DE3235112C2

DE3235112C2 - Rückschlagventil

Info

Publication number: DE3235112C2
Application number: DE19823235112
Authority: DE
Inventors: Max Waverley New South Wales Kadner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-09-22
Filing date: 1982-09-22
Publication date: 1986-09-04
Also published as: DE3235112A1

Abstract

Ein Hub- oder Rückschlagventil, insbesondere mit schneller Taktfolge, umfaßt eine Ventilkammer (2), einen Ventilsitz (11, 12) und ein Ventilglied (3), welches in der Ventilkammer bewegbar ist. Das Ventilglied weist ein mit einer Nut versehenes unteres Ende auf, welches den 0-Ring (13) trägt, welcher eine elastomere Dichtung bildet. Die Nut ist so geformt, daß, wenn das Ventil geschlossen wird, die Oberfläche der Nut die Deformation des 0-Rings nicht beeinträchtigt.

Description

4.1) an seinem freien Ende einen Kopfteil (18) aufweist und

15 4.2) einen Übergang zwischen dem Kopfteil (18) \ind dem Verschlußstück (3) in Form einer Nut (16),

dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (16) folgendes umfaßt:

a) einen ersten konischen Abschnitt (19), der sich von dem Kopfteil (18) nach innen erstreckt

und der einen Abschrägungsvvinkel (90° - 2 y₀) nicht größer als ungefähr 25° aufweist,

:o b) einen zweiten konischen Abschnitt (21), der sich nach innen in einem Abstand vom ersten

konischen Abschnitt (19) anschließt und der einen Abschrägungswinkel von mindestens ungefähr (90° - 2 y_E) aufweist, wobei y_E durch die folgende Formel gegeben ist:

25 COt y,

wobei R₁₁ der Querschnittsradius des O-Rings (13) in nicht deformiertem Zustand, d. h. bei offenem Ventil, ist, und Λ", die Verminderung des Querschnittsradius des O-Rings bei 30 geschlossenem Ventil ist,

c) eine gekrümmte Zone (20) zwischen den beiden konischen Abschnitten (19, 21), die für einen weichen Übergang zwischen diesen sorgt, wobei der Wert des Konuswinkcls (90° -· 2 y, )-aer gekrümmten Zone durch folgende Formel gegeben ist:

«o - xj J

wobei R_n wiederum den Radius des nicht deformierten O-Rings bedeutet ucΛ χ die Vermin-40 derung des Querschnittsradius des O-Rings (13) im zunehmend konischen Bereich der

gekrümmten Zone (20) bedeutet, so daß der O-Ring-Haltefortsatz (15) der. O-Ring während seiner Deformierung beim Schließen und Öffnen des Ventils nicht beeinträchtigt oder einzwängt.

45 2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der O-Ring-Haltefortsatz (15) so geformt ist, daß

der auf diesem montierte O-Ring (13) eine Vordrehung durch Vergrößern seines mittleren Ringdurchmcssers erfährt, und zwar um einen Betrag δ, wobei δ durch folgende Formel gegeben ist:

50 D

wobei d der Querschnittsdurchmesser des freien O-Rings C13), D der von Mittelpunkt zu Mittelpunkt gemessene Durchmesser des freien O-Rings (13), und A die Breite des zusammengepreßten O-Rings (13) bedeuten. 3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische, dichtende Anschlag durch einen 55 sitzseitigen Absatz (14) am Verschlußstück (3) gebildet wird, der bei geschlossenem Ventil entlang einer

Ringfläche auf dem Ventilsitz aufliegt, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser des O-Rings (13).

Die Erfindung betrifft ein Rückschlagventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Galtung.

Ein solches Rückschlagventil ist aus der US-PS 26 08 376 bekannt. Hierbei ist die Nut am Obergang zwischen dem Kopfteil und dem Verschlußstück im Querschnitt kreisförmig gekrümmt ausgebildet, wobei der Krümmungsradius der Nut dem Krümmungsradius des O-Ringes in dessen entspanntem Zustand entspricht. I licmus folgt, daß der O-Ring beim Schließen des Ventils einseitig deformiert wird. Im übrigen besteht hier die große Gefahr, daß der O-Ring an der scharfen Stirnkante des Kopfteils, welche mit dem Ende der Nut zusammenfällt, beschädigt wird. Insbesondere bei schneller Taktfolge resultiert hieraus ein alsbaldiger Verschleiß des O-Rings.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, den O-Ring-Haltefortsatz des Rückschlagventils so auszubilden, daß der Verschleiß des O-Rings auf ein Minimum reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Nut des O-Ring-Haltefortsatzes stellt sicher, daß sich der O-Ring in jedem Stadium seiner Kompression auch nach innen frei ausdehnen kann und dennoch stets eindeutig am O-Ring-Haltefortsatz geführt ist, d. h. an der Nut anliegt.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben: In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Rückschlagventils gemäß einer Ausführungsfonm der Erfindung, Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des O-Rings und seines Haltefortsatzes, Fig. 3 eine Prinzip-Darstellung des O-Rings in zwei Eingriffspositionen mit dem Haltefortsatz, und Fig. 4 eine Querschnittsansicbt eines O-Rings in seinem freien und seinem zusammengedrückten Zustand.

Gemäß Fig. 1 umfaßt das Rückschlagventil ein Ventilgehäuse 1, das eine Ventilkammer 2 definiert. In der Ventilkammer 2 ist ein Verschlußstück 3 bewegbar angeordnet, das bei seinen hin- und hergehenden Bewegungen durch ein in der Ventilkammer 2 befestigtes Führungsglied 4 geführt wird.

Das Ventilgehäuse 1 hat einen Einlaß 5 und einen Auslaß 6. Der Auslaß 6 ist bei 7 zur Aufnahme eines Endes einer Druckfeder 8, deren anderes Ende in einen entsprechenden erweiterten Teil des Verschlußstücks 3 eingreift, teilweise erweitert.

Die Ventilkammer 2 ist auf der Einlaßseite durch einen ringförmigen Einsatz 10 abgeschlossen, der einen Sitz 11 für eine metallische Dichtung und auch einen Sitz 12 für eine elastomere Dichtung mit dem Verschlußstück 3 bildet, wobei beide Sitze im Abstand voneinander ausgebildet sind.

Die Sitze 11 und 12 sind nach innen abgr.jtuft und haben zur Bewegungsrichtung des Verschlußscücks 3 senkrechte Sitzflächen. Der Durchmesser des Sitzes 11 ist größer als der Durchmesser des Sitzes 12. Der Sitz 12 ist genügend breit, um einen am Verschlußstück 3 befestigten O-Ring 13, der Teil der elastomeren Dichtung ist, aufnehmen zu können.

Das Verschlußstück 3 trägt einen scheibenähnlichen Absatz 14, dessen Stirnfläche mit dem Sitz 11 zur Bildung einer metallischen Dichtung unter der Wirkung der Druckfeder 8 zusammenarbeitet. Vom Absatz 14 erstreckt sich zentral in den ringförmigen Einsatz 10 ein O-Ring-Haltefortsatz 15 mit einer den O-Ring 13 tragenden Umfangsnut 16.

Das Verschlußstück 3 wird von der Druckfeder 8 in seiner Ruhestellung gehalten, in der die Stirnseite des Absatzes 14 am Sitz 11 des Einsatzes 10 aufliegt. Vor diesem Eingriff ist der O-Ring 13 bereits in EingriiTmit dem Sitz 12 des Einsatzes 10 gekommen, so daß der O-Ring 13 leicht verformt wird, wenn die Fläche 14 den Sitz 11 berührt. Auf diese Weise werden eine metallische und auch eine elastomere Dichtung gebildet. Der Abstand zwischen den Sitzen 11 und 12 ist so gewählt, daß die beim Schließen des Ventils auftretende Verformung des O-Rings dessen Elastizitätsgrenze nicht überschreitet. Auf diese Weise wird jegliche vorzeitige Verschlechterung der elastomeren Dichtung verhindert.

Das Verschlußstück 3 ist mit einer Querbohrung 17 versehen, die mit dem Auslaß 6 des Ventils in Verbindung steht. Es können aber auch Anordnungen für den Fluidstrom getroffen werden, solange das Verschlwßstück mit den beiden Sitzen in der Ventilkammer zusammenarbeitet.

U nter Dezugnahme auf F i g. 2 ist erkennbar, daß der Winkel β zwischen der Ebene des Si tzes 12 und der Achse des Haltefortsatzes 15 90° beträgt, genauso wie der Winke! α zwischen der Achse und der Fläche 14.

Anfänglich ist der Querschnitt des O-Rings kreisförmig mit einem Radius R₀ und am Ende des Schließzyklusses besteht der Querschnitt aus zwei halbkreisförmigen Endbereichen mit dem Radius Λ, und einem mittleren rechteckförmigen Bereich der Breite 2 Y₁ und der Höhe H. Nachdem die Kompression des O-Rings in der X-Richtung X₁ beträgt, folgt hieraus: .

/?i = R₀ - X].

Da der Haitefortsatz 15 so ausgebildet ist, daß er sicherstellt, daß er den O-Ring während dessen Deformation nicht beeinträchtigt oder einzwängt, bleibt die Querschnittsfläche des O-Rings konstant und hieraus folgt:

7^ Rl = >"s R] + H ■ 2 Y]
oder

-7^r- n2 _ -7*7- /n _ V \2 ι τ in _ V \ ") V ^5

/ \ Λ ο — / \ \I\₀ — A]) TZ \I\ Q A]) Z I ]

oder, allgemein für alle Werte von χ undj>:

7\ Rl =7\(R₀- x)² +4(R₀- x)₂ y (A)

4 (A₀ - x)y=7\Rl-7\ (R₁₁ - x)²
oder

_v = zi \(-Jl-)-(R -_x]

4 Un XJ ° ^{( )}

Die Gleichung (B) ist die Gleichung der ^-Koordinate der aufeinander folgenden Mittelpunkte des Radius, während sich der Radius vom anfänglichen Wert R₀ zu dem Endwert R₁ bewegt.

Wie aus F ig. 2 ersichtlich, weist der Haltefortsatz 15 einen Kopfteil 18 auf, einen ersten konischen Abschnitt 19, eine gekrümmte Zone 20, einen zweiten konischen Abschnitt 21 und einen Unterteil 22. Der Abschrägungswinkel des Abschnittes 19 kann mit (90° - y₀) definiert werden (siehe rechte Seite von F i g. 2) und der Abschriigungswinkel des Abschnittes 21 durch den Ausdruck (90° - 2 y_f) (siehe linke Seite der Fig. 2).

Die gekrümmte Zone 20 stellt einen weichen Übergang zwischen den konischen Abschnitten 19 und 21 dar, und der inkremental Wert des Winkels yeinesjeden Inkrements der gekrümmten Zone kann aus der Beziehung bestimmt werden
ic

cot γ = dy/dx, (C)

da bei jedem Inkrement der Haltefortsatz die Tangente zu dem O-Ring darstellt (siehe Fig. 3).
Bei Kombination der Gleichungen B und C wird die folgende Beziehung erhalten:

co y - —

wobei diese Gleichung die Form der gekrümmten Zone 20 darstellt.
Wenn χ = X₀, d. h. wenn der O-Ring nicht deformiert ist, dann folgt hieraus:

cot Y₀ =—-4

2 Y₀ = 65°,

was bedeutet, daß die Neigung y₀ des konischen Abschnitts 19 unabhängig von der Größe des O-Rings ist. Daher sollte der Abschrägungswinkel des konischen Abschnitts nicht fräßer als 25° sein.

Der Winkel 2 y_A ist abhängig von der Größe des O-Rings, aber die Streuung der Werte ist nicht groß, da die üblicherweise verfügbaren O-Ringe im Bereich eines Querschnittsradius von ca. 1,8 bis 7 mm liegen, wie aus der folgenden Tabelle ersichtlich ist, in der A₀ - X\ den Querschnittsradius des O-Rings bei maximaler Kompression bedeutet und in der der Wert y_t: aus der oben aufgeführten Gleichung D abgeleitet ist:

R₁, 1,8 mm 2,6 mm 3,5 mm 5,3 mm 7,0 mm

0.103" 0.139" 0.210"

Ri₁-X] 1,4 mm 2,2 mm 2,9 mm 4,45 mm 6,0 mm

0.175" 0.236"
2y, 52.84° 55.22° 54.71° 55.11° 56.74°

Um daher eine kommerziell verwertbare Ausfuhrungsform zu erhalten, ist lediglich ein einfaches, übliches Werkzeug zur Ausbildung der Oberfläche des ersten konischen Abschnitts 19 und ein Werkzeug für die gekrümmte Zone 20 und den inneren konischen Abschnitt 21 erforderlich, welches für die Größe des O-Rings geeignet ist.

Die Lebensdauer des O-Rings kann weiterhin dadurch verlängert werden, daß der O-Ring vorgespannt wird, um eine Abnutzung bzw. ein Festfressen auf den Ventilsitzflächen zu vermeiden. Fig. 4 zeigt einen konventionellen O-Ring in einem freien und in einem zusammengedrückten Zustand, wobei:

D den Abstand vom Mittelpunkt zum Mittelpunkt des freien O-Rings,

d den Querschnittsdurchmesser des freien O-Rings,

A die Breite des zusammengedrückten O-Rings,

H die Höhe des zusammengedrückten O-Rings, und

0/2 die Verschiebung des Querschnittsmittelpunkts vom freien zum zusammengedrückten Zustand bedeuten.

Um eine Abnutzung zu vermeiden, muß die Spannungsdehnung an den äußeren Fasern (OF) gleich und entgegengesetzt der Kompressionszusammendrückung an den inneren Fasern (IF) sein. Die Spannungsdehnung und die Kompressionszusammendrückung sind durch folgendes Verhältnis definiert:

Längenänderung
anfängliche Länge

Aus F i g. 4 folgt, daß

_c . . (D +6+A)-(D +d)

Soannunesdehnune = -—— —

₌ δ+A-d D +d

	+ ö	+ A)	32	35	112
(D		(D -	-(D-	ti)
	-A	- d	d)

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Zusammendrückung = — j{

L
D + d 5

Fs wird daher keine Abnutzung auftreten, wenn:

δ + A - d δ - A + (I _{= 0}

D +(I D - d ^w

d.h.(D - (l){ö + A - d) - (D + ti) (OiA- d)

d. h. δ D + AD - (ID - do + (IA + d² = -δD + AD - (ID - dö + Ad - d^:

d. h. 2(5D= 2 Ad + -2d^: '"

d. h. 6D = (KA - (I)

,j u λ = iijn (A - ti) (F)

Unter Bezugnahme auf F i g. 2 wird eine Abnutzung dann vermieden, wenn der Haltefortsatz so dimensioniert ist, daß, wenn der O-Ring hierauf aufgesetzt ist, der von Mittelpunkt zu Mittelpunkt gemessene Durchmesser um die Vorspannungsdimension δ vergrößert ist, die aus Gleichung E Tür jeden speziellen O-Ring abgeleitet wird.

In der beschriebenen Weise ausgebildete Ventile haben sich im Versuch bei wiederholtem Betrieb mit schnei- 25 ler Taktfolge als extrem zuverlässig und zufriedenstellend bewiesen.

Claims

Patentansprüche:

1. Rückschlagventil mit

5 1) einer Ventil kammer (2),

2) einem ringförmigen Ventilsitz (12),

3) einem in der Ventilkammer (2) hubbeweglich angeordneten Verschlußstück (3) mit einem O-Ring-Haltefortsatz (15),

4) einem elastomeren, auf dem Haltefortsatz des Verschlußstückes angeordneten O-Ring (13), dessen IO Deformation zwischen einer Sitzfläche und einer dieser zugewandten Dichtfläche am Verschlußstück in der Schließstellung durch einen metallischen, dichtenden Anschlag zwischen Verschlußstück und Sitz begrenzt ist, wobei der O-Ring-Haltefortsatz (15)