DE3043790A1

DE3043790A1 - Plattenventil

Info

Publication number: DE3043790A1
Application number: DE19803043790
Authority: DE
Inventors: Thomas E. Tonawanda N.Y. Mayer; John N. West Seneca N.Y. Story
Original assignee: Worthington Compressors Inc
Current assignee: Worthington Compressors Inc
Priority date: 1979-11-29
Filing date: 1980-11-20
Publication date: 1981-06-19
Also published as: IT1134520B; JPS5690170A; BR8007858A; DE3043790C2; FR2470906B1; CA1146838A; GB2064729A; FR2470906A1; IT8026329A0; GB2064729B; US4307751A; MX152589A; CH638283A5

Description

I₁-

DORNER & HUFNAGEL PATENTANWÄLTE

LANDWBHRSTR. 37 SOOO MÜNCHEN a TEL. 0 89/09 67 84

München, den 20. November I98O Anvraltsaktenz. : 19Λ - Pat.

WORTHINGTON COMPRESSORS, INC., Buffalo, New York l4240, Vereinigte Staaten von Amerika

Plattenventil

130-02S/0680

* S-

Die Erfindung betrifft ein Plattenventil, insbesondere ein Rückschlagventil mit einer Mehrzahl von beweglichen,koaxial angeordneten, ringförmigen Ventilplatten. Sie visiert speziell die Plattenventilbauart, welche sich besonders gut für die Verwendung als Einlass- und Auslassrückschlagventil von Kolbenkompressoren eignet.

Rückschlagventile mit ringförmigen Platten

als bewegliche Elemente sind wohlbekannt. Als Beispiel eines solchen Plattenventils der Bauart, auf welche die Erfindung sich bezieht, kann der Gegenstand des US-Patentes 3.656.500 genannt werden. Plattenventile werden sowohl für den Einlass als auch für den Auslass von Kolbenkompressoren verwendet. Bei solchen Kolbenkompressoranlagen können pro Zylinder von zwei bis zu zwanzig Ventile vorgesehen sein, sodass ein einziger Kompressor bis zu hundert und mehr Ventile aufweisen kann. Eine Panne an einem einzigen dieser Ventile kann den ganzen Kompressor ausser Betrieb setzen. Zuverlässige Funktion ist deshalb ein Hauptkriterium bei der Auslegung eines Plattenventils .

Ein solches Plattenventil nach dem Stand der Technik besteht normalerweise aus einem Ventilsitzelement und einem Ventilführungselement, welche zusammen das Ventilgehäuse bilden. Das Ventilsitzelement ist mit einer Mehrzahl von kreisbogenförmigen Durchgangskanälen versehen, welche auf konzentrischen Kreisen angeordnet sind, wodurch eine Mehrzahl von ringförmigen Durchlässen definiert sind, welche mit der oder denVentilkammern in Verbindung stehen. Das Ventilführungselement, dessen Form entsprechend ausgebildet ist um die Ventilkammer zu bilden, ist ebenfalls mit Durchlasskanälen versehen, welche eine Mehrzahl von konzentrischen Durchlassöffnungen definieren. Die Kanäle im Ventilführungselement sind radial gegenüber denjenigen im Ventilsitzelement versetzt. Das Führungselement ist auch mit

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Ausnehmungen oder Vertiefungen zur Aufnahme von Andrückfedern versehen. Die ringförmigen Ventilplatten sind in der Ventilkammer zwischen dem Sitz- und dem Führungselement untergebracht\ sie haben eine ebene Oberfläche und eine Dicke oder Wandstärke, welche grosser ist als die Breite des ventilkammerseitigen Endes des Durchlasskanals im Sitzelement. Führungsstege am Führungselement gewährleisten, dass die ringförmigen Platten nur eine Axialbewegung in Bezug zu den inneren Enden der Sitzelementkanäle ausführen können, welch letztere sie in geschlossener Stellung überdecken. Die ringförmigen Ventilplatten werden federnd, mittels in den Ausnehmungen des Führungselementes untergebrachten Druckfedern, an den Sitz gedrückt, sodass das Ventil normalerweise geschlossen ist. Wenn die vom anstehenden Druck herrührenden Kräfte die Federkraft übersteigen, hebt die Ventilplatte sich von ihrem Sitz ab, sodass das Medium das Ventil durchströmen kann. Durch den radialen Versatz der Durchlasskanäle im Sitzelement gegenüber denjenigen im Führungselement, erfährt das durch das Ventil strömende Medium eine Richtungsänderung. Das Ventil gemäss der US Patentanmeldung Nr 837.408 repräsentiert einen bedeutenden Fortschritt durch Verbesserung der Ventileffizienz, indem die Druckverluste auf ein Minimum reduziert werden. Diese hervorstechenden Merkmale des Ventils nach der Patentanmeldung 837.408, welche zur Verminderung von Druckverlusten beitragen, sind auch bei dem vorgeschlagenen Ventil vorgesehen, sodass die folgenden Ausführungen die Patentanmeldung 837.408 als Referenz beinhalten.

Aus den weiter oben kurz angegebenen Gründen wird auf diesem Gebiet seit langem angestrebt, die Zuverlässigkeit von Plattenventilen, einschliesslich desjenigen nach der vorgenannten Patentanmeldung 837.408, weiter zu verbessern, und zwar ohne Einbusse am Gesamtwirkungsgrad; ein solcher Wirkungsgradverlust kann z.B. auf an den Ventilen entstehende Druckverluste zurückgeführt werden.

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Desweiteren möchte man die Herstellungskosten vermindern, besonders durch Vermeidung von Bearbeitungsschritten auf teuren Werkzeugmaschinen, ohne jedoch den Druckverlust oder die Zuverlässigkeit des Ventils negativ zu beeinflussen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein Plattenventil vorzuschlagen, welches sich gegenüber dem Stand der Technik durch gesteigerte Zuverlässigkeit und verminderte Herstellungskosten auszeichnet, ohne dass hierbei die Funktionsmerkmale des Ventils negativ beeinflusst würden, und insbesondere ohne Vergrösserung des Druckver~ lustes zwischen Ein- und Auslassöffnung des Ventils.

Ausgehend von einem Plattenventil der eingangs erwähnten Gattung wird diese Ausgabe im wesentlichen durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angeführten Merkmale gelöst. Weitere Merkmale gehen aus den Kennzeichen der Unteransprüche hervor.
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Das vorgeschlagene Ventil besitzt Ventilplatten mit einer axialen Höhe von mehr als 5 mm und, gemäss einer ersten Ausgestaltung, ein Verhältnis der axialen Höhe zur radialen Breite der Platten von mehr als 0,5. Die vergrösserte Axialhöhe der Ventilplatten vermindert Ermüdungserscheinungen, insbesondere im Bereich der mit den Andrückkräften beaufschlagten Stellen der Ventilplatte, wodurch die Betriebssicherheit vergrössert wird. Gemäss einem weiteren Merkmal einer bevorzugten Ausgestaltung bestehen die Ventilplatten aus einem faserverstärkten Kunststoff, z.B. aus glasfaserverstärktem Nylon, welches bei Schwankungen der Betriebstemperatur nur geringe Veränderungen der radialen Dicke zeigt. Diese Konstanz der radialen Ventilplattendicke ist teilweise der' Plattendicke zuzuschreiben, wobei zu bemerken ist, dass die glasfaserverstärkten Nylonplatten sich radial

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ausdehnen und zusammenziehen können, während ihre radiale Dicke praktisch die gleiche bleibt.

Ein weiteres Merkmal einer bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plattenventils besteht darin, dass das Verhältnis der Anzahl der auf jede Platte wirkenden Andrückfedern zum mittleren Durchmesser der ventilplatte grosser als 0,47 pro cm iet. Dies bedeutet im Vergleicn zum Stand der Technik eine Vergrösserung der Federanzahl, wodurch die Plattenbeanspruchung vermindert und die Fähigkeit der Federn,ein Verkanten der Platte zu verhindern, verbessert wird.

Ein weiteres Merkmal einer bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Ventils besteht in einer entsprechenden Formgebung des Sitz- und des Führungselementes in dem Sinne, dass ein axialer Bolzen zur gegenseitigen Befestigung dieser Elemente sowohl von der einen als auch von der andern Seite des Ventils eingeführt werden kann. Durch diese Anordnung wird es möglich, das Ventil solcherart im Zylinderkopf eines Kolbenkompressors anzuordnen, dass der Kopf dieses axialen Befestigungsbolzens immer von der Zylinderbohrung hinweg zeigt, wodurch ein Anstossen des Kolbens gegen diesen Bolzenkopf nicht möglich ist. Zusätzlich erlaubt diese Anordnung das Vertauschen von Sitz- und Führungselement, sodass dasselbe Ventil sowohl als Einlassais auch als Auslassventil verwendet werden kann.

Schliesslich besteht ein weiteres Merkmal des vorgeschlagenen Ventils in der Erleichterung der gegenseitigen Zentrierung des Sitz- und des Führungselementes durch das Vorsehen einer ringförmigen Aussparung im Gewindeloch für die Montagebolzen. In diese Aussparungen wird eine kurze Schlitzbuchse eingeführt, welche eine einfache und genaue Montage des Führungselementes mit den FührungsStegen ermöglicht, ohne dass hierfür strenge Bearbeitungstoleranzen erforderlich wären.

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Ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Ventils ist in den Zeichnungen, in welchen gleiche Teile mit den gleichen Referenzzahlen versehen sind, dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1, einen Teillängsschnitt entlang der Schnittlinie 1-1 in Figur 2 eines Dreiplattenventils;

Figur 2, eine Unteransicht, teilweise

weggebrochen und in verkleinertem Masstab, des Ventils nach Figur 1;

Figur 3, die Ansicht eines Andrückelementes des Ventils nach den Figuren 1 und 2?

Figur 4, eine Draufsicht auf das Element nach Figur 3.

Ein erfindungsgemässes Plattenventil begreift ein Sitzelement 10, ein Führungselement 12, sowie eine Mehrzahl von ringförmigen Platten oder Dichtringen 14, 14' und 14". Diese Platten 14, 14" und 14" werden im folgenden pauschal als Platten "14" bezeichnet, ausser wenn zwischen diesen Platten unterschieden werden soll. Das Sitz- und das Führungselement werden normalerweise aus Gusseisen bestehen. Gemäss dem Stand der Technik ist eine vergleichsweise zeitraubende und teuere maschinelle Bearbeitung notwendig, um die inneren Enden der Durchlasskanäle im Sitzelement 10 mit genügender Genauigkeit herzustellen und um der ebenen Dichtfläche, welche mit den beweglichen Platten 14 zusammenwirkt, die notwendige Oberflächengüte zu verleihen. Bei der vorgeschlagenen Ventilausführung ist ein Ventilsitzeinsatz 16 vorgesehen, wodurch diese aufwendigen maschinellen Bearbeitungsvorgänge in Wegfall kommen. Der Einsatz 16 besteht aus einer gestanzten

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Metallplatte, welche zwischen dem Sitzelement 10 und dem Führungselement 12 eingeklemmt ist, da es möglich ist, die kreisbogenformigen Durchlassöffnungen, mit welchen die Ventilplatten 14 zusammenwirken, mit der notwendigen Genauigkeit durch Stanzen herzustellen. Infolgedessen braucht bei der Verwendung des Einsatzes 16 das Sitzelement 10 nach dem Giessen nur plangedreht zu werden.

Das Ventil ist in Figur 1 in geöffneter Stellung dargestellt, in welcher der Druck des Mediums gegen die Platten 14 grosser ist als die Spannung der Andrückfedern 17, welche normalerweise das Ventil geschlossen halten. Die Federn 17 sind in ringförmigen Gruppen um das Ventil herum angeordnet, wobei die Andrückkraft der Federn über Stössel 18 an die Ventilplatten weitergeleitet wird. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Ventils ist das Verhältnis der auf jede Ventilplatte wirkenden Federanzahl zum mittleren Durchmesser der betreffenden Platte grosser als 0,47 pro cm ist. Es hat sich herausgestellt, dass bei Berücksichtigung dieses Feder-zu-Plattendurchmesser-Verhältnisses die Beaufschlagung der Platten mit einer minimalen Beanspruchung derselben erfolgt, während ein Verkanten der Platten praktisch ausgeschlossen ist.

Was die Ventilplatten selbst anbelangt, so

wurden günstige Resultate erzielt bei Verwendung von Platten mit rechteckigem Querschnitt und einer axialen Dicke von mindestens 5 mm. Sehr gute Resultate wurden erzielt mit einer Ausführung, deren Verhältnis von axialer zu radialer Dicke grosser als 0,5 war. Es hat sich ferner als ausserordentlich günstig herausgestellt, die Ventilplatten 14 aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen,wobei besonders günstige Resultate mit glasfaserverstärktem Nylon erzielt wurden. Eine ringförmige Ventilplatte aus glasfaserverstärktem Nylon und einer axialen Dicke von mindestens 5 mm

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wächst oder schrumpft bei wechselnden Gastemperaturen in radialer Richtung, wobei jedoch die Dickenveränderungen sehr klein bleiben. Dies ist wesentlich zur Gewährleistung einer sicheren Ventilfunktion über einen breiten Temperaturbereich.

Um die hinter den Stösseln 18 im Interesse einer schnellen und leichten Oeffnung des Ventils eingeschlossenen Gase schnell zu evakuieren, sind diese Stössel, wie aus den Figuren 3 und 4 zu ersehen ist, seitlich und unten mit Entlüftungsrillen versehen. Bei der Verwendung dieser ventilierten Stössel entfällt die Notwendigkeit, Belüftungsbohrungen in der Führung 12 anzubringen, welche mit den Aussparungen zur Aufnahme der Federn 17 in Verbindung stehen.

Das Sitzelement 10 ist mit bogenförmigen

Durchlasskanälen 30, 32 und 34 versehen, welche in konzentrischen Ringen angeordnet sind, wodurch eine Mehrzahl von ringförmigen Einlassöffnungen definiert ist. Die zur Seite des Führungselementes 12 liegenden Enden dieser Durchlasskanäle fluchten mit ähnlich geformten Durchlassöffnungen im Ventilsitzeinsatz 16. Das Führungselement 12 definiert die Ventilkammer und bogenförmige Auslasskanäle, welche ebenfalls konzentrisch angeordnet sind, sodass ringförmige, in Bezug zu den ringförmigen Einlasskanälen radial versetzte Auslasskanäle gebildet werden. Die Auslasskanäle sind mit den Referenzzahlen 36, 38, 40 und 41 bezeichnet. Das Führungselement 4 2 weist auch eine Mehrzahl von FührungsStegen 44 auf, welche nach unten in die Ventilkammer hineinragen und zur axialen Führung der Platten 14 dienen. Die Führungsstege sind dergestalt angebracht und dimensioniert, dass die Platten bei Hitzeeinwirkung wachsen können, oder auch schrumpfen auf Grund von Eintrocknen oder Verminderung der Beanspruchung.

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Das in den Zeichnungen dargestellte Ventil wird zusammengebaut durch die gegenseitige Befestigung des Sitzes 10 und der Führung 12 mittels eines einzigen Schraubenbolzens 50 in der Achse des Ventils. Zur Aufnahme des Bolzens 50 sind sowohl der Sitz 10 als auch die Führung 12 mit einem axialen Durchgangsloch versehen, ^^as von den Aussenseiten des Ventils nach innen verlaufend mit einem Gewinde sowohl int Sitz als auch in der Führung versehen ist. Auf diese Weise kann der Bolzen 50 von jeder Seite des Ventils eingeführt werden, sodass, wenn das Ventil in den Zylinderkopf eines Kolbenkompressors montiert wird, dies immer so durchgeführt werden kann, dass der Kopf des Bolzens 50 immer von der Zylinderbohrung hinweg zeigt, und damit ein Anstossen des Kolbens gegen diesen Bolzenkopf ausgeschlossen ist. Desweiteren ist es durch diese Bolzenanordnung möglich, das Ventil sowohl als Ansaug- als auch als Auslassventil zu verwenden, da es sowohl mit der Führungs- als auch mit der Sitzseite nach aussen zeigend montiert werden kann. In der Durchgangsbohrung zur Aufnahme des Befestigungsbolzens sind Aussparungen 52 im Sitz 10 und in der Führung 12 vorgesehen. Eine kurze Schlitzbuchse 54 ist in dieser mittigen Aussparung des Sitzes und der Führung eingesetzt. Diese Schlitzbuchse 54 sorgt für die richtige gegenseitige Lage der Führungsstege 44 an der Führung 12, der Ventilsitzeinsatz 16 und dem Sitzkörper 10, indem durch das Vorhandensein dieser Schlitzbuchse die genauen Mitten der Führung 12, des Ventileinsatzes 16 und des Sitzkörpers 10 zum Fluchten gebracht und festgelegt werden.

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Claims

Patentansprüche

y Plattenventil, insbesondere Rückschlagventil mit einer Mehrzahl von beweglichen, koaxial angeordneten, ringförmigen Ventilplatten, welches ein Ventilsitzelement mit einer ebenen Ventilsitzflache und mit einer ersten Anzahl von konzentrisch angeordneten, kreisboyenförmigen Durchlasskanälen ^3O, 32, 34) axial durch das Ventilsitzelement (10) hindurch, ein Ventilführungselement (12) mit einer zweiten Anzahl von koaxial angeordneten, kreisbogenförmigen Durchlasskanälen (36, 38, 40, 41) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass diese zweiten Durchlasskanäle (36, 38, 40, 41) gegenüber den ersten (30, 32, 34) radial versetzt sind und axial durch das Ventilführungselement (12) hindurchgehen, wobei das Ventilsitzelement (10) und das Ventilführungselement (12) zusammengebaut eine Ventilkammer definieren, in welcher sich die Ventilsitzfläche befindet, dass Mittel vorgesehen sind zum Befestigen des Ventilsitzelementes (10) am Ventilführungselement (12), dass die koaxialen ringförmigen Ventilplatten (14, 14', 14") in der Ventilkammer untergebracht sind und mit den ersten Durchlasskanälen (30, 32, 34) fluchten, dass die Ventilplatten (14, 14', 14") höher als 5 mm sind, dass Mittel vorgesehen sind, um die Ventilplatten (14, 14', 14") federnd gegen die Ventilsitzfläche anzudrücken , wobei die Andrückmittel eine Mehrzahl von Druckfedern (17) begreifen, welche die Ventilplatten (14, 14', 14") beaufschlagen, und dass das Verhältnis der Anzahl Federn (17),welcher jeder Ventilplatte (14, 14', 14") zugeordnet ist, zum mittleren Durchmesser der betreffenden Platte (14, 14', 14") grosser als 0.47/cm ist.

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2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatten (14, 14', 14") aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen und dass das Verhältnis ihrer axialen Höhe zu ihrer radialen Breite grosser als 0,5 ist.
3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel ein Durchgangsloch im Sitzelement (10) aufweisen, wobei dieses Durchgangsloch im Sitzelement

(10) in der Ventilachse liegt und auf mindestens einem Teil seiner Begrenzungswand mit einem Muttergewinde versehen ist, ein Durchgangsloch im Führungselement (12), wobei dieses Durchgangsloch im Führungselement (12) in der Ventilachse liegt und auf wenigstens einem Teil seiner Begrenzungswand mit einem Muttergewinde versehen ist, welches genau die gleichen Gewindedaten hat wie das Gewinde am Sitzelement (10), und einen Bolzen (50), dessen Schaft teilweise mit einem Bolzengewinde versehen ist, welches zu den vorgenannten Muttergewinden passt, und dessen Kopf mit einem Telleransatz versehen ist, welcher an der äusseren Stirnwand des Sitzoder des Führungselementes (10, 12) anliegt, wobei das Bolzengewinde mit dem Muttergewinde des jeweils anderen dieser beiden Elemente im Eingriff ist und der Bolzen nach Bedarf von der einen oder von der andern Seite her eingeschraubt werden kann.
4. Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel desweiteren aus einer Senkung bestehen, welche ventilinnenseitig am Durchgangsloch des Sitzelementes (10) und des Führungselementes (12) vorgesehen ist, und dass die auf diese Weise entstandene Aussparung zur Aufnahme einer Schlitzbuchse (54) dient.
5. Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatten (14, 14', 14") aus glasfaserverstärktem Nylon bestehen.

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6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ dass im Führungselement (12) eine Mehrzahl von mit der genannten Kammer in Verbindung stehenden Sacklöchern vorgesehen ist, welche mit den Ventilplatten (14, 14', 14") fluchten, wobei die Federn (17) in diesen Sacklöchern untergebracht sind, und dass jedem Sackloch ein Stössel (18) zur Uebertragung der Federkraft auf die Ventilplatten (14, 14", 14"), zugeordnet ist, wobei diese Stössel (18) im wesentlichen zylindrische Form tiaben und mit mindestens einer seitlichen Längsrille versehen sind.
7. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (12) mit einer Mehrzahl von von genannter Kammer aus sich erstreckenden Sacklöchern versehen ist, dass diese Sacklöcher mit den Ventilplatten (14, 14', 14") fluchten, dass in jedem Sackloch eine Feder (17) untergebracht ist, dass jedem Sackloch ein beweglicher Stössel (18) zugeordnet ist, welcher im wesentlichen zylindrische Form hat und im Durchmesser geringfügig kleiner ist als der Durchmesser des Sackloches, dass die Stössel (18) mindestens eine seitliche Längsrille aufweisen, und dass diese Stössel (18) die Kraft der Federn (17) auf die Ventilplatten (14, 14·,. 14") übertragen.
8. Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch

gekennzeichnet, dass das Sitzelement (10) eine Anzahl Einlassöffnungen (30, 32, 34) aufweist, deren stromabwärts liegende Oeffnungen den Ventilplatten (14, 14", 14") gegenüber liegen, und dass ein Ventilsitzeinsatz (16) vorgesehen ist, welcher sandwichartig zwischen dem Ventilsitzelement (10) und dem Führungselement (12) eingeklemmt ist, dass der Ventileinsatz (16) Oeffnungen hat, welche mit den Einlassöffnungen (30, 32, 34) fluchten, und dass die eine Seite des Ventileinsatzes (16) die Ventilsitzfläche bildet.

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