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Rückschlagventil
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Rückschlagventil für mit Flüssigkeit
gefüllte Rohrleitungen, mit einem am Ventilsitz zur Anlage bringbaren Ventilteller,
mit einem mit dem Ventilteller verbundenen, in einem separaten Dämpfungsraum verschiebbaren
Dämpfungskolben und mit einem Druckausgleichskanal für das vom Dämpfungskolben während
des Schließvorganges verdrängte Medium.
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Es ist bereits ein Rückschlagventil für mit Flüssigkeit gefüllte Rohrleitungen
auf dem Markt, bei dem der Ventilteller an einem Ventilschaft befestigt ist, der
an seinem anderen Ende einen in einem Dämpfungsraum verschiebbaren Dämpfungskolben
trägt. Zwischen dem Außenumfang dieses Dämpfungskolbens und der Innenwand des Dämpfungszylinders
ist ein Spalt freigelassen, durch den das Medium von der einen zur anderen Seite
des Dämpfungskolbens überströmen kann. Bei dieser Konstruktion kann die Schließgeschwindigkeit
bei Annäherung des Ventiltellers an den Ventilsitz nur begrenzt verringert werden,
weil der Innendurchmesser des Dämpfungszylinders nicht auf den Außendurchmesser
des Dämpfungskolbens zurückgenommen werden kann und einige 1/10 mm Spiel belassen
werden müssen. Andernfalls ist mit einem Verklemmen des Dämpfungskolbens im Bereich
der Verjüngung zu rechnen.
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Die mit diesem Rückschlagventil bestenfalls erreichbare Verzögerung
der Schließgeschwindigkeit ist daher zu gering um Wasserschläge bzw. Druckstöße
in der Rohrleitung nennenswert zu dämpfen. Weil die Fließgeschwindigkeit unmittelbar
nach der Umkehr der Fließrichtung meist noch zunimmt, erzeugt ein solches unzureichend
gedämpftes
Rückschlagventil wegen seiner verlängerten Schließzeit häufig noch stärkere Wasserschläge
bzw.
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Druckstöße als ein völlig ungedämpftes schnell schliessendes Ventil.
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Es ist auch ein Rückschlagventil für mit Flüssigkeit gefüllte Rohrleitungen
bekannt, bei dem der Dämpfungskolben des Rückschlagventils zur Verringerung von
Druckstößen an der Innenwand des Dämpfungsraumes dicht anliegt und der Ventilschaft
dafür über Bohrungen mit den Volumina beiderseits des Dämpfungskolbens sowie mit
dem abzusperrenden Medium im Bereich des Ventiltellers verbunden ist. Durch diese
Konstruktion wird das vom Dämpfungskolben während des Stellvorganges verdrängte
Medium gezwungen, über die Bohrung im Ventilschaft auf die andere Seite des Dämpfungskolbens
zu strömen. Bei der Annäherung an die Schließstellung wird bei diesem Ventil der
Zuflußquerschnitt zu dieser Bohrung im Ventilschaft durch einen in die Führung des
Ventilschaftes eintauchenden Drosselring weiter eingeengt. Bei diesem Rückschlagventil
verläuft der Schließvorgang so langsam, daß Wasserschläge bzw. Druckstöße in der
Rohrleitung verringert werden. Aber auch hier gilt, daß zwischen dem Drosselring
und seiner Gegenfläche in Verlängerung der Führung des Ventilschaftes ausreichend
Spiel bleiben muß um ein Verklemmen desselben sicher auszuschließen. Das wiederum
hat zur Folge, daß mit dieser Konstruktion nicht beliebig starke Verzögerungen der
Stellgeschwindigkeit bei Annäherung an die SchlieB-stellung erreichbar sind. Darüber
hinaus führt diese Konstruktion insbesondere bei großen Leitungsquerschnitten und
den damit verbundenen größeren Stellwegen des Ventiltellers zu sehr langen Schließzeiten,
die sie für viele Anwendungen ungeeignet macht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rückschlagventil zu
entwickeln, das einerseits Druckstöße deutlich vermindert, andererseits jedoch möglichst
schnell schließt, um auch strengen Anforderungen eines Rückflußverhinderers oder
Rückschlagventil gerecht zu werden.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in
den Ansprüchen 2 bis 11 beschrieben.
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Der bzw. die in der Zylinderwandung des Dämpfungsraumes eingelassenen
Druckausgleichskanäle lassen, solange sich der Dämpfungskolben in ~ihrem Bereich
bewegt - das ist der größte Teil des Stellweges des Ventiltellers - eine so gut
wie ungebremste Stellgeschwindigkeit zu. Hierdurch wird die Schließzeit des Rückschlagventils
verkürzt und im wesentlichen bestimmt. Im letzten Teil des Stellweges, kurz vor
dem Auftreffen des Ventiltellers auf dem Ventilsitz, wenn der Druckunterschied zwischen
der An-und Abströmseite des fVentiltellers ansteigt und der Dämpfungskolben die
Druckausgleichskanäle abdeckt, kann das vom Dämpfungskolben verdrängte Medium nur
noch über den Abströmkanal ausströmen. Dadurch wird die Geschwindigkeit des Dämpfungskolbens
auf einen wesentlich kleineren Wert, der im wesentlichen dem Querschnitt dieses
Abströmkanels entspricht, herabgesetzt. Weil der Ventilteller mit dieser langsamen
Geschwindigkeit jedoch nur noch einen sehr geringen Stellweg zurückzulegen braucht,
wirkt sich die damit verbundene Zeitverzögerung beim vollständigen Schließen nicht
mehr nennenswert auf die Gesamtschließzeit des Rückschlagventils aus. Darüber hinaus
kann die Stellgeschwindigkeit infolge dieser Abbremsung des Ventiltellers unmittelbar
vor dem Aufprall auf den Ventilsitz während des übrigen Stellweges des
Ventiltellers
wesentlich höher gewählt werden, als sie zulässig wären, wenn sie bis zum Aufprall
auf den Ventilsitz beibehalten würde.
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Druckdifferenzen zwischen dem Dämpfungszylinder und dem abzusperrenden
Medium lassen sich vermeiden, wenn der Druckausgleichskanal mit dem in der Rohrleitung
abzusperrendem Medium kommuniziert. Dies läßt sich besonders einfach erreichen,
wenn der Druckausgleichskanal ein in der Wandung des Dämpfungszylinders eingelassener
Durchbruch ist. Werden Druckausgleichskanäle darüber hinaus gleichmäßig auf den
Umfang des Dämpfungszylinders verteilt, so ist der Strömungswiderstand im Bereich
dieser Druckausgleichskanäle im Verhältnis zu ihrem Querschnitt minimiert und die
Stellgeschwindigkeit maximiert.
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Eine besonders einfache Form des Abströmkanals bestünde in einer im
Dämpfungskolben eingebrachten Bohrung. Die Stellgeschwindigkeit im letzten Abschnitt
des Schließweges des Ventiltellers entspricht dann ihrem Querschnitt.
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Eine andere, besonders einfache und zugleich zweckmäßige Konstruktion
ergibt sich, wenn der Durchbruch des Druckausgleichskanals in der Wandung des Dämpfungszylinders
die Form eines parallel zur Druckausgleichszylinderachse ausgerichteten länglichen
Schlitzes hat. Hierdurch wird die Voraussetzung geschaffen, durch bloße Fortsatzbildung
zugleich auch den Abströmkanal mit zu gestalten.
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Durch die Anbringung eines Fortsatzes am Druckausgleichskanal läßt
sich die Geschwindigkeit des Ventiltellers allein durch die Veränderung des Querschnitts
des Fortsatzes in jeder einzelnen, der Schließposition vorgelagerten Wegestrecke
individuell an die Eigenresonanzen
und sonstigen Erfordernissen
des Rohrleitungssystems anpassen.
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Besonders große Verzögerungen der Schließgeschwindigkeit lassen sich
erreichen, wenn der Abströmkanal durch den Spalt zwischen Ventilschaft und Schaft
führung in der Stirnseite des Dämpfungszylinders gebildet wird. Hierbei kann die
Verzögerung bedarfsweise ohne größeren Aufwand beliebig hoch getrieben werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in den Figuren
dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt
durch das erfindungsgemäße Rückschlagventil, Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Wand
des Dämpfungszylinders mit zwei eingelassenen Druckausgleichskanälen und Fig. 3
einen Ausschnitt aus der Wand des Dämpfungszylinders mit zwei anderen eingelassenen
Druckausgleichskanälen In der Fig. 1 erkennt man das Gehäuse 1 des Rückschlagventils
2 mit der auf der einen Seite angeschweißten Rohrleitung 3 für das anströmende Medium,
und der an der unteren Seite angeschweißten Rohrleitung 4 für das abströmende Medium.
Das Gehäuse 1 des Rückschlagventils 2 trägt gegenüber der Rohrleitung 3 für das
anströmende Medium einen Deckel 5, an dem ein Dämpfungszylinder 6 angeschraubt ist.
In der dem Deckel gegenüberliegenden Stirnseite 7 des Dämpfungszylinders 6 ist eine
Bohrung 8 für den Durchtritt des Ventilschaftes 9 eingelassen. Der Ventilschaft
9 trägt an seinem einen Ende einen im Dämpfungszylinder 6 ver-
schiebbaren
Dämpfungskolben 10 und an seinem anderen Ende einen Ventilteller 11. Letzterer liegt
bei geschlossenem Rückschlagventil 2 am Ventilsitz 12 des Gehäuses 1 an.
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Der Dämpfungszylinder 6 trägt über seinem Umfang verteilt schlitzförmige
Druckausgleichskanäle 13 bis 160 Durch diese kommuniziert sein Innenraum mit dem
abzusperrenden Medium in der Rohrleitung 4. Die Druckausa gleichskanäle erstrecken
sich parallel zum Ventilschaft 9 und überdecken mit Ausnahme eines kleinen oberen
und unteren Randbereichs nahezu den gesamten Hubweg des Dämpfungskolbens 10. Der
Dämpfungskolben 10 selbst ist auf seiner in Öffnungsrichtung vorderen Stirnseite
17 soweit am Rande abgeschrägt, daß das Medium - wenn auch mit verringertem Querschnitt
- auch noch in seiner, der geöffneten Stellung des Ventils entsprechenden E-tremstellung
durch die Druckausgleichskanäle 13 bis 16 entweichen kann. Diese Abschrägung 18
im Randbereich fehlt auf der in Öffnungsrichtung rückwärtigen Kante des Dämpfungskolbens
10. Stattdessen besitzt der Dämpfungskolben, wie Fig. 1 deutlich zeigt, eine Durchgangsç
bohrung 19, die auch noch bei Erreichen der Schließ stellung als Abströmkanal für
das verdrängte Medium dient.
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Wird das Rückschlagventil 2 in Durchlaßrichtung angeströmt, so hebt
das in Pfeilrichtung anströmende Medium den Ventilteller 11 vom Ventilsitz 12 ab
und drückt diesen mitsamt dem Ventilschaft 9 und Dämpfungskolben 10 in die in der
Fig. 1 strichpunktiert angedeuteten obere Extremstellung. Kurz vor Erreichen der
obersten Extremstellung verengt sich der Ausströmquerschnitt zwischen dem abgeschrägten
Rand 18 des Dämpfungskolbens 10 und den Druckausgleichkanälen 13 bis 16
derart,
daß die Stellgeschwindigkeit des Ventiltellers 11 soweit verringert wird, daß Schäden
durch den Anschlag des Ventiltellers 11 oder des Dämpfungskolbens 10 am Dämpfungszylinder
6 vermieden werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß beim Öffnen des Rückschlagventils
2 die Stellkräfte des Mediums, d.h. der Druckunterschied zwischen den Rohrleitungen
3, 4 beiderseits des Ventiltellers 11 immer kleiner werden.
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Wird das Rückschlagventil 2 vom rückströmendem Medium angeströmt -
vertauschen sich also An- und Abströmseite - so drückt das Medium den Ventilteller
11 im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 nach unten. Hierbei wächst der Druckunterschied
am Ventilteller 11 während des Schließvorganges. Dabei wird zunächst das im Ausführungsbeispiel
unterhalb des Dämpfungskolbens 10 im Dämpfungszylinder 6 befindliche Medium durch
die Druckausgleichkanäle 13 bis 16 in dem Dämpfungsraum oberhalb des Dämpfungskolbens
10 gedrückt. Infolge der verhältnismäßig großen Querschnitte der Druckausgleichskanäle
ist die Stellgeschwindigkeit des Ventiltellers in diesem Stellbereich kaum gebremst.
Bei der Annäherung des Ventiltellers 11 an den Ventilsitz 12 deckt der Dämpfungskolben
10 von einer bestimmten Stellung an die unteren Ränder der Druckausgleichskanäle
zunehmend ab. Ist mit Hilfe von Kolbenringen für Dichtigkeit zwischen der Innenwand
des Dämpfungszylinders und dem Dämpfungskolben und zwischen dem Ventilschaft und
der Ventilschaftführung gesorgt worden, so kann das vom Dämpfungskolben verdrängte
Medium schließlich nur noch durch den Abströmkanal - im Ausführungsfall der Fig.
1 ist das die Durchgangsbohrung 19 durch den Dämpfungskolben 10 - auf dessen andere
Seite strömen. Infolge des verhältnismässig kleinen Querschnitts dieser Durchgangsbohrung
verringert sich dabei die Geschwindigkeit des Dämpfungs-
kolben
10 auf einen sehr kleinen Wert, der dem Querschnitt des Abströmkanals 19 und der
Zähigkeit des Mediums proportional ist. Durch entsprechende Dimensionierung des
Abströmkanals kann die maximale Schließgeschwindigkeit des Ventiltellers 11 während
dieses letzten Wegstückes vor dem Aufsetzen auf den Ventilsitz 12 vorbestimmt werden.
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Wie die Ausführungsbeispiele der Fig. 2 und 3 zeigen, ist es aber
auch möglich, die Durchgangsbohrung 19 im Dämpfungskolben ganz weg zu lassen und
stattdessen einen oder mehrere der Druckausgleichskanäle 20, 22 auf ihrem unteren
Ende mit einem Fortsatz 24, 25 veränderlichen Querschnitts zu versehen. In diesem
Fall kann bei Annäherung des Ventiltellers an den Ventilsitz Medium vom Dämpfungskolben
26, 27 durch den Fortsatz 24, 25 eines der Druckausgleichskanäle 20, 22 verdrängt
werden. Die zum jeweils wirksamen Strömungsquerschnitt proportionale Stellgeschwindigkeit
kann so durch die Formgebung des Fortsatzes für jede Wegposition des Dämpfungskolbens
26, 27 festgelegt werden. Die Stellgeschwindigkeit läßt sich so bedarfsweise kontinuierlich
oder progressiv verkleinern oder auch auf einen entsprechend kleinen Wert konstant
halten. So zeigt das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 einen Druckausgleichskanal 20,
bei dem der Dämpfungskolben 26 und somit auch der mit ihm verbundene Ventilteller
infolge quadratischer Abnahme des freien Querschnitts progressiv verzögert wird,
bis er im letzten Teilstück, im Bereich des parallelen Teils des Fortsatzes 24,
infolge linearer Abnahme des freien Querschnitts, sich mit einer kontinuierlichen
Verzögerung dem Ventilsitz nähert.
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Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 bewirkt der Fortsatz 25 des Druckausgleichskanals
22 eine bis zuletzt progressive Verringerung der Stellgeschwindigkeit des Ventiltellers
beim Schließvorgang.
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Die Verringerung der Schließgeschwindigkeit des Ventiltellers vor
dem Aufsetzen auf den Ventilsitz verhindert Druckstöße im Rohrleitungssystem. Die
durch Verlangsamung der Schließgeschwindigkeit kurz vor dem Aufsetzen des Ventiltellers
auf den Ventilsitz bewirkte Verlängerung der Schließzeit kann durch die nun vorher
größeren zulässigen Stellgeschwindigkeiten wieder kompensiert werden. Bei im oder
unter dem Sekundenbereich liegenden Schließzeiten können aber auch bei verringerten
Schließgeschwindigkeiten noch Druckstöße erzeugt werden. Solche Druckstöße lassen
sich durch nichtlineare, etwa progressive Verzögerungen, noch weiter verringern.
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13 Patentansprüche 3 Figuren
Bezugszeichenliste Gehäuse
1 Rückschlagventil 2 Rohrleitung 3, 4 Deckel 5 Dämpfungszylinder 6 Stirnseite 7
Bohrung 8 Ventilschaft 9 Dämpfungskolben 10 Ventilteller 11 Ventilsitz 12 Druckausgleichskanal
13, 14, 15, 16 vordere Stirnseite 17 Abschrägung 18 Durchgangsbohrung 19 Druckausgleichskanal
20, 21, 22, 23 Fortsatz 24, 25 Dämpfungskolben 26, 27
- Leerseite
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