich ein nicht dargestelltes Betätigungsorgan. Dieses kann pneumatischer, thermischer, elektromechanischer oder elektromagnetischer Art sein.

Nach unten erstreckt sich vom Ventilkörper 8 ein weiterer Stempel 10. Dieser braucht unten nicht durch das Gehäuse 1 hindurchzulaufen. Im vorliegenden Fall ist eine Kappe 11 od.dgl. vorgesehen, welche das freie Ende des Stempels 10 aufnimmt.

In den beiden Kammern 3 und 4 befinden sich Bälge 12 und 13. Diese sind mit ihren äußeren Enden mit dem Gehäuse 1 verbunden und tragen auf ihren inneren Enden Platten 14 bzw. 15. Letztere sitzen fest auf den Stempeln 9 und 10. In der Kammer 4 wirkt der Balg 13 als Abdichtung des Stempels 9 in bezug auf das Gehäuse 1. Die wirksamen Bereiche der Bälge 12 und 13 sind so weit wie möglich gleich dem Bereich der Öffnung 7. Das Betätigungsorgan am oberen Ende des Stempels 9 kann ein Stoßorgan sein, derart, daß die Betätigungskraft auf den Ventilkörper 8 nach unten wirkt. Der Ventilkörper ist dann in der Ruheposition offen. Es ist jedoch auch möglich, bei einem bestimmten Betätigungsorgan den Ventilkörper 8 auf der Unterseite der Wand 2 anzubringen. In diesem Falle muß eine kleine Nettokraft in Aufwärtsrichtung wirken, um den Bälgen 12 und 13 eine gewisse Vorspannung zu vermitteln, derart, daß bei kleinen Drucken in der Kammer 3 eine

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korrekte Schließung erhalten wird. In diesem Falle müssen allerdings die konischen Formen des Ventilkörpers 8 und der Öffnung 7 umgekehrt orientiert sein.

Es ist jedoch auch möglich, das Betätigungsorgan als Zugorgan auszubilden, was bedeutet, daß die Betätigungskraft dann nach oben wirkt.

Wenn der Ventilkörper 8 sich auf der Unterseite der Wand 2 befindet und die Konizität der Öffnung 7 und des Ventils 8 in umgekehrter Richtung orientiert ist als es die Figur veranschaulicht, ist das Ventil in der Ruheposition offen. Die öffnung 7 ist dann frei. Der Zustrom muß dann über die Leitung 6, und der Abfluß über die Leitung 5 erfolgen. Wenn der Ventilkörper 8 und die Öffnung 7 so ausgeführt sind, wie es die Figur zeigt, dann muß über ein Zugbetätigungsorgan auf die Bälge 12 und 13 eine Vorspannung gegeben werden, so daß die Öffnung 7 unter normalen Bedingungen geschlossen ist. Bei dieser normalen Schließstellung erfolgt der Zufluß über die Leitung 6 und der Abfluß über die Leitung 5.

Die Bälge 12 und 13 erfüllen drei Funktionen. Der Balg 13 dient zur Abdichtung des Ventilstempels 9 gegenüber dem Gehäuse 1 und dichtet die Kammern 3 und 4 gegenüber dem Äußeren ab.

Beide Bälge 12 und 13 können eine Vorspannung erhalten und drücken dann den Ventilkörper 8 in die Öffnung 7.

Sie kompensieren die Kräfte, die von dem Fluid auf den Ventilkörper 8 ausgeübt werden. Die wirksamen Bereiche der Bälge 12 und 13 müssen gleich dem Bereich der Öffnung 7 sein.

Wenn in der Zuflußkamm er 3 bei geschlossenem Ventil ein gewisser Fluiddruck herrscht und der aktive Bereich des Teils des Ventilkörpers 8, der die Öffnung 7 verschließt, gleich

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dem aktiven Bereich des Balges 12 ist, dann wirkt die gleiche Kraft nach oben auf den Ventilkörper 8 wie nach unten auf den Balg 12. Diese Kräfte kompensieren sich also gegenseitig.

Der aktive Bereich jedes Balges ist:

_eff

dP

wobei F_Q„ die Kraft ist, die in axialer Richtung durch das Fluid auf den Balg ausgeübt wird, wenn dieser in einer geschlossenen Kammer angeordnet ist und an einer Seite offen ist. P ist der Druck des Fluids in der Kammer in der Umgebung des Balges, und der Index χ zeigt an: Bei konstanter Auslenkung aus der Gleichgewichtslage.

Das Ventil arbeitet nahezu proportional, da zum Aufrechterhalten einer gewissen Position des Ventilkörpers 8 die erdorderliche Kraft zunächst proportional zu der Auslenkung des Ventilkörpers aus der Gleichgewichtslage ist. Der Grund hierfür ist darin zu erblicken, daß die Bälge 12 und 13 praktisch ideale Federn sind. Die Lage ist beinahe proportional zur ausfliessenden Strömungsmenge, wenn man von gleichen Drucken jeweils ausgeht.

Bei völlig oder fast völlig geöffnetem Ventil ist eine kleine Änderung der Kraft von Einfluß auf die Ventilstempel 9 und derart, daß die Lage des Ventilkörpers 8 gehalten wird. Der Grund dafür besteht darin, daß der Druck an einem Punkt des Ventilkörpers 8 mit dem Fluß nach der Bernouilli'sehen Gleichung zusammenhängt.

Die Ventilstempel 9 und 10 werden derart gehalten, daß der Ventilkörper 8 in der Schließstellung satt auf seinem Sitz

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ruht und daß Reibungseffekte, die zu Hysteresis-Erscheinungen führen, klein sind. Zu diesem Zweck sind Gleitlager 16 und 17 oder Blattfederlager vorgesehen. Wenn sich der Stempel 10 nur bis zur Platte 14 erstreckt, kann ein nicht dargestelltes Blattfederlager mit Löchern für den Gasdurchtritt in der Nähe des Ventilkörpers 8 vorgesehen sein, wobei die Blattfeder einerseits an dem Ventilstempel 10 und andererseits am Gehäuse 1 befestigt ist. Die Zentrierung erfolgt dann ganz in der Nähe des kritischen Punktes.Auch kann die Selbstzentrierungswirkung eines konischen oder kreisförmigen Ventilkörpers 8 in einer konischen Öffnung 7 als Lager ausgenutzt werden.

Um eine Vorrichtung zu schaffen, die explosionssicher ist, ist eine Membran 18 vorgesehen, die mit dem Gehäuse 1 und dem Stempel 9 verbunden ist. Wenn der Balg 13 nach unten einbricht oder leck wird, legt sich die Membran gegen die feste Wand 19.

Die Ruheposition des Ventils, die von der gewünschten Austrittsmenge und den Druckverhältnissen abhängt, kann dadurch eingestellt werden, daß man den Ventilkörper 8 auf dem Stempel 10 schraubbar macht (in Kombination mit einer Blockierschraube), oder indem man die Platte 2 oder die Flansche und 15 verstellbar macht.

Die Betätigung kann z.B. mittels eines Magneten, der über dem Gehäuse 1 angeordnet ist, erfolgen. Dieser Magnet übt nur Axialkräfte und keine Querkräfte auf die Ventilstempel 9 und 10 aus. Der Magnet ist ein Proportionalsteuermagnet, was bedeutet, daß die Kraft proportional zum Steuerstrom durch die Spule und unabhängig von der Bewegung ist. Die Austrittsmenge bei gleichen Drucken ist dann in erster Näherung linear abhängig vom Steuerstrom, da die Austrittsmenge in erster Näherung linear von der Kraft abhängt, die auf den Stempel 9 wirkt β

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Claims

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Zustelladresse

reply to:

KURFORSTENDAMM 66

1 BERLIN 15

Telefon: 030/8 83 50 71/72

Tetegramme: Consideration Bertin

97/17.735 DE 25. Juli 1980

Anmeldung

der Firma

Advanced Semiconductor Materials B.V. Soestdijkseweg 328 3723 HH BILTHOVEN Niederlande

Ansprüche :

Iy Steuerventil, bestehend aus einem Gehäuse mit einer Trennwand, die dessen Innenraum in zwei Kammern teilt, einer Zuflußleitung, die in die eine Kammer führt, einer Abflußleitung, die in die andere Kammer führt, einer Ventilöffnung in der Trennwand, einem Ventilkörper, der die Ventilöffnung verschliessen oder sie ganz oder teilweise freigeben kann, einem Ventilstempel, der mit dem Ventilkörper verbunden ist, sich durch di· eine Kammer erstreckt, außerhalb des Gehäuses mit einem Betätigungsorgan verbunden ist und sich in die andere Kammer erstreckt, flexiblen Bälgen in beiden Kammern, die einerseits mit dem Gehäuse und andererseits mit dem Ventilstempel verbunden sind, wobei die aktiven Bereich beider Bälge gleich oder etwa gleich der wirksamen Fläche des Ventilkörpers sind, dadurch g e k e η η -

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Postscheckkonto Bertin West Konto 1743 84-100 Berliner Bank AG., Konto 01 10921 900

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zeichnet , daß das Betätigungsorgan lediglich die Lage des Ventilkörpers (8) relativ zu der Öffnung

(7) festlegt und daß außerdem die Lage des Ventilkörpers

(8) unabhängig vom Betätigungsorgan relativ zur Öffnung (7) eingestellt werden kann.
2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ventilkörper (8) auf dem Ventilstempel (9,10) verstellbar ist.
3. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wand (2), in der sich die Öffnung (7) befindet, im Gehäuse (1) verstellbar ist.
4. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindungsstellen zwischen den Bälgen (12,13) und dem Ventilstempel (9,10) verstellbar sind.
5. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ventilstempel (9,10) von Gleitlagern und/oder Blattfederlagern gehalten wird.
6. Steuerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Stempel (9) jenseits der Stelle, wo der Dichtungsbalg (13) mit dem Gehäuse (1) verbunden ist, und dem Gehäuse (1) eine Membran (10) angeordnet ist.
7. Steuerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet , daß das Betätigungsorgan ein proportional arbeitender Steuermagnet ist,

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