DE3036511A1 - Ventil - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

K. SIEBERT G. GRÄTTINGER

Dipl -Ina

Dlpl.-Ing. Djpl.-Wirtsch.-Ing.

8130 Starnberg bei München Postfach 16 49. Almeidaweg 35 Telefon (06151) 41 15 υ 1 66 40 Telegr.-Adr.: STARPAT Etarnberg Telex: 526 422 star d

den

Anwaltsakte: 7733/Ü

NORTHERN ENGINEERING INDUSTRIES LIMITED

NEI House, Regent Centre, Newcastle upon Tyne,

England NE3 3SB

Ventil

130026/03A5

Postscheckkonto München 2726-304 Kreissparkasse Stamlierg 68940 Dresdner Bank 4 539 771 00 - Deu'sche BnnkStarnberg 59 17570

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich bezieht sich die Erfindung auf yentile zur Steuerung des Drucks von Flüssigkeiten und Gasen.

Steuerventile bekannter Bauarten besitzen ein Ventilteil, dessen Stellung durch ein Steuerelement, wie etwa ein Membran oder Kolben gesteuert wird, welches auf den zu steuernden Fluiddruck anspricht (beispielsweise auf den Auslaßdruck)·

Das SteueeLement ist auch einer Gegenkraft ausgesetzt, welche durch eine Feder oder durch ein Volumen eines unter Druck stehenden Fluids an der Seite des Elements entfernt von derjenigen erzeugt ist, die dem zu steuernden Fluid ausgesetzt ist.

Die Anwendung derartiger Ventile ist in der Industrie durch den Umstand begrenzt, daß die Ventileigenschaft, beispielsweise das Verhältnis zwischen dem Durchfluß durch das Ventil und dem Fluiddruck am Auslaß des Ventils^ durch die der Feder (oder dem unter Druck stehenden Fluid) eigenen Charakteristik beherrscht wird.

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Die Tätigkeit des Ventils hängt von der Bewegung des Ventilteils zwischen der vollständig geschlossenen und der vollständig offenen Stellung ab und viele Anwendungsfälle erfordern eine Gesamtventilcharakteristik, welche sich von der durch die Kraft/Bewegung-Eigenschaft der Steuerfeder oder des äquivalenten Fluids diktierten Eigenschaften unterscheidet.

Bei einem Druckregelventil der Bauart eines Druckreduzierventils ist es bekannt ( GB-PS

¹ 1 033 196), teilweise die Federcharakteristik durch Verwendung einer Venturidüse mit einer veränderbaren Öffnung an einem Ende teilweise zu kompensieren, wobei das andere Ende mit einer Seite des Membran oder des Ventils in Verbindung steht. Allerdings fordern viele heutige Anwendungsfälle für Steuerventile sehr hohe Druckdifferentiale bis etwa 420 kg/cm (6.000 psi), wobei gleichzeitig eine sehr enge Angleichung an einen exakt konstanten Ausläßdruck bei allen Strömungsbedingungen gefordert ist. Diesen Kriterien können bekannte Ventile nicht gerecht werden, allenfalls kann dies lediglich mit zusätzlichen und komplizierten Rückführ-Regelkreis-Systemen zur Steuerung des Ventils

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und/ oder des Ventildurchflusses erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil zu schaffen, dessen Gesamtbetriebscharakteristik den Anforderungen wenigstens eines teils solcher Anwendungsfälle in der Industrie ohne das Erfordernis der Verwendung zusätzlicher kmplizierter Maßnahmen gerecht zu werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein innerhalb eines Durchlaufs bewegbares Ten, durch welches zusätzlich zu einer ersten durch eine erste Öffnung erzeugten Strömungsbahn; bei der ein Druck zur Kompensierung des Wirkung der Federcharakteristik erzeugt .wird, eine zweite Strömungsbahn ermöglicht ist, welche durch eine zweite Öffnung geschaffen ist, welche zwischen einer Fläche des bewegbaren Teils und einer Fläche eines weiteren Teils definiert ist und weiter gekennzeichnet ist durch eine auf das bewegliche Teil wirkende und vorbelastete Feder, wobei die zweite Öffnung lediglich nach Überwindung der Vorbelastung öffnet oder sich vergrößert.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

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Darin zeigen

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ventils, in dem bestimmte Teile einschließlich des Ventilteils und des Steuerelements in ihren linken Hälften in Stellungen entsprechend der vollständig geschlossenen Ventilstellung und in ihren rechten Hälften in Stellungen entsprechend der vollständig offenen Ventilstellung dargestellt sind,

Fig. 2 eine ähnlichen Schnitt durch den oberen Teil einer zweiten Ausführungsform des Ventils,,

Fig. 3

bis 6 Diagramme zur Darstellung der Arbeits— charakteristik bei denen der Auslaßdruck in lbs/sqi vertikal gegen den Durchfluß durch das in Fig. 1 gezeigte Ventil aufgezeichnet ist, welcher horizontal als äquivalenter Druckabfall über eine Standard-Meßöffnung aufgezeichnet ist, sowie

Fig. 7

und 8 Vertikalschnitte durch TeLLe von jeweils einer dritten und vierten Ausführungsform des Ventils.

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- It -

Figur 1 zeigt ein :. Druckabbauventil zur Durchleitung von Luft bei einem minimalen Einlaß-

2
druck von 70kg/cm (1.000 psi) und einem

2 maximalen Auslassdruck von 66,5kg/cm (950 psi).

Das Ventil umfasst ein Gehäuse 10 aus Stahlguß, einen auf dem Gehäuse montierten kuppeiförmigen Deckel aus Stahlguß, ein in Gehäuse 10 in Vertikalrichtung hin- und herbewegbares Ventilteil 14, einen Ventilsitz 16 im Gehäuse 10, einen Stößel 18, ein Steuerelement in Form eines Membrans 20, welches entlang seines Umfangε-rands zwischen dem Gehäuse 10 und dem Deckel 12 angeordnet ist, ein zylinderformiges Gehäuse 22, welches Teil einer einen Durchlauf 24 begrenzenden Ausgleichseinrichtung ist, ein aufgeweitetes röhrenförmiges Teil 26, welches innerhalb des Durchlaufs 24 in Längsrichtung bewegbar ist, sowie ein Rohr 28, welches eine Leitung 30 begrenzt, welches sich aus einem Abschnitt innerhalb des Teils 26 zu einer Platte 32 erstreckt, durch welche sich der Stößel 18 verschiebbar erstreckt und welche auf dem Gehäuse 10 unterhalb des Membrans 20 angeordnet ist. Die Platte 32 weist in ihrer oberen Fläche Schlitze 33 auf.

Das Gehäuse 10 weist einen mit Schraubgewinde versehenen Einlaß 34 und einen mit Schraubgewinde versehenen Auslaß 36 auf, welcher ein

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mit Schraubgewinde versehendes Zapfrohr der Ausgleichseinrichtung 22 aufnimmt.

Das Ventilteil 14 ist hohl ausgebildet und besitzt ein ringförmiges Dichtkissen 38, welches mit dem Sitz 16 zusammenwirkt und durch eine Druckfeder 40 in Einwirkung mit dem Ventilstößel 18 vorgespannt ist. Das Ventilteil ist ein im Ausgleich stehendes Ventilteil mit einem Einsatz 42, welcher eine nicht dargestellte Durchgangsbohrung aufweist, so daß die auf das Ventilteil aufgrund des Drucks auf das Ventilteil wirkenden Kräfte ausgeglichen sind. Der Innendurchmesser des Ventilsitzes 16 ist gleich dem kleineren Außendurchmesser des Ventilteils 14, so daß bei geschlossenem Ventil der Druck innerhalb des Ventilsitzes, welcher eine nach unten gerichtete Kraft auf das Ventilteil 14 ausübt, exakt durch denselben Druckwert ausgeglichen wird, welcher auf eine gleiche Fläche des Ventilteils zur Erzeugung einer gleichen nach oben gerichteten Kraft wirkt.

Der Stößel 18 wird durch die Feder 40 nach oben in Einwirkung mit einer Platte 50 gedrückt, welche durch eine konische Druck-

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feder 52 gegen die Unterseite der Membran 20 gehalten ist.

Das Innere des Deckels 12 steht mit dem Einlaß des Ventilgehäuses 10 über ein Bohrungssystem 54 in Verbindung, welches manuell einstellbare Ventilstopfen 56, 58 aufweist. Das Innere des Deckels 12 kann durch Zufuhr von Luft vom Einlaß her über die Ventile unter Druck gesetzt werden, dann werden die Ventile geschlossen, um das unter Druck stehende Gas oder die Luft im Deckel 12 zu halten.

Der kuppeiförmige Deckel enthält eine Platte 60, welche auf der Oberseite des Membrans 20 liegt und eine zu den Radialschlitzen 64 an der Unterseite der Platte 60 reichende Steuerbohrung 62 aufweist, so daß das unter Druck stehende Gas oder die Luft im Deckel 12 auf die obere Seite der Membran 20 wirkt.

Die Platte 32 weist eine mit Gewinde versehene Durchgangsöffnung bei 66 auf, in welche das Schraubenende, des Rohrs 28 eingeschraubt ist. Die Leitung 30 innerhalb des Rohrs 28 mündet in eine Kammer 67 zwischen der Platte 33 und der Membran 20. Das Rohr 28 erstreckt sich durch den Auslaß 36 des Gehäuses 10 und sein anderes Ende bei 68 begrenzt eine ringförmige Öffnung 70 angrenzend an der Innenfläche des

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Teils 26. Die Öffnung 70 ist variabel in Abhängigkeit von der Stellung des Teils und von der Form des aufgeweiteten Endabschnitts 72 des Teils 26, welches derart ausgebildet ist, daß es die gewünschte Betriebscharakteristik des unten erläuterten Ventils hervorruft.

Der stromabwärtige Abschnitt 74 des Teils 26 ist zylinderförmig ausgebildet, so daß das Teil 26 eine Einschnürung 76 zwischen den Enden des Teils 26 aufweist. Hierdurch wirit das Teil 26 als Venturi-Düse für das durchströmende Fluid. Das Teil 26 weist eine ringförmige, konusstumpfförmige Stirnfläche bei 80 an seinem aufgeweiteten Endabschnitt auf, welche mit einer entsprechenden kegelstumpfförmigen Innenfläche 82 der Wand des Durchlaufs 24 zusammenwirkt. Eine zweite ringförmige variable Öffnung 83 wird auf diese Weise zwischen der Stirnfläche 80 und der Fläche 82 gebildet.

Das Teil 26 weist eine erste und zweite äußere ringförmige Schulter 84 und 86 auf. Zwischen der ersten Schulter 84 und einem ringförmigen Armkreuz 9Q welches im Auslaßende des Gehäuses 22 befestigt ist, ist eine Druckfeder 88 aufgenommen. Die Feder 88 ist

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derart angeordnet, daß sie vorbelastet ist und das Teil 26 nach rechts drückt und die fläche 80 gegen die Oberfläche 82 hält, bis in der weiter unten noch näher erläuterten Weise die Federkraft durch die Kraft auf das Teil 26 überwunden wird, welche auf dem darauf ruhenden Druck resultiert.

Die Bewegung des Teils 26 nach links ist durch die zweite Schulter 86 mit einem rohrförmigen Stoppglied 92 begrenzt _r welches am Kreuz 90 befestigt ist und welches das Teil 26 für eine Gleitbewegung durch das Stoppglied 92 abstützt·

Vor Schilderung der Betriebsweise des oben beschriebenen Ventils soll die Betriebsweise eines konventionellen Betriebs erläutert werden, bei dem das Rohr 28 und die Erstreckung 22 mit den darin angeordneten Bauteilen fehlen. Bei einem derartigen konventionellen Ventil hätte die der Platte 32 entsprechende Platte Durchgangsoff nungen, welche erlauben, daß der Luftdruck an der Auslaßseite des Ventilteils auf die Unterseite des Membrans wirkt.

In diesem Fall ist die nach unten gerichtete Kraft am Membran aufgrund des eingestellten Drucks im kuppeiförmigen Deckel gleich der nach aufwärts gerichteten Kraft am Membran

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aufgrund des auf die Unterseite des Membrans wirkenden Ventilauslaßdrucks.

Bei einem unterschiedlichen Wert der Massenströmungsgeschwindigkeit durch das Ventil muß das Ventilteil eine unterschiedliche Stellung einnehmen um die erforderliche Druckreduzierung zu erzeugen und auch das M_emb_ran nimmt eine unterschiedliche Stellung ein. Deshalb ergibt sich eine Änderung im Volumen der Luft oder des Gases im Deckel, resultierend in einer Änderung des eingestellten Drucks im Deckel, so daß die abwärts gerichtete Kraft am Membran unterschiedlich sein wird.. Somit muß für die neu ausgeglichene Stellung der Auslaßdruck unterschiedlich von dem ursprünglichen Druck sein.

Im Falle eines Diagramms mit dem StrSmungsbe— reich als Abszisse und dem Auslaßdruck als Ordinate ergibt sich als Ventilcharakteristik eine im wesentlichen gerade, jedoch leicht geneigte Linie.

Die in vielen industriellen Anwendungsfällen gestellten Forderungen sind derart, daß ein konstanter oder ein im wesentlichen konstanter Druck unter allen Ströraungsbedingungen gefordert wird, welcher eine horizontale oder im wesentlichen horizontale Ventilcharakteristik

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verlangt·

Das oben beispielshalber beschriebene Dichtventil gemäß der Erfindung weist eine wesentlich verbesserte Ventilcharakteristik auf, welche horizontal oder nahezu horizontal verläuft. Mit zunehmenden Fluß durch das Ventil nimmt auch der Druck am Teil 26 zu, bis die Kraft auf das Teil 26 die vorgewählte Kraft in der Feder 88 überwindet und sich aas Teil 26 nach links bewegt, bis sich die gesamten Druck- und Durchflußparameter stabilisieren. Im insgesamt stabilen Zustand unter Voraussetzung eines maximalen Massendurchsatzes befindet sich das Teil 26 in einer Stellung, die aus der unteren Hälfte der Erstreckung 22 in Figur 1 ersichtlich ist. Das Ventilteil 14 und das Membran 20 befinden sich in entsprechenden Stellungen, die in Figur 1 auf der rechten Hälfte dargestellt sind. Ein Teil des Stromes durch das langestreckte Gehäuse 22 strömt durch die Öffnung 83 und um die Außenseite des Teils 26. Der restliche Strom fließt durch das Teil 26, wobei wegen des Venturi-Effekts in der Einschnürung 76 ein Druckverlust auftritt. Dieser reduzierte Druck wirkt auf die Unterseite des Membrans durch Übertragung des Drucks durch das Rohr 28. Der ausbalancierte Zustand wird durch diesen redu-

zierten Druck erreicht.

Falls der Durchfluß sich verringert, bedingt das Teil 26 eine Druck- und Kraftreduzierung und die Kraft in der Feder 88 drückt das Teil 26 nach rechts bis die Verringerung des Öffnungsquerschnitts der variablen Öffnungen 70 und 83 einen resultierenden Druck auf das Teil 26 erzeugt und sich eine neu ausbalancierte Stellung ergibt.

Wenier Luft strömt nun um das Teil 26 und mehr strömt durch die Venturi—Einschnürung 76, so daß der Druckverlust an der Einschnürung größer ist. In anderen Worten ist der Druck in der Einschnürung 76 geringfügig kleiner als ursprünglich und eine leicht verringerte nach oben gerichtete Kraft wirkt auf das Membran 20.

Das Membran befindet sich nun in einer geringfügig niedrigeren Stellung, -um den Ausgleich zu schaffen und das Ventilteil 14 befindet sich in ähnlicher Weise in einer leicht niedreren Position, Das Ergebnis ist, daß der Auslaßdruck bei dieser neu ausgeglichenen Stellung gleich oder tatsächlich sehr nahe gleich dem ursprünglichen Aus— laßdruck ist. Bei allen betrieblichen Strömungsgeschwindigkeiten wird der Ausgabedruck auf oder sehr nahe auf demselben Wert aus Gründen der Ausgleichswirkung des Teils 26 und des Rohrs 28 gehalten.

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Das Profil des aufgeweiteten Abschnitts 72 ist in sorgfaltiger Weise ausgewählt, um in allen Betriebszuständen genaue Drücke unterhalbs des Membrans zu haben.

In Versuchen mit Luft bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten unter Verwendung von lediglich, einem geringen Einlaßdruck, um eine vollständig offene Ventilstellung zu sichern,erzeugte ein Ventil des Standardtyps C2 (verfügbar von IV Pressure Controllers, Spur Road, North Feltham Trading Estate, Middlesex TW14 OSZ, England) einen Druckabfall von

2
0,6kg/cm (9 psi) vom Beginn der Strömung bis voller Strömung unter Verwendung eines

2
Einlaßdrucks von 21kg/cm (300 psi) und einem

2 nominalen Auslaßdruck von 7kg/cm (100 psi). Diese Charakteristik ist in der Kurve Nr. 1 in Figur 3 festgehalten. Eine weitere Kurve GJr. 2) ist ebenfalls in Figur 3 dargestellt, bei der der Einläßdruck 14kg/cn (200 psi) betrug. In beiden Testversuchen war die Strömungsgeschwindigkeit gleich 760 Nm /h (450 Standard Kubikfuß/min) bei Atmosphärendruck.

Die Erfindung ergibt eine erhebliche Verbesserung in dieser Hinsicht. Erste Testversuche wurden unter Verwendung desselben C2 Ventils ausgeführt, welches nach Maßgabe von Figur 1 jedoch

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ohne die weiter unten beschriebene Dichtung 200 modifiziert worden ist.

In den Figuren 4 und 5 sind Kurven unter Verwendung von Luft bei Einlaßdrücken von jeweils

14kg/cra² (200 psi) und 2lkg/cm² (300 psi) mit

2 einem Auslaßdruck von 7kg/cm (100 psi) in jedem Fall und derselben Strömungsgeschwindigkeit wie in Figur 3 dargestellt. Der Druckabfall betrug lediglich 0,lkg/cm² (1,5 psi).

Die Federkonstante und die Vorbäastung der Feder 88 beeinflussen die Ventilcharakteristik, wie sich durch weitere Versuche herausgestellt hat, deren Kurven aus Figur 6 ersichtlich sind. Die Durchflußgeschwindigkeit war gleich den obigen Fällen. Die oberste Kurve ist bei

2 einem Einlaßdruck von 14kg/cm (200 psi) und einem Auslaßdruck von 7kg/cm (100 psi) aufgenommen. Bei der mittleren Kurve ist dieselbe Feder verwendet worden, jedoch wurde

der Einlaßdruck auf 21kg/cm (300 psi) geändert. Bei der untersten Kurve wurde eine andere Feder mit einer niedrigeren Federkonstanten ähnlich der bei den Kurven gem. den Figuren 4 und 5 verwendeten Feder verwendet. Der Einlaßdruck betrug bei diesem letzten Versuch

2
21kg/cm (300 psi) und der Auslaßdruck be-

trug wiederum 7kg/cm (100 psi).

Bei den oberen beiden Kurven hatte die Feder eine Konstante von l,4kg/cm (8_r01bs/i) und eine Vorbelastung von 1,8kg (4,0 lbs) und bei der untersten Kurve hatte die Feder eine Konstante von 3,6kg/cm (201bs/i) und eine orbelastung von 0.

Das beschriebene Ventil hatte eine zusätzlichen Vorteil, daß das Membran 20 rieht störenden Kräften- ausgesetzt ist, die aus vorübergehenden dynamischen Wirkungen bei Ventilbetrieb herrühren. Diese Störungen treten, falls sie auftretecj unmittelbar stromabwärts des Ventilteils 14 auf.

Der auf die Unterseite des Membrans 20 wirkende Druck ist einzig der Druck, der am Ende 68 des Rohrs 28 ansteht, wie er von der unmittelbar angrenzenden Venturi-Einschnürung 76 des Teils 26 resultiert· An dieser Stelle treten keine momentanen dynamischen Effekte auf oder sind diese ansonsten vernachlässigbar. Infolgedessen ist das Ventil relativ stabiler in seiner Betriebsweise als bekannte Ventile für den ähnlichen Zweck, bei denen ein Steuerelement, wie etwa ein Membran, stoßartigen dynamischen Wirkungen ausgesetzt ist.

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Figur 2 zeigt einen Teil eines modifizierten Ventils, bei dem anstelle eines kuppeiförmigen Deckels, welcher die unter Druck stehende Luft enthält, das Gehäuse einen Deckel 100 trägt, welcher eine Druckfeder 102 enthält, die zwischen einem unteren Sitz 103 und einem oberen Sitz 104 angeordnet ist, welcher verstellbar ist, um die Vorspannung der Feder 102 über eine Schraube 106 zu ändern.

Der untere Sitz 103 wirkt auf das Membran 2OA in analoger Weise wie beim Membran 20 gem. Figur 1 und der übrige nicht dargestellte Teil des Deckels entspricht exakt der Darstellung gemäß Figur 1, was auch hinsichtlich des bereits beschriebenen Ventilbetriebs zutrifft.

Bei Anwendungsfällen, wo die Gesamtventilcharakteristik unterschiedlich sein muß, kann das Teil 26 ein vom dargestellten Profil abweichendes aufweisen (wobei dies derart ist, daß das die Beziehung zwischen der Bewegung des Teils 26 und der Änderung in der Größe der Öffnung 70 linear isö, wobei das Profil so gewählt ist, daß es den unterschiedlichen Charakteristikas gerecht wird. In jedem Fall kann das Profil in Abhängigkeit davon unterschiedlich sein, ob Gas, Flüssigkeit oder ein Gemisch aus Gas und Flüssigkeit einge-

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setzt werden.

Das Ventil kann auch ein anderes als ein Druckverringerungsventil sein und es kann auch für andere Fälle eingesetzt sein, als zur Steuerung einer Durchflußmenge oder um irgendeiner Beziehung Rechnung zu tragen, die vom Druck und dem Durchfluß abhängig ist.

In einigen Fällen kann es erforderlich sein, für eine zusätzliche Dämpfung der Bewegung des Teils 26 zu sorgen. Das kann durch die Verwendung eines O-Ringes, wie bei 200 aus Figur 1 ersichtlich, gewährleistet werden, welcherdie Reibung zwischen dem Teil 26 und dem Stoppglied 92 erhöht. Wahlweise kann ein O-Ring in einer außen befindlichen Nut im Teil 26 eingesetzt sein und mit der Innenfläche des StoppgEeds 92 zusammenwirken.

Der Einsatz eines O-Rings stellt eine wahlweise Maßnahme dar. Das Teil 26 ist durch den Gleitkontakt mit dem Stoppglied 92 einer Reibdämpfung ausgesetzt, falls der O-Ring ausgelassen ist, wobei in vielen Fällen eine derartige Reibung ausreichend sein kann. Die oben erwähnten Anfangstestversuche sind ohne einen O-Ring ausgeführt worden und gaben keinen Hinweis, daß die Verwendung ..eines O-Rings oder eine

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sonstige Dampfungsmaßnahme erforderlich wäre.

Das embran 20 kann anstatt aus Gummi aus Metall hergestellt sein.

Bei einer weiteren Ausgestaltung kann die Venturi-Einschnurung durch ein profiliertes Teil innerhalb eines hohlen Rohrteils ausgebildet sein. Beispielsweise kann das profilierte Teil das Ende 68 des Rohrs 28 umgeben und darauf angeordnet oder ausgebildet sein.

Bei einer weiteren Ausgestaltung kann die gewünschte Druckveränderung am Ende 68 durch einen Öffnungseffekt gewährleistet sein, welcher nicht vom Venturi-Effekt abhängt, allerdings muß die Öffnung derart ausgebildet sein, daß die erforderliche automatische Kompensation des Drucks, zurückgeführt auf das Membran, erzeugt ist, un die Begrenzung in der Steuerkraft (Feder, Fluidvolumen oder sonstige Steuermittel) zu kompensieren, welche am Membran oder sonstigen Steuerelement ansteht.

Die in den Figuren 3 bis 6 dargestellten Kurven besitzen die Form eine offenen Schleife wegen eines Hysterese —Effekts im Ventil— betrieb, der durch die auf die bewegenden Teile wirkende Reibung bedingt ist. Der Reibungseffekt ist derart, daß mit Zunahme

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des Durchflusses durch das Ventil das Verhältnis zwischen dem Auslaßdr.uck und dem Durchfluß leicht differiert gegenüber dem bei einer Verringerung des Durchflusses. Die typische Hysterese-Schleife zeigt die Energie, welche zur Überwindung der Reibung bei Bewegung der Ventilteile aufgebracht worden ist. Das kegelstumpfförmige Profil an der Innenfläche 82 kann, falls bevorzugt, anstelle einer Rotationsfläche auf einer gekrümmten "Erzeugenden" basieren oder irgendeine andere Form aufweisen. Die Formen der Innenfläche des Teils 72 und des Flächenteils 82 sind zusammen mit der Charakteristik der Feder 88 und der gegenseitigen Anordnung der die Öffnungen bildenden Teile derart gewählt, daß die gewünschte Kompensation gewährleistet ist. Die Öffnung 83 hat eine der Öffnung 70 angepasste Charakteristik·

Die Öffnung 83 kann entweder vollständig geschlossen sein,,wie aus den oberen Teil von Figur 1 ersichtlich, oder kann in anderen AnwendungsfSllen in der in Figur 7 gezeigten Weise für Durchflußventile zwischen 0 und dem Wert, bei dem die Vorspannung in der Feder 88 überwunden ist, offen angeordnet sein.

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Nach Maßgabe von Figur 7 weist das Teil einen Endflansch 300 auf, der mit dem Stoppglied 92 zusammenwirkt. Die Öffnung 83 ist durch die zylinderförmige Innenfläche des Gehäuses 22 der Ausgleichseinrichtung bestimmt.

Wähjmd des Endstadiums der Bewegung des Teils 26 nimmt die Öffnung 83 flächenmäßig nicht zu. Allerdings nimmt die flächenmäßige Zunahme der Öffnung 70 während des Endstadiums der Bewegung weiter zu. Auf diese Weise kommt es in der Leitung 30 während des Endstadiums der Bewegung zu einer weiteren Druckreduzierung, was eine weitere Zunahme des Gesamtmassenstroms durch das Ventil und die Ausgleichseinrichtung verursacht, einschließlich einer Zunahme des Massenflusses durch die Öffnung 83.

Auf diese Weise sichert die zunehmende Last in der Feder ein zunehmendes Differential über die Ausgleichsein-, richtung, welches die Druckübertragung vom Ventileinlaß zum Eingang zur Ausgleichseinrichtung erhöht, um den endgültigen Ausgangsdruck konstant zu halten.

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In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Stoppglied 92 so angeordnet sein, daß die nach links gerichtete Bewegung des Teils 26, wie beispielsweise aus Figur 1 ersichtlich, gestoppt wird, wenn der Bereich der Öffnung 83 zuerst seinen maximalen Wert erreicht, so daß keine Zunahme der Fläche der Öffnung 70 über diesen Punkt hinaus zugelassen wird.

Für andere Anwendungsfälle kann die Öffnung 70 so angeordnet sein, daß ein konstanter Flächenbereich während eines Teils der Bewegung des Teils 26 verbleibt. Beispielsweise kann der zylinderförmige Innenteil des Teils 26 so angeordnet sein, daß er während des Anfangsstadiums der Bewegung des Teils 26 über das Ende 68 des Rohrs 28 bewegt, so daß die Öffnung 70 einen konstanten Öffnungsquerschnitt aufweist bis die aufgeweitete Innenfläche sich am Ende 68 vorbeibewegt.

Wie bereits erwähnt, kann sich das Teil 26 lediglich dann bewegen, nachdem eine vorbestimmte Diirchflußgeschwindigkeit (flow rate) erreicht ist, wobei die Feder 88 entsprechend vorbelastet ist, um diesen Betrieb sicherzustellen. In diesem Fall ist der Durchsatz, bei dem

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die Öffnung 83 öffnet, derart, daß ein adäquater Druckabfall am Ende 68 des Rohrs 28 auftritt. In kennzeichnender Weise sichert das Öffnen der Öffnung 83, daß ein derartiger Druckabfall aufrechterhalten, jedoch zur gleichen Zeit ein übermäßiger Druckabfall im Rohr 28 verhindert wird, welcher eine Überkompensierung bedingen würde.

Figur 6 zeigt Beispiele in den oberen beiden Kurven einer Überkompensierung, wobei die Feder zu stark war und deshalb eine übermäßige Begrenzung des Öffnens der Öffnung 83 verursacht wurde. Dies führte seinerseits zur einem übermäßigem Druckabfall im Rohr 28 und einer Überkompensation der Ventilcharakteristik hinsichtlich des endgültigen Ausgangsdruckes.

Weitere Varriationen der Gesamtcharakteristik sind möglich und brauchen im einzelnen hierin nicht aufgezählt werden.

Der Bewegung des Teils 26 kann für bestimmte Anwendungsfälle durch die Wirkung von mehr als einer Feder entgegengewirkt werden. Die Federn können hintereinander wirken, so daß

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beispielsweise eine progressive kumulierende Wirkung erzielt wird. Es können aber auch zwei oder mehrere Federn in einem über die gesamte Bewegung wirken oder es kann eine andere Folge oder Kombination je nach Anwendungsfall verwendet werden.

Typische Anordnungen einer Ausgleichseinrichtung, wie etwa in den Figuren 1 und dargestellt, sind derart, daß die Öffnung 70 am Anfangspunkt des Betriebs mit einem kleinen Durchfluß durch die Ausgleichseinrichtung einen ausreichenden Druckabfall erzeugt, sowie derart, daß über den gesamten Arbeitsbereich des Durchflusses eine geeignete Steuerung aufrechterhalten ist, so daß die gewünschte Gesamtventilcharakteristik gewährleistet ist.

Die Gesamtcharakteristik kann die Kompensation für Druckverlust oder Änderung in einem relativ längen Rohr beinhalten. In einem derartigen nicht dargestellten Fall ist das Ventilgehäuse 10 mit einem Ende des Rohrs und die Ausgleichseinrichtung mit dem anderen Ende des Rohrs verbunden. Das Rohr 28 kann dann durch ein Rohr ersetzt werden, welches nach Verlassen des Gehäuses 22 aus dem Rohr heraus geführt ist und außerhalb des Rohres läuft bis es in das Geäuse 10 eintritt.

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Ein derartiges Rohr kann zweckmäßiger Weise flexibel ausgebidet sein. Der Druckverlust im Rohr kann alternativ zur Kompensierung an einer Stelle unmittelbar angrenzend am Ventilgehäuse genau kompensiert werden.

Die unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschriebene !Compensations- oder Ausgleichseinrichtung ist sehr robust aufgebaut. Dies ist für Anwendungsfälle von Bedeutung, wo beim Herunterschließen eines unter Druck stehenden Systems, in welches das Ventil installiert ist, der Druck stromaufwärts des Ventils vollständig und relativ schnell ventiliert wird. Der stromabwärts der Ausgleichseinrichtung gespeicherte Druck wirkt nun umgekehrt auf die Ausgleichseinrichtung und das Teil 26 muß im besonderen für derartige Anwendungsfälle sehr hohenumgekehrten Druckdifferentialen standhalten können, beispielsweise 420kg/cm (6.000 psi) oder mehr. In diesen Anwendungsfällen muß auch die Ausgleichseinrichtung vollen nach vorwärts gerichteten Druckdifferentialen standhalten können, welche entsprechend hoch sein können.

Die Erfindung ist nicht auf die Anwendungsfälle der Druckreduzierung begrenzt, sondern auch für Gegendrucksteuerungen geeignet, wie aus Figur 8 ersichtlich.

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Bei diesem Anwendungsfall ist das Ventil 314 oberhalb des Ventilsitzes 316 angeordnet und wird durch eine Feder 317 belastet, welche mit der Platte 350 zusammenwirkt. Das Ventilteil 314 wird durch einen Stößel 318 betätigt, welcher mit einem Kolben 319 verbunden, ist, der die bewegliche Wand einer Kammer 367 bildet. Das Rohr 328 sfent in Verbindung mit der Kammer 367 und mit dem Inneren des aufgeweiteten Endes des Teils 326 der Ausgleichseinrichtung (entsprechend dem oben beschriebenen Teil 26).

Die Wirkungsweise der Ausgleichseinrichtung entspricht analog der oben beschriebenen nur daß das Bestreben des Ventileinlaßdrucks anzusteigen, wenn der Durchfluß zunimmt, kompensiert wird, so daß der Druck am Einlaß 334 konstant gehalten wird.

Der Druck an der Auslaßseite des Ventils wird über'die Bohrungen 335, 337 ermittelt.

In einer weiteren nicht dargestellen Ausführungsform sind die beiden ver-

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änderbaren Öffnungen der Ausgleichseinrichtung je teilweise durch entsprechend bewegliche Teile gebildet. Ein Teil ist ähnlich dem Teil 26 aufgebaut und hohl und besitzt ein aufgeweitetes Ende angrenzend an das Rohr 28 und ist gegen eine Feder bewegbar· Allerdings ist keine Bahn für ein Fluid zwischen dem Teil und der Wand des Durchgangs vorhanden in dem es sich bewegt.

Anstelle davon ist ein zweiter DurdiLauf vorgesehen, welcher vom Ventilauslaß führt und sich mit dem Durchgang, in dem das Teil sich bewegt, stromabwärts des Teils wieder vereinigt.

Im zweiten DurdiLauf ist ein zweites Teil angeordnet, so daß es sich gegen eine zweite Feder bewegt. Eine zweite Öffnung ist zwischen dem zveiten TdI und der Wand des Durchlaufs analog zur Öffnung 83 gebildet.

Die beiden Federn müssen in enger Wechselbeziehung stehen oder identisch sein. Die Bewegungen der beiden Teile müssen in gleicher Weise in Wechselbeziehung stehen.

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Vorzugsweise sind die Teile mechanisch begrenzt.

Andere Konstruktionen mit zwei Öffnungen, welche parallele Durchflußstrecken erlauben, sind möglich.

Anstelle des Gehäuses 22 unmittelbar angrenzend am Auslaß des Ventilgehauses 10, kann das Gehäuse an einem Ende eines Rohrs angeschlossen sein, wobei dessen anderes Ende mit dem Auslaß des Ventilgehäuses 10 verbunden ist. Das Geh"ause und die Teile innerhalb des Gehäuses bilden zusammen mit dem Rohr und dsm Ventilgehäuse und den Zusatzteilen nach Maßgabe der Erfindung das Ventil.

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Claims (15)

Patentansprüche :

1. Ventil mit einem Ventilteil, dessen Stellung durch ein Steuerelement, wie etwa ein Membran oder Kolben, gesteuert ist und das einer durch eine Feder oder ein Volumen eines unter Druck stehenden Fluids erzeugten Kraft ausgesetzt ist, bei dem die Wirkung der Charakteristik der Feder oder des Fluidvolumens durch den Druck kompensiert wird, welcher auf das Steuerelement wirkt und welcher bei einer ständig offenen, veränderbaren Öffnung entsteht, welche teilweise durch ein Teil gebildet ist, welches bedingt durch eine Feder oder dgl. in Reaktion auf Änderungen der Durchflußgeschwindigkeit durch das Ventil verschieblich ist,
dadurch gekennzeichnet,

daß das bewegliche Teil (26; 326) innerhalb eines Durchlaufs (24) bewegbar ist, durch welchen zusätzlich zur ersten durch die erste Öffnung (70) vorgesehenen Strömungsbahn eine zweite Strömungsbahn möglich ist, welche durch eine zweite Öffnung (83) gewährleistet ist, die zwischen einer Fläche (80) des Teils (26; 326) und einer Fläche (82) eines weiteren Teils (22) gebildet ist,

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wobei die Feder (88) vorbelastet ist und daß die zweite Öffnung (83) lediglich dann öffnet oder sich vergrößert, nachdem die Vorspannung überwunden ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der ersten Öffnung (70) über die gesamte Bewegung des Teils (26; 326) gegen die Kraft der Feder (80) fortdauernd zunimmt·

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der ersten Öffnung (70) während eines Teils der Bewegung des Teils (26;326) gegen die Kraft der Feder (88) konstant ist.

4. Ventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung (70) ihren maximalen Wert zu der Zeit erreicht, wenn die zweite Öffnung (83) ihren maximalen Wert erreicht.

5. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Öffnung (83) verschlossen bleibt bis die Vorspannung in der Feder (88) überwunden worden ist.

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6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Öffnung (83) stehts offen ist.

7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß während eines Teils der Bewegung des Teils (26;326) die Größe der zweiten Öffnung (83) konstant bleibt.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, oder nach Maßgabe von Anspruch 7 soweit er nach einem der Ansprüche 1 bis 5 abhängig ist, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorspannung in der Feder (83) zwischen Zusammenwirkenden, jedoch trennbaren Flächen (80, 82) aufgenommen wird, welche die zweite Öffnung (83) bilden, nachdem die Vorspannung überwunden ist.

9. Ventil nach Anbruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorspannung in der Feder (83) unabhängig von den. die zweite Öffnung (83) bildenden Flächen (80, 82) zwischen zusammenwirkenden Stopgliedern (92, 300) aufgenommen wird.

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10. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Fläche, welche die erste Öffnung (70) begrenzt, eine Rotationsfläche einer Kurve um eine Achse parallel zur Strömungsrichtung ist und auf einem Teil(72) des Teils (26; 326) ausgebildet ist.

11. Ventil nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Öffnung (70) über einem Teil des Bewegungsbereichs des Teils (26; 326) durch eine innere zylinderförmige Fläche des Teils (26; 326) definiert ist.

12. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Öffnung (83) zum Teil durch eine kegelstumpfförmige Fläche (82) definiert ist, relativ zu der das Teil (26; 326) bewegbar ist.

13. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Öffnung (83) über einen Teil der Bewegung des Teils (26; 326) durch eine innere zylinderförmige Fläche eines Gehäuses (22) definiert ist, innerhalb der sich der Durchlauf (24) erstreckt.

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14. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß das Ventilteil (14) durch lediglich ein Steuerelement (20) gesteuert ist.

15. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,

daß das Ventilteil (14) durch zwei Steuerelemente gesteuert ist, von denen eines auf den Einlaßdruck des Ventils und das andere (319) auf den Kompensationsdruck anspricht, welcher, darauf durch die durch das Teil (328) gebildete Leitung zugeführt ist.

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