DE3441348C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Ventilanordnung zur Überführung von Gas niedrigen Drucks von einem Druckbehäl­ ter mit Gas unter höherem Druck zu einem Verbraucher gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
Durch die EP 00 54 717 zählt eine Ventilanordnung zum Stand der Technik, die beispielsweise im Haushalt bei einem Ge­ tränkeautomaten zur eigenen Herstellung von kohlensäurehaltigen Getränken eingesetzt werden kann.
Das Druckreduzierventil ist hierbei unmittelbar in einen zugleich den Ventilkörper bildenden Druckbehälterauf­ satz eingebaut. Es umfaßt einen kolbenartigen Schließkörper, welcher in einer Bohrung des Ventilkörpers gleitet. Druckbe­ hälterseitig ist der Schließkörper durch eine Ventilfeder be­ lastet, welche sich an einem Absatz der Ventilkörperbohrung abstützt. Auf der anderen Seite ist in den Schließkörper ein vorsprungsloser Öffnungsstößel eingeschraubt. Dieser durch­ dringt eine Ventilsitzschraube relativverschieblich, welche in den Ventilkörper eingedreht ist. In der Schließposition ragt der konisch gestaltete Endabschnitt des Öffnungsstößels über die Stirnfläche der Ventilsitzschraube hinaus.
Der Druckregler ist als Membranregler gestaltet. Er bildet Bestandteil eines zweiteiligen Gehäuses, in welches außerdem ein Niederdruck-Sicherheitsventil und ein Rückstrom- Sicherheitsventil in diametraler radialer Anordnung einge­ gliedert sind. Das Reglergehäuse ist mit dem Druckbehälterauf­ satz zusammensteckbar. Auf der dem Öffnungsstößel des Druckre­ duzierventils zugewendeten Seite befindet sich in axialer Aus­ richtung zum Öffnungsstößel ein Öffnungsnocken, der mit der Membran verbunden ist und folglich deren Bewegungen mitvoll­ zieht.
Ein Nachteil der bekannten Ventilanordnung besteht darin, daß die Regelfeder des Druckreglers einen vergleichweise kleinen Durchmesser aufweisen muß. Hiermit wird nämlich erreicht, daß der Durchmesser des innenseitig der Membran liegenden Federtel­ lers begrenzt wird und dadurch der Durchmesser des freien be­ weglichen Teils der Membran nicht auf ein unrealistisches Maß ansteigt. Der geringe Durchmesser der Regelfeder führt aber zu einer relativ großen Federkonstante, wodurch die Einstell­ genauigkeit des Membranreglers eingeschränkt wird. Dieser Sachverhalt wird darüber hinaus noch dadurch ungünstig beein­ flußt, daß sich bei einem längeren wartungslosen Einsatz der Ventilanordnung die Federkonstante ohnehin ändert. Ferner ist der Werkstoff der Membran in aller Regel sehr aufnahmefähig für CO2. Folglich ist zu berücksichtigen, daß in Abhängigkeit von der Einwirkzeit des CO2 auf die Membran diese quillt und damit dicker wird, was ebenfalls eine Änderung der Membranein­ stellung zur Folge hat.
Ein weiterer Nachteil haftet der bekannten Ventilanord­ nung dahingehend an, daß das Druckreduzierventil dem unter hohem Druck stehenden Gas aus dem Druckbehälter eine ziemlich große Angriffsfläche bietet. Es ist demzufolge ein erheblicher Kraftaufwand erforderlich, um das Druckreduzierventil zu Öffnen. Diese Öffnungskraft muß aber dann noch größer sein, wenn durch Temperaturerhöhung der Gasdruck ansteigt. Immerhin ist zu be­ achten, daß die bekannte Ventilanordnung meistens in einem Temperaturbereich von etwa 15°C bis etwa 40°C eingesetzt wird und in diesem Temperaturbereich der Druck in dem Druckbe­ hälter daher zwischen etwa 10 und etwa 140 bar variieren kann. Auf Grund dieser Temperaturabhängigkeit des Gases wächst die Ungenauigkeit beim Zusammenwirken des Druckreglers mit dem Öff­ nungsstößel des Druckreduzierventils, je stärker die Temperatur am Einsatzort variiert. Die bekannte Ventilanordnung ist also nur dann wirklich einwandfrei funktionstüchtig, wenn die Tem­ peratur am Einsatzort bekannt ist, diese Temperatur außerdem konstant bleibt und mithin der Druckregler auf diese Temperatur exakt eingestellt werden kann.
Die US-PS 35 47 143 offenbart ebenfalls einen Membran­ regler mit einem außenseitig sechseckig gestalteten und innen­ seitig hohl ausgebildeten Schließkörper mit einer nachgiebigen Dichtfläche, welcher in einer Kammer unter der Rückstellkraft einer Druckfeder gleitend angeordnet ist. Der Schließkörper weist keinen Öffnungsstößel auf. Der aus Fig. 2 erkennbare Stößel bildet Bestandteil eines Schraubteils, der zur Fest­ legung einer Stützplatte für die Regelfeder an der Membran dient. Das Druckreduzierventil ist in einen zweiteiligen Einsatzteil eingegliedert, welcher für sich über einen Ge­ windestutzen mit der Druckquelle in nicht näher veranschau­ lichter Weise kuppelbar ist. Dadurch bildet der Einsatzteil einen auswechselbaren Tragkörper für den ein zweiteiliges zusammenschraubbares Gehäuse aufweisenden Druckregler.
Die gattungsprägende FR-PS 14 24 269 offenbart ein ein­ stellbares Kolbenventil für Luft zur Regelung der Luftzufuhr von pneumatischen Arbeitsmaschinen. Bei diesem Kolbenventil gelangt Druckluft in einer Größenordnung von 6 at über eine Bohrung, ein Druckreduzierventil und eine Kammer zu einem Aus­ laßkanal, welcher mit dem pneumatischen Arbeitsgerät verbunden ist. Die Druckhöhe des Niederdruckteils wird bestimmt durch die am Öffnungsstößel wirkende Differenzkraft zwischen dem Regelkolben und der Regelfeder. Die Regelfeder ist über eine Kappe und ein Gewinde einstellbar. Der Regelkolben wirkt gleich­ zeitig als Überdrucksicherung und entlüftet in diesem Fall die Kammer über zentrale Längsbohrungen zur Atmosphäre hin. Zwi­ schen den Stirnflächen des Öffnungsstößels und des Kolbens entsteht dann ein Spalt durch Abheben des Regelkolbens vom Öffnungsstößel.
Das bekannte Kolbenventil ist offensichtlich nur für geringere Drücke konzipiert. Mithin sind auch nur geringere Anforderungen an die Präzision und an die Leckage gestellt, was sehr deutlich durch die metallische Abdichtung der Stirn­ flächen von Öffnungsstößel und Kolben zur Trennung der Kammer von der Längsbohrung zum Ausdruck kommt.
Ein weiterer Nachteil sind die vielen Einzelteile, wodurch der Aufbau aufwendig wird.
Das Druckreduzierventil bildet nicht Bestandteil einer austauschbaren Präzisionspatrone. Es setzt sich vielmehr aus einem Bestandteil eines Anschlußblocks bildenden Stutzen und einer auf den Stutzen schraubbaren Haube zusammen, die zu­ gleich den flachen Dichtsitz aufweist und den Öffnungsstößel mit Gleitspiel führt. Eine Feder hält den tellerförmigen Schließkörper am Dichtsitz.
Ein weiterer Nachteil ist die als Manschette ausge­ bildete Kolbendichtung, die folglich einer hohen Reibung aus­ gesetzt ist.
Auch hat die Regelfeder einen vergleichweise geringen Durchmesser. Dieser ist bedingt durch die integrierte Überdruck- Sicherungsfunktion. Da nicht der volle mögliche Federdurchmes­ ser verwirklicht ist, besteht auch keine Führungsfunktion der Regelfeder für den Regelkolben. Dieser kann leicht verkanten, zumal die Kolbenführung nur über die weiche Manschette erfolgt. Ferner haben der kleine Federdurchmesser und die hohe Reibung einen erheblichen Einfluß auf die Regelgenauigkeit.
Schließlich wäre noch anzumerken, daß auf Grund der separaten Einzelteile eine befriedigende Zentrierung sowie Achsfluchtung zwischen dem Druckreduzierventil und dem Regel­ kolben schwierig ist, zumal dies offenbar nur über den Gehäuse­ ansatz und das Gewinde möglich sein dürfte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 beschriebene Ventilanordnung insgesamt wartungsfreundlicher zu gestalten und so zu verbessern, daß sie bei verringertem Bauteileaufwand und höherer Regelgenauigkeit auch bei wechselnden Temperaturen in einem größeren Gasdruckbereich, insbesondere CO2-Gas, ein­ gesetzt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufge­ führten Merkmalen.
Die Ausgestaltung des Druckreduzierventils als integrier­ ter Bestandteil einer als Ganzes auswechselbaren Ventilpatrone erlaubt eine Fertigung mit hoher Präzision und schafft insge­ samt einen wartungsfreundlichen Austauschteil. Der z.B. durch eine Ringschneidendichtung vergleichbar masselose Öffnungs­ stößel gewährleistet ein verzögerungsfreies Regelverhalten. Der definierte Überstand seines freien Endes über die Stirn­ fläche der Ventilpatrone ist exakt einstellbar, und zwar da­ durch, daß diese Einstellung durch Schleifen nach Unter-Druck- Setzen des Druckreduzierventils auf beispielsweise 60 bar er­ folgen kann. Die verschwindend kleine Angriffsfläche für das Gas ist mit dem weiteren Vorteil verbunden, daß sich Temperatur­ erhöhungen und damit verbundene Druckerhöhungen des Gases nur unwesentlich auf die aus dem Kolbenregler stammenden Öffnungs­ kräfte auswirken. Das Regelverhalten der Ventilanordnung bleibt auch ohne Wartung und ohne Nachstellung über einen langen Zeitraum erhalten.
Infolge der speziellen reibungs- und verschleißarm aus­ gebildeten Kolbendichtung kann jetzt eine Regelfeder verwendet werden, die einen großen Außendurchmesser aufweist. Dieser braucht nur geringfügig kleiner als der Außendurchmesser der Kolbendichtung zu sein. Auf diese Weise wird eine günstige, d.h. kleine Federrate erzielt. Das vorteilhafte Verhältnis der Federkraft zum Hub mit der damit verbundenen geringen Federkonstante erlaubt eine außergewöhnlich feinfühlige Ein­ stellung des Kolbenreglers. An dieser Einstellung ändert sich auch nichts, wenn sich die Umgebungstemperaturen und damit die Gastemperaturen ändern. Nachteile durch CO2-Aufnahme sind nicht vorhanden. Die Regelfeder kann einen geringeren Win­ dungsneigungswinkel erhalten, wodurch auch bei einem längeren Einsatz ein Setzen der Regelfeder und das damit verbundene Nachjustieren des Kolbenreglers auf ein Minimum reduziert werden.
Der paßgenaue Einbau des Übergangsstücks in den Regel­ kolben unterstützt mit die hohe Regelgenauigkeit selbst bei wechselnden Temperaturen.
Die DE-OS 21 47 355 offenbart zwar einen Kolbenregler. Im Hochdruckteil ist jedoch lediglich ein tellerförmiger Schließ­ körper vorhanden, der unmittelbar in das Ventilgehäuse einge­ gliedert ist. Ein Öffnungsstößel, der sich mit radialem Abstand durch eine Stufenbohrung erstreckt, ist dem Schließkörper nicht zugeordnet. Ferner wird nicht der volle mögliche Fe­ derdurchmesser der Regelfeder genutzt. Es ist keine Führungs­ funktion der Regelfeder für den Regelkolben vorhanden. Es wird folglich nur ein einteiliger einfacher Druckluftregler mit einem Niederdruckkolben und einer Kolbendichtung offen­ bart. Der Hochdruckteil ist nicht als Präzisionspatrone aus­ wechselbar. Es sind nur lose Einzelteile vorhanden.
Auch die GB-PS 20 66 932 zeigt nur einen einteiligen Gasdruckregler mit Niederdruckkolben und Kolbendichtung. Der Hochdruckteil ist jedenfalls nicht als Präzisionspatrone aus­ wechselbar und besteht aus einzelnen Elementen.
Die CH-PS 1 92 201 zeigt schließlich einen einteiligen Membran-Druckregler. Der Hochdruckteil ist nicht als Präzi­ sionspatrone auswechselbar und hat nur lose Einzelelemente. Allerdings wird auf Seite 2, Spalte 1, 3. Abs. die Möglich­ keit erwähnt, bei Abdichtung des Kolbens die Membran entfal­ len zu lassen.
Die Merkmale des Anspruchs 2 gestatten es, die erfin­ dungsgemäße Ventilanordnung vielseitig zu verwenden. Die Integration des Druckreglers und der Ventilpatrone in ein und denselben Gehäuseaufsatz erlaubt insbesondere den An­ schluß an ein übliches Gasflaschen-Ventil. Evtl. Zusatzein­ richtungen, wie Rückschlagventile, Sicherheitsventile und Druckentlastungen können wahlweise ergänzend integriert wer­ den.
Eine besonders kompakte Ausführungsform besteht in den Merkmalen des Anspruchs 3. Auch wird die Wartung hier­ durch wesentlich erleichtert.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Querschnitt, teilweise um 90° versetzt, eine Ventilanordnung zur Überführung von Gas niedri­ gen Drucks von einem Druckbehälter mit Gas unter höherem Druck zu einem Verbraucher;
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer solchen Ventil­ anordnung, ebenfalls im Schnitt und
Fig. 3 in vergrößerter Darstellung im Querschnitt eine Ventilpatrone mit einem Druckreduzierventil zur Eingliederung in die Ventilanordnungen der Fig. 1 und 2.
Die in der Fig. 1 veranschaulichte Ventilanordnung 1 kann z.B. mit einem Druckbehälter 2 verbunden werden, der als Gasflasche ausgebildet ist und unter Druck stehendes CO2-Gas enthält.
Das CO2-Gas dient beispielsweise zur Herstellung von kohlensäurehaltigen Getränken im Haushalt. Zu diesem Zweck muß der Druck des CO2-Gases im Druckbehälter 2 auf das Druckniveau gesenkt werden, mit welchem das nicht dargestellte Verbrauchs­ gerät betrieben wird.
Die Ventilanordnung 1 umfaßt zunächst ein Druckreduzier­ ventil 3 als integrierter Bestandteil einer Ventilpatrone 4. Die aus der Fig. 3 näher erkennbare Ventilpatrone 4 ist gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 in einen gehäuseartigen Druck­ behälteraufsatz 5 auswechselbar eingeschraubt. Der Druckbe­ hälteraufsatz 5 ist winkelförmig gestaltet und besitzt einen konischen Einschraubstutzen 6. Der Druckbehälteraufsatz 5 kann aber auch gerade ausgebildet sein. Als Überdrucksicherung ist eine Berstscheibensicherung vorgesehen, welche aus einem Berstscheibengehäuse 7 und einer Berstscheibe 8 besteht. Die Berstscheibe 8 ist mittels des Berstscheibengehäuses 7 in dem Druckbehälteraufsatz 5 festgelegt. Das Berstscheibengehäuse 7 ist in eine Gewindebohrung 9 des Druckbehälteraufsatzes 5 ein­ geschraubt, welche mit dem Winkelkanal 10 im Druckbehälterauf­ satz 5 verbunden ist.
Die mit einem Flansch 11 in einer Ausnehmung 12 des Druckbehälteraufsatzes 5 zur Anlage gelangende Ventilpatrone 4 weist eine abgestufte Durchgangsbohrung 13 auf (Fig. 3). Der Endabschnitt des im Durchmesser größeren Längenbereichs der Durchgangsbohrung 13 ist durch einen Sinterfilter 14 ver­ schlossen. Am Sinterfilter 14 stützt sich eine Ventilfeder 15 ab, welche einen zapfenartigen Fortsatz 16 des tellerförmigen Schließkörpers 17 des Druckreduzierventils 3 umgreift. Die Ventilfeder 15 drückt den mit einer Dichtung 18 versehenen Schließkörper 17 gegen einen ringschneidenförmigen Dichtsitz 19 des Patronengehäuses 20, welcher sich in Richtung zum Sin­ terfilter 14 hin erstreckt. Der Schließkörper 17 hat einen erheblichen radialen Abstand zur Wandung der Durchgangsboh­ rung 13. Auf der anderen Seite des Schließkörpers 17 ist ein Öffnungsstößel 21 befestigt, der sich mit radialem Abstand zu der in Richtung zur Stirnfläche 22 des Patronengehäuses 20 enger werdenden Stufenbohrung 23 erstreckt.
Der Überstand des Öffnungsstößels 21 stirnseitig des Patronengehäuses 20 ist durch Schleifen exakt definierbar, wenn die Ventilpatrone 4 in den Druckbehälteraufsatz 5 einge­ setzt und der Druckbehälteraufsatz 5 mit dem Druckbehälter 2 verschraubt ist. Das Druckreduzierventil 3 steht dann unter einem Druck von beispielsweise 60 bar.
Mit dem Druckbehälteraufsatz 5 ist ein Druckregler 24 lösbar gekuppelt (Fig. 1). Der Druckregler 24 ist in einem Gehäuse 25 angeordnet, in welchem zugleich ein Kugel-Rückschlag­ ventil 26, ein Niederdruck-Sicherheitsventil 27 und eine Nieder­ druck-Druckentlastung 28 mit Druckanzeigestift 29 vorgesehen sind. Der Gehäuseabschnitt mit dem Kugel-Rückschlagventil 26, dem Sicherheitsventil 27 und der Druckentlastung 28 ist zu dem Gehäuseabschnitt mit dem Druckregler 24 um 90° versetzt ge­ zeichnet. Die Verbindung erfolgt über den Kanal 30.
Der Druckregler 24 ist als Kolbenregler gestaltet. Umfangsseitig des Regelkolbens 31 ist eine diesen gegen das Reglergehäuse 25 abdichtende reibungs- und verschleißarme Kol­ bendichtung 32 vorgesehen. Der Außendurchmesser der Kolben­ dichtung 32 beläuft sich zum Außendurchmesser der Regelfeder 33 etwa wie 1 : 0,9. Die einerseits sich am Regelkolben 31 abstützende Regelfeder 33 stützt sich andererseits an einer Einstellscheibe 34 ab, welche in das offene Ende 35 des Reg­ lergehäuses 25 eindrehbar ist.
Im Regelkolben 31 ist mit Paßsitz ein Übergangsstück 36 eingesetzt, das in eine Führungsbohrung 37 im Reglergehäuse 25 greift und mit dem Öffnungsstößel 21 zusammenwirkt.
Die in der Fig. 2 veranschaulichte Ausführungsform einer Ventilanordnung 1′ vereinigt den Druckregler 24 und die Ventilpatrone 4 mit dem Druckreduzierventil 3 in einem einzi­ gen Druckbehälteraufsatz 5′. Das mit dem Regelkolben 31 ver­ bundene Übergangsstück 36′ ist hierbei hülsenartig ausgebil­ det und übergreift das freie Ende der Ventilpatrone 4.
Der Einbau der Ventilpatrone 4 des Regelkolbens 31 und der Regelfeder 33 erfolgt nach dem Entfernen einer Ein­ stellhülse 38, welche durch eine Schutzhaube 39 abdeckbar ist. Die Schutzhaube 39 wird auf die Einstellhülse 38 geklemmt. Der Gewindeanschluß 40 des Druckbehälteraufsatzes 5′ dient zur Festlegung an einer Gasflasche 2. Der Stutzen 41 führt zum Verbraucher. Es können aber auch bei dieser Ausführungsform wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 ein Kugel-Rückschlag­ ventil 26, ein Niederdruck-Sicherheitsventil 27 und eine Niederdruck-Druckentlastung 28 mit Druckanzeigestift 29 zu­ sätzlich integriert werden.
Die Wirkungsweise der Ventilanordnung 1 der Fig. 1 ist wie folgt:
Zur Entnahme von CO2-Gas wird das Reglergehäuse 25 mit dem Druckbehälteraufsatz 5 verbunden. Das Druckreduzierventil 3 ist geschlossen. Übergangsstück 36 und Öffnungsstößel 21 berüh­ ren sich nicht.
Wird nun über die Entnahmeleitung 43 Gas vom Verbraucher entnommen, sinkt der Druck im Kolbenraum 42. In Abhängigkeit von der Einstellkraft der Regelfeder 33 wird über das Übergangs­ stück 36 der Öffnungsstößel 21 verlagert, so daß das Reduzier­ ventil 3 öffnet und Gas nachströmen kann.
Dadurch, daß die Druckanzeige- und Niederdruck-Ent­ lastungsvorrichtung 28 sowie das Niederdruck-Sicherheitsventil 27 im Reglergehäuse 25 über einen Kanal 44 miteinander verbunden und schaltungstechnisch dem Kugel-Rückschlagventil 26 nachgeord­ net sind, kann auch bei geschlossenem Kugel-Rückschlagventil 26 und bei abgeklemmtem Druckbehälter 2 entlüftet und der Druck angezeigt sowie ein Überdruckschutz gewährleistet werden.
Wird ein vorgeschriebener Höchstdruck im System über­ schritten, so spricht das Niederdruck-Sicherheitsventil 27 an, indem sich der Schließkörper 45 gegen die Rückstellkraft der Feder 46 von dem Dichtsitz 47 abhebt und das Gas abströmen kann.
Der Druckanzeigestift 29 der Niederdruck-Druckentla­ stung 28 zeigt an, wenn der Druckbehälter 2 leer ist. In diesem Fall wird der Druckanzeigestift 29 durch die Kraft der Feder 48 nach innen verlagert und steht nicht mehr sichtbar vor.
Die Wirkungsweise der Ventilanordnung 1′ der Fig. 2 entspricht derjenigen der Ventilanordnung 1 mit der Einschrän­ kung, daß bei der Ventilanordnung 1′ der Druckbehälteraufsatz 5′ zugleich das Reglergehäuse bildet und somit mit einem Druckbe­ hälter direkt verbunden ist.

Claims (3)

1. Ventilanordnung zur Überführung von Gas niedrigen Drucks von einem Druckbehälter mit Gas unter höherem Druck zu einem Verbraucher, welche ein Druckreduzierventil mit einem federbelasteten, mit radialem Abstand zu der ihn umgebenden Gehäusewand angeordneten, an einem dem Druckbehälter zugewen­ deten Dichtsitz sich abstützenden tellerförmigen Schließkörper sowie einen mit diesem verbundenen Öffnungsstößel und einen auf den Öffnungsstößel wirkenden Druckregler mit einer Regelfeder umfaßt, der als Kolbenregler mit einer den Regelkolben gegen das Reglergehäuse abdichtenden Kolbendichtung ausgebildet ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) das Druckreduzierventil (3) bildet einen integrierten Bestand­ teil einer in einem gehäuseartigen Druckbehälteraufsatz (5, 5′) auswechselbar gelagerten Ventilpatrone (4);
  • b) der mit definiertem Überstand stirnseitig des Patronengehäuses (20) vorkragende Öffnungsstößel (21) erstreckt sich mit radia­ lem Abstand durch eine im Patronengehäuse (20) vorgesehene, in Richtung zum Druckregler (24) enger werdende Stufenbohrung (23);
  • c) im Regelkolben (31) ist ein Übergangsstück (36, 36′) mit Paß­ sitz zentriert eingesetzt.
2. Ventilanordnung nach Anspruch 1 , dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druckregler (24) und die Ven­ tilpatrone (4) mit dem Reduzierventil (3) in ein und den­ selben Gehäuseaufsatz (5′) integriert sind.
3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (24) mit einem Kugel-Rückschlagventil (26), einem Niederdruck-Sicher­ heitsventil (27) und einer Niederdruck-Druckentlastung (28) mit Druckanzeigestift (29) in einem gemeinsamen Gehäuse (25) angeordnet ist, welches mit dem die Ventilpatrone (4) auf­ nehmenden Gehäuseaufsatz (5) zusammengesteckt werden kann.
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