DE3512509C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein derartiges Ventil ist allgemein bekannt und beispielsweise in Fig. 1 im Halbschnitt dargestellt. Die Gehäusewandung 1 des Ventils 11 enthält eine Lufteintrittsöffnung 2 und eine Luftaustrittsöffnung 3, wobei die Lufteintrittsöffnung 2 mit einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Ringkanal 4 in direkter Verbindung steht. Der Ringkanal 4 wird durch einen Teil der Gehäusewandung 1, eine rohrförmige Innenwand 5 mit zugehörendem Dichtwulst 6, eine ringförmige Stirnwandung 7 und durch die kleinere Kolbenfläche eines Ventiltellers 9 eines Differentialkolbens begrenzt. Der Differentialkolben weist zusätzlich einen Schaft 10 auf, an dem in seinem oberen Bereich 14 ein Führungsteil 15 mechanisch befestigt ist. Das Führungsteil 15 ist - ebenso wie der Ventilteller 9 - in der Gehäusewan­ dung 1 derart gelagert, daß der Differentialkolben im Gehäuse axial ver­ schiebbar ist. Bei einer axialen Verschiebung des Differentialkolbens wird entweder eine Öffnung 20, die sich zwischen dem Dichtwulst 6 der rohrförmigen Innenwandung 5 und einem in dem Ventilteller 9 eingelassenen Dichtring 13 ergibt, geöffnet oder geschlossen. Über diese Öffnung 20, die vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist, erfolgt somit eine Verbindung bzw. eine Unterbrechung zwischen dem Ringkanal 4 und der Luftaustrittsöff­ nung 3. Um einen einwandfreien Betrieb des Ventils zu gewährleisten, sind zusätzliche Dichtungsringe 8 bzw. 12 zwischen der Gehäusewandung 1 und der ringförmigen Stirnwand 7 und zwischen der Gehäusewandung 1 und dem Ventilteller 9 vorgesehen.

Der untere Teil der Gehäusewandung 1 begrenzt zusammen mit der größeren Kolbenfläche des Ventiltellers 9 des Differentialkolbens und mit der Boden­ wandung 22 des Ventils einen Druckraum 19, der über den Ventilteller 9 durchsetzende Bohrungen 21 mit dem Ringkanal verbunden ist. Der Innendruck in dem Druckraum 19 ist über eine oder mehrere mit einem Hilfsventil 24 zusammenwirkende Durchgangsbohrung 23, die in der Bodenwandung 22 angeord­ net sein kann, reduzierbar.

Im Innenraum des Ventils ist eine ringförmige Auflage 17 befestigt, die eine Reihe von luftdurchlässigen Öffnungen 18 aufweist. Die Öffnungen 18 ermöglichen eine ungehinderte strömungsmäßige Verbindung zwischen dem Ring­ kanal 4 und der Luftaustrittsöffnung 3. Die ringförmige Auflage 17 trägt eine Druckfeder 16, die sich an dem Führungsteil 15 des Schaftes des Dif­ ferentialkolbens abstützt. Mittels dieser Druckfedereinrichtung wird eine Mindestdichtkraft im drucklosen Zustand bewirkt.

Die Funktion des bekannten Ventils wird nachstehend erläutert:

Das abzudichtende und durch das Ventil freizugebende Druckgas steht von der mit dem schwarzen Pfeil gezeigten Seite an der Lufteintrittsöffnung 2 und damit in dem Ringkanal 4 an. Bei dem Auffüllen des nicht gezeichneten, an der Luftaustrittsöffnung 3 angeschlossenen Druckbehälters wird gleich­ zeitig über die Bohrungen 21 im Ventilteller 9 der Druckraum 19 mit Druck­ luft gefüllt. Wegen der größeren Kolbenfläche auf der Seite des Druck­ raumes 19 wird der Dichtsitz des Ventiltellers 9 im Bereich der Öffnung 20 nach oben gegen den Dichtwulst 6 der ringförmigen Innenwandung 5 ge­ drückt: Das Ventil schließt.

Wird der Innendruck im Druckraum 19 über die Bohrung 23 mit Hilfe des Hilfsventils 24 abgebaut, so bewegt das auf die Ringfläche des Ventil­ tellers 9 im Ringkanal 4 anstehende Druckgas den Differentialkolben nach unten: Der Weg des Druckgases vom Ringkanal 4 zu der Luftaustrittsöffnung 3 wird freigegeben. Das Ventil wird dadurch wieder geschlossen, daß die Entlüftung des Druckraumes 19 durch Schließen des Hilfsventils 24 beendet wird: Das Ventil schließt.

Ein solches Ventilsystem hat den Nachteil, daß bei großen Ventilquer­ schnitten auch die Kolbenflächen entsprechend groß werden müssen und das dadurch der Druckraum 10 ein verhältnismäßig großes Volumen haben muß. Bei Ventilen für Druckluftleistungsschalter ist die zur Auslösung zur Verfügung stehende Leistung klein, sie liegt im Bereich 100 Watt. Unmittel­ bar läßt sich mit solch einer kleinen Leistung nur ein Ventil vergleichs­ weise kleinen Querschnitts öffnen. Dieses Ventil muß daher ein Servo-Ventil öffnen, das die Entlüftung des Druckraumes 19 hinreichend schnell bewirkt. Auch bei optimaler Auslegung dieses Ventils vergehen vom Auslösebefehl bis zum Öffnen des Hauptventils daher Zeiten von mehr als einer hunderstel Sekunde. Diese Zeit ist für einen Leistungsschalter mit einer Gesamtaus­ schaltzeit von 2 Perioden des abzuschaltenden Stromes ungeeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Öffnungszeit bei großen Ventilquer­ schnitten deutlich vermindert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 14 be­ schrieben.

Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß Druckluftleistungs­ schalter, die zunächst mit einer größeren Ausschaltzeit betrieben werden erst bei Bedarf auf eine kleinere Ausschaltzeit leicht umgerüstet werden können. Eines Eingriffes in andere Teile des Schalters bedarf es dabei nicht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung darge­ stellt, und zwar zeigt

Fig. 2 eine Kolben-Zylinderanordnung mit zugehörenden Bauelementen im Halbschnitt,

Fig. 3 einen Dichtungsteller im Schnitt, und

Fig. 4a und 4b vergrößerte Ansichten der wesentlichen Teile einer Verrie­ gelungseinrichtung.

Aus Fig. 2 ist der untere Teil der Gehäusewandung 1, der Ventilteller 9 und der Druckraum 19 ersichtlich. Anstelle der Bodenwandung 22 aus Fig. 1 ist in Fig. 2 der Druckraum 19 durch den Kolben 30 eines Schieberventils begrenzt. Der Kolben 30 ist in dem Zylinder 33 eines Gehäuseblocks 32 ver­ schiebbar gelagert, der an der Gehäusewandung 1 befestigt ist. Vorzugs­ weise erfolgt die Lagerung des Kolbens 30 in Achsrichtung des Differential­ kolbens (vgl. Ventilteller 9 und Schaft 10 aus Fig. 1). In Schließstellung des Ventils verschließt der Kolben 30 eine Öffnung 35, die zwischen einem am Gehäuseblock 32 befestigten Dichtungswulst 34 und einer Wandung 41 des Gehäuseblocks 32 vorhanden ist. Diese Öffnung 35 ist vorzugsweise ring­ förmig ausgebildet und ermöglicht eine Reduktion des Innendruckes im Druckraum 19.

An der dem Druckraum 19 zugewandten Stirnseite des Kolbens 30 ist ein kreisförmiger Dichtungsteller 36 befestigt, dessen Außenwandung im ge­ schlossenen Zustand der Öffnung 35 an dem vorzugsweise ringförmig ausge­ bildeten Dichtungswulst 34 luftdicht anliegt. Es ist zweckmäßig, den Dichtungswulst 34 in unmittelbarer Nähe der Öffnung 35 an der Innenwan­ dung des Gehäuseblocks 32 zu befestigen. Der Dichtungsteller 36 weist in Achsrichtung eine seine Dicke überragende ringförmige Wandung 37 auf, die bei verschlossener Öffnung 35 durch den im Druckraum 19 herrschenden Druck radial nach außen gegen den ringförmigen Dichtungswulst 34 gepreßt wird.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann die Außenwandung des Dichtungstellers 36 bzw. die ringförmige Wandung 37 an der dem Dichtungswulst 34 zuge­ wandten Seite eine gegen die Achsrichtung des Dichtungstellers 36 ge­ neigte Konusfläche 38 aufweisen, an der bei geschlossener Öffnung 35 der Dichtungswulst 34 eng anliegt. Es ist vorteilhaft, den Dichtungsteller 36 bzw. seine ringförmige Wandung 37 aus einem Elastomer, beispielsweise Polyurethan, herzustellen.

In seinem Dichtungsbereich weist der Kolben 30 einen kreisringförmigen Absatz 31 auf. Zwischen der dem Druckraum 19 abgewandten Stirnseite des Absatzes 31 und einer Kreisringfläche im Gehäuseblock 32 ist ein zweiter Druckraum 40 vorgesehen, der seitlich von der Außenwandung des Kolbens 30 und einer Wandung 41 des Gehäuseblocks 32 begrenzt ist. Dieser zweite Druckraum 40 ist über einen den Gehäuseblock durchquerenden Kanal 42 an die Luftaustrittsöffnung 3 (Fig. 1) oder den Arbeitszylinder des Hochspannungsschalters angeschlossen. An der dem Druckraum 19 abgewandten Stirnseite des Kolbens 30 liegt eine axial zu diesem verlaufende Kolbenstange 43 an, deren anderes Ende mit einem Hilfskolben 44 in mechanisch fester Verbindung steht. Der Hilfskolben 44 ist in einem Hilfszylinder 45 dichtend geführt, in dem auch eine den Hilfskolben 44 und die Kolbenstange 43 in Richtung des Kolbens 30 drückende Druckfeder 46 angeordnet ist. Zudem ist der Innenraum des Hilfszylinders 45 an der federabgewandten Seite 47 des Hilfskolbens 44 mit einem Druck­ luftbehälter verbunden.

Zwischen dem Kolben 30 und dem Zylinder 33 des Gehäuseblocks 32 ist eine Verriegelungseinrichtung vorgesehen. Diese besteht im wesentlichen aus einem geschlitzten, aufspreizbaren Stahlring 51, der in einer ringförmigen Nut 50 an der Außenwandung des Kolbens 30 angeordnet ist, und einem in den Schlitz des Stahlringes 51 eingreifenden, von einem Hilfsantrieb 54 be­ wegbaren Stift 52. Bei dem Hilfsantrieb kann es sich um eine Kolben-Zylin­ dereinheit handeln, deren einzelne Bauelemente nicht näher bezeichnet sind und die durch Druckluft betrieben wird. Als Druckluftquelle kommt bei­ spielsweise der Kompressor in Frage, der die Druckluft für die Luftein­ trittsöffnung 2 (Fig. 1) über ein Magnetventil 55 liefert.

Der Zylinder 33 in dem Gehäueblock 32 weist in einem vorgegebenen, dem zweiten Druckraum 40 benachbarten Bereich einen ersten Durchmesser D ₁ auf, der größer als der für die paßgenaue Führung des Kolbens 30 erforderliche zweite Durchmesser D ₂ ist. Bei verschlossener Öffnung 35 befindet sich die ringförmige Nut 50 des Kolbens 30 zusammen mit dem eingelegten Stahlring 51 im Bereich des ersten Durchmessers D ₁ des Zylinders 33. Eine Verriege­ lung zwischen dem Kolben 30 und dem Zylinder 33 erfolgt durch Aufspreizung des Stahlringes 51 mittels des in seinen Schlitz eingreifenden Stiftes 52 und einer Anpressung des Stahlringes 51 an die Innenwandung des Zylinders 33 mit dem ersten Durchmesser D ₁. Hierzu bedarf es einer nicht näher be­ zeichneten achsparallelen Öffnung im Zylinder 30 zur Führung des Stiftes 52 (wie auch aus dem Teilschnitt der Fig. 4a zu ersehen ist).

Fig. 4b zeigt eine besondere Ausführung des Stahlringes 51 im Verriege­ lungs- bzw. Entriegelungsbereich. Zur Entriegelung des Stahlringes 51 weist dieser eine Ausnehmung 53 auf, deren Durchmesser D ₃ der Schlitzbreite des entspannten Stahlringes 51 und deren Länge der Hublänge des Kolbens 30 entsprechen. Eine derartige Anordnung ermöglicht den unten beschriebenen Verriegelungs- bzw. Entriegelungsvorgang.

Der Kolben 30 kann durch die Kolbenringverriegelung an einer bestimmten Stelle des Zylinders 33 verriegelt werden. Hierzu weist er an der Über­ gangsstelle einen Übergang von einem größeren auf einen kleineren Durch­ messer D ₁ bzw. D ₂ auf (Fig. 4a). Der im Kolben 30 befindliche Stahlring 51 kann durch den Stift 52 gespreizt gehalten werden, so daß der Stahlring 51 dann einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der kleinere Durch­ messer D ₂ des Zylinders 33. Wird der Stift 52 nach oben bewegt durch den Hilfsantrieb 54, dann wird die Verriegelung freigegeben: Die auf dem Dich­ tungsteller 36 anstehende Kraft selbst, bewegt den Kolben 30 nach unten und stellt eine großflächige Verbindung des Druckraumes 19 (s. auch Fig. 1) zu der Außenluft her. Das Ventil öffnet schnell. Da eine Kolbenringver­ riegelung zur Auslösung nur vergleichsweise kleiner Kräfte bedarf, wird bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung die Öffnungszeit deutlich vermindert. Der Stift 52 kann auch statt mit dem in Fig. 2 gezeigten Druckluftantrieb mit einer an sich bekannten elektrodynamischen, nach dem Thomson-Effekt arbeitende Auslöseeinrichtung nach unten bewegt werden. Abgesteuert wird das Ventil dadurch, daß Druckluft, die am nicht dargestellten Arbeits­ zylinder abgegriffen werden kann, über den Kanal 42 unter den Metallkolben (vgl. zweiter Druckraum 40) geleitet wird und diesen nach oben in die Schließstellung bewegt.

Die Dichtung des Ventils wird vom Druck selbst besorgt, der radial auf den Dichtungsteller 36 einwirkt und diesen bzw. dessen ringförmige Wandung 37 radial nach außen gegen den Dichtwulst 34 drückt. Um zu vermeiden, daß im drucklosen Zustand diese Radialkräfte nach außen fehlen und das Ventil beim Auffüllen undicht würde, wird der Dichtungsteller 36 bzw. seine ringförmige Wandung 37 mit einer Konusfläche 38 versehen (Fig. 3). Weiter ist die Kolben­ stange 43 vorgesehen, die mit dem Hilfskolben 44 verbunden ist, und die den Kolben 30 dann nach oben bewegt, wenn kein Druck im Druckbehälter vorhanden ist. In diesem Fall läuft die Konusfläche 38 des Dichtungstellers 36 gegen den feststehenden Dichtungswulst 34 auf und stellt eine einwandfreie Dich­ tung her. In dem Maße, wie der Druck im Druckbehälter aufgebaut wird, wird der Kolben 30 mit dem Dichtungsteller 36 nach unten bewegt in eine Stellung, in der der Dichtungsteller 36 zylindrisch ausgeführt ist. Dann wird das Ventil durch den Druck abgedichtet.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß kleine Überdeckungen des Ventils aus­ geführt werden können, die für ein schnelles Öffnen erforderlich sind (mit Überdeckung ist der zylindrische Teil des Elastomer gemeint oberhalb der Konusfläche 38; dieser Hub muß durchfahren werden, damit das Ventil öffnet).

Mit der konischen Ausführung des Kolbens 30 wird auch eine Dichtung des Ventils für den Fall erreicht, daß der Dichtungsteller 36 im drucklosen Zustand von einer kreisrunden Form abweicht, was bei scheiben- oder zylin­ derförmigen Körpern aus Elastomeren nie ausgeschlossen werden kann. Die Konusausbildung des Dichtungstellers 36 begrenzt auch die axiale Bewegung des Ventilkolbens in Schließstellung.

Claims (14)

1. Steuerventil, insbesondere für Druckluftleistungsschalter, mit einem eine Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnung enthaltenden Ge­ häuse, einem innerhalb des Gehäuses angeordneten, mit der Lufteintritts­ öffnung direkt in Verbindung stehenden Ringkanal, der durch einen Teil der Gehäusewandung, eine rohrförmige Innenwand, eine ringförmige Stirn­ wandung und durch die kleinere Kolbenfläche eines Ventiltellers eines axial im Gehäuse verschiebbaren Differentialkolbens begrenzt ist und der über eine vom Ventilteller verschließbare Öffnung mit der Luftaustritts­ öffnung verbindbar ist, sowie mit einem durch die Gehäuse­ bodenwandung und die größere Kolbenfläche des Ventiltellers des Differentialkolbens begrenzten Druckraum, der über den Ventilteller des Differentialkolbens durchsetzende Bohrungen mit dem Ringkanal ver­ bunden ist und dessen Innendruck über eine mit einem Hilfsventil zu­ sammenwirkende Öffnung reduzierbar ist, wobei in Schließstellung des Steuerventils und des Hilfsventils der Druckraum luftdicht verschlossen ist und bei geöffnetem Steuerventil über das Hilfsventil eine Öffnung zur Reduktion des Innendruckes im Druckraum freige­ geben ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Gehäusebodenwandung des Druckraumes (19) durch einen Dichtungsteller (36) des als Kolbenschieberventil ausgebildeten Hilfsventils gebildet ist, daß der Kolben (30) des Kolbenschieberventils in der Schließstellung des Steuerventils durch eine Verriegelungseinrichtung (51 bis 55) gehalten wird und daß der Kolben (30) des Kolbenschieberventils beim Lösen der Verriegelungseinrichtung (51 bis 55) durch den auf den Dichtungsteller (36) anstehenden Druck im Druckraum (19) bewegbar ist; wodurch eine großflächige Verbindung des Druckraums (19) zu der Außenluft herstellbar ist.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (30) des Kolbenschieberventils mit Dichtungsteller (36) in einem Zylinder (33) eines an der Gehäusewandung (1) befestigten Gehäuseblocks (32) angeordnet ist und daß im geschlossenen Zustand der Öffnung (35) zur Außenluft die Außenwandung des Dichtungstellers (36) an einem ringförmigen Dichtungs­ wulst (34) luftdicht anliegt, der in unmittelbarer Nähe der Öffnung (35) an der Innenwandung des Gehäueblocks (32) vorgesehen ist.

3. Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsteller (36) eine in Achsrichtung die Dicke des Dich­ tungstellers (36) überragende ringförmige Wandung (37) aufweist, die bei verschlossener Öffnung (35) durch den im Druckraum (19) herrschenden Druck radial nach außen gegen den ringförmigen Dichtungswulst (34) gepreßt wird.

4. Steuerventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwandung des Dichtungstellers (36) bzw. die ringförmige Wandung (37) an der dem Dichtungswulst (34) zugewandten Seite eine gegen die Achsrichtung des Dichtungstellers (36) geneigte Konusfläche (38) aufweist, an der bei geschlossener Öffnung (35) der Dichtungswulst (34) anliegt.

5. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsteller (36) aus einem Elastomer hergestellt ist.

6. Steuerventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsteller (36) aus Polyurethan hergestellt ist.

7. Steuerventil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (30) einen kreisringförmigen Absatz (31) aufweist, daß zwischen der dem Druckraum (19) abgewandten Stirnseite des Absatzes (31) und einer Kreisringfläche im Gehäuseblock (32) ein zweiter Druckraum (40) vorgesehen ist, der seitlich von der Außenwandung des Kolbens (30) und einer Wandung (41) des Gehäuseblocks (32) begrenzt ist, und daß der zweite Druckraum (40) über einen den Gehäuseblock (32) durchquerenden Kanal (42) an die Luftaustrittsöffnung (3) angeschlossen ist.

8. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Druckraum (19) abgewandten Stirnseite des Kolbens (30) eine axial zum Kolben (30) verlaufende Kolbenstange (43) anliegt, daß das andere Ende der Kolbenstange (43) mit einem Hilfskolben (44) in mechanisch fester Verbindung steht, der in einem Hilfszylinder (45) dichtend geführt ist, und daß eine im Hilfszylinder (45) angeordnete Druckfeder (46) den Hilfskolben (44) und die Kolbenstange (43) in Rich­ tung des Kolbens (30) drückt, während der Innenraum des Hilfszylinders (45) an der federabgewandten Seite des Hilfskolbens (44) mit einem Druckluftbehälter verbunden ist.

9. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungseinrichtung (51 bis 55) eine zwischen dem Kolben (30) und dem Zylinder (33) des Gehäuseblocks (32) angeordnete Kolbenringverriegelung (51 bis 55) ist.

10. Steuerventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (33) in einem Bereich einen ersten Durchmesser (D ₁) aufweist, der größer als der für die paßgenaue Führung des Kolbens (30) erforder­ liche zweite Durchmesser (D ₂) ist, daß der Kolben (30) an seiner Außenwandung eine ringförmige Nut (50) aufweist, die bei verschlosse­ ner Öffnung (35) im Bereich des ersten Durchmessers (D ₁) des Zylinders (33) liegt, daß in der Nut (50) ein geschlitzter, aufspreizbarer Stahlring (51) angeordnet ist, und daß eine Verriegelung zwischen Kolben (30) und Zylinder (33) durch Aufspreizung des Stahlringes (51) mittels eines, in seinen Schlitz eingreifenden Stiftes (52) und eine Anpressung des Stahlringes (51) an die Innenwandung des Zylinders (33) mit dem ersten Durchmesser (D ₁) erfolgt

11. Steuerventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (52) zur Entriegelung des Stahlringes (51) eine Aus­ nehmung (53) aufweist, deren Durchmesser (D ₃) der Schlitzbreite des entspannten Stahlringes (51) und deren Länge der Hublänge des Kolbens entsprechen.

12. Steuerventil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (52) durch eine Kolben-Zylindereinheit (54) als Hilfsantrieb bewegbar ist.

13. Steuerventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsantrieb (54) durch Druckluft über ein Magnetventil (55) betrieben wird.

14. Steuerventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckluftquelle die Druckluftquelle dient, die die Druckluft für die Lufteintrittsöffnung (2) liefert.