DE4118190A1 - Ventileinrichtung zur druckregulierung von fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Druckregulatoren für Fluide und im besonderen auf Ventile zur Druckregulierung von Fluiden, die Kriecheffekten bei statischem Druck widerstehen.

Ein System, in dem Fluide gehandhabt werden, besitzt typischerweise auch eine Einrichtung zur Regulierung des Fluiddruckes. Das Fluid wird mit einem Druck zugeführt, der üblicherweise höher ist als der, der am Systemausgang erwünscht ist. Die Regeleinrichtung soll den Fluiddruck auf den gewünschten Wert reduzieren und bei diesem Wert halten, unabhängig von Änderungen des stromabwärtigen Fluidbedarfs oder des Versorgungsdrucks.

Ein übliches einstufiges Regelelement hat eine Eingangskammer zur Fluidversorgung, an deren Ausgang ein Ventil mit variierbarer Öffnung vorhanden ist, welches einen ringförmigen Sitz und eine federvorgespannte Kugel, einen Kegel oder ein anderes Verschlußelement aufweist. Der Abstand des Verschlußelements gegenüber dem Sitz wird durch einen Ventilschaft gesteuert, der mit einer Membran flußabwärts des Ventils verbunden ist. Der Druckabfall des Fluids beim Durchgang durch das Ventil hängt von der Größe der Ventilöffnung ab, die von dem Abstand des Ventilverschlußelements zum Ventilsitz bestimmt ist.

Flußabwärts der Eingangskammer und des Ventils ist die Membrankammer angeordnet, deren eine Wand aus einer Membran besteht, deren Steifheit durch eine schraubjustierbare Feder einstellbar gesteuert werden kann, die die Membran gegen die Membrankammer drückt. Der Ausgang von der Membrankammer ist die Ausgangsleitung des Regelelements.

Bei einer vorgegebennen Einstellung der Membranfederjustierung nimmt die Membran eine bestimmte Position ein. Wenn Fluid unter Druck durch das Ventil in die Kammer eingelassen wird, übt das Fluid eine Kraft entgegen der Federkraft auf die Membran aus. Die resultierende Verlagerung der Membran verursacht eine Verkleinerung der Ventilöffnung, die durch ein Zurückziehen des Ventilschafts und die daraus folgende Annäherung des Ventilverschlußelements gegenüber dem Ventilsitz bewirkt wird. Das erhöht den Druckabfall über das Ventil, was zu einer Verlagerung der Membran führt, wodurch das Ventil weiter geöffnet wird. Diese sich gegeneinander ausgleichenden Kräfte stellen schnell ein Gleichgewicht ein, welches bei gleichmäßigem Fluß solange erhalten bleibt, wie die Federjustierung unverändert ist.

Bei den meisten Fertigungsverfahren gibt es Abschaltzeiten, während denen der Strom von Fluid in den Betriebsleitungen unterbrochen ist. Während solcher Zeiten kann ein Kriechen durch das Regelelement auftreten, welches zu einem überschüssigen Fluiddruck in den Betriebsleitungen führt.

Das Kriechen bei Reglern ist üblicherweise auf Fehler im Ventilsitz wegen Formungenauigkeiten von Sitz oder Verschlußelement oder manchmal auf einen verschmutzten oder korrodierten Sitz oder ein verschmutztes oder korrodiertes Verschlußelement zurückzuführen.

Sitzverformungen sind üblicherweise von mechanischen oder thermischen Verspannungen verursacht, die beim Zusammenbau des Regelelements auftreten. Dies kann beim Hartlöten des Sitzes im Gehäuse, beim Hineindrehen des Gehäuses in den Reglerkörper oder durch Kombinationen dieser oder anderer Spannung verursachender Schritte geschehen. Sogar ein Sitz, der in Metall-auf-Metall-Kontakt zusammengeklemmt ist und der über eine O-Ringdichtung in einer Nut mit dem Gehäuse verbunden ist, ist mechanisch verursachten Formveränderungen ausgesetzt.

Läppen, Nachschneiden und andere Superfiniertechniken werden üblicherweise verwendet, um Formungenauigkeiten beim Zusammenbau auszuschließen. Trotz solcher Bemühungen muß ein großer Anteil von Reglern wegen solcher Formungenauigkeiten nachgearbeitet oder verschrottet werden.

Zusätzlich zu den Kosten für Nacharbeit und Schrott bei der Herstellung der Regelelemente ist es als weiterer Nachteil anzusehen, wenn ein Regelelement ein Kriechen unter statischem Druck zeigt, da es die Beschädigung empfindlicher, auf Fluidbasis arbeitender Systeme verursachen kann.

Vorstehend wurden einige bei Druckreglern für Fluide bekannte Begrenzungen beschrieben. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Alternative zu schaffen, die es ermöglicht, einen oder mehrere der oben genannten Nachteile zu vermeiden.

Entsprechend wird eine geeignete Alternative angegeben, die im folgenden ausführlich dargestellt wird und die in den Ansprüchen gekennzeichnet ist.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung werden die dargestellten Nachteile vermieden, indem eine Ventileinrichtung für einen Druckregler verwendet wird, die ein Ventilgehäuse mit einem ersten und einem zweiten Ende aufweist, eine zentrale Axialbohrung und einen Mechanismus zur Positionierung des Ventilsitzes hat, durch den der Ventilsitz schwimmend, koaxial mit und in der Nähe des zweiten Endes des Gehäuses angeordnet ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt eine teilweise schematische Schnittdarstellung eines normalen einstufigen Druckreglers für Fluid nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt eine teilweise schematische Schnittdarstellung eines Druckreglers für Fluid, der die bevorzugte Ausführung der Erfindung aufweist.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung der Ventileinheit der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine teilweise schematische Schnittdarstellung eines Druckreglers für Fluid für ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 veranschaulicht ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt einen typischen einstufigen Druckregler für Fluid, der aufgeschnitten dargestellt ist, um Einzelheiten seines Aufbaus zu zeigen. Das Gehäuse des Reglers ist aus einem Reglerkörper 10, der eine Ventileinheit und Durchgänge für den Fluß des Fluids beinhaltet, und einer Haube 5 zusammengesetzt, die eine schraubjustierbare Membranfeder 35 und eine Membran 30 enthält.

Das Versorgungsfluid unter hohem Druck wird in eine Eingangskammer 12 durch eine Versorgungsverbindung eingelassen, und es tritt durch eine Membrankammer 14 durch einen Ausgangsanschluß zu einer Betriebsleitung aus. Zwischen Eingangskammer 12 und Membrankammer 14 liegt ein Ventilgehäuse 20, welches einen Ventilsitz 28 enthält. Ein Verschlußelement 25, welches durch eine Vorspannfeder 26 gegen den Ventilsitz 28 gehalten wird, steuert die Öffnung des Ventilsitzes. Ein Ventilschaft 31 ist an der Membran 30 angebracht und ragt durch eine Bohrung in der Mitte des Ventilgehäuses 20 und des Ventilsitzes 28 und hat Kontakt mit dem Verschlußelement 25. Dadurch wird die Bewegung der Membran 30 auf das Verschlußelement 25 über den Ventilschaft 31 übertragen. Das Ventilgehäuse 20 ist typischerweise in den Reglerkörper 10 hineingeschraubt. Eine flexible Dichtung ist zwischen einem Flansch des Gehäuses 20 und dem Reglergehäuse 10 eingeklemmt.

Eine Ventilanordnung gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Bezüglich aller übrigen Merkmale sind Fig. 1 und Fig. 2 identisch.

Das erfindungsgemäße Ventilgehäuse 20 ist funktional ähnlich dem Ventilgehäuse in Fig. 1. In diesem Fall ist das Ventilgehäuse 20 aber größer und im allgemeinen solider ausgeführt wie dargestellt.

In diesem Beispiel ist auch der Ventilsitz 50 wesentlich größer als der Ventilsitz 28 der Fig. 1. Das verleiht dem Ventilsitz erhöhte Steifigkeit und macht ihn weniger anfällig gegen Formveränderungen beim Einbau in den Regler. Zusätzlich wird der Ventilsitz 50 durch eine Rückhaltehülse 52 im Ventilgehäuse 20 gehalten, die in eine Bohrung des Ventilgehäuses 20 eingepreßt ist. Der Ventilsitz 28 in Fig. 1 ist hartgelötet oder in eine Bohrung des Ventilgehäuses 20 eingepreßt. Bei der Verwendung der Rückhaltehülse 52 in Fig. 2 kann der Ventilsitz mit einem winzigen Zwischenraum zwischen seiner äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche einer Gehäusebohrung 61 hergestellt werden. Eine flexible Dichtung 51, die aus Gummi, Kunststoff oder einem anderen federnden Material bestehen kann, sorgt für die Dichtung, die durch den Zwischenraum zwischen Ventilsitz 50 und Gehäusebohrung 61 nötig ist. Durch die Kombination der Rückhaltehülse 52, des winzigen Zwischenraums, der zwischen dem Ventilsitz 50 und der Gehäusebohrung 61 besteht, und der flexiblen Dichtung 51 wird ein schwimmender Ventilsitz 50 gebildet, der mechanisch vom Ventilgehäuse 20 getrennt ist und der aus diesem Grund nicht den Verformungen oder Verspannungen ausgesetzt ist, die ansonsten vom Gehäuse 20 auf den Ventilsitz 50 während des Zusammenbaus übertragen würden.

Die in Fig. 1 gezeigte Ventilanordnung hat einen Ventilsitz 28, der nicht so haltbar ist wie ein erfindungsgemäßer Ventilsitz. Außerdem ist er üblicherweise in der Bohrung des Ventilgehäuses 20 durch Hartlötung befestigt. Es können auch andere Befestigungsarten angewandt werden, aber unabhängig davon, welche Methode benutzt wird, muß die Befestigung immer fluidfest und dementsprechend starr sein. Als Folge dieser Starrheit wird jede mechanische Störung oder Spannung, die auf das Ventilgehäuse 20 während des Einbaus in den Regler einwirkt, direkt auf den Ventilsitz 28 übertragen. Das kann winzige Formveränderungen im Ventilsitz 28 verursachen, was sich durch Kriecheffekte bei Druckreglern unter statischen Bedingungen äußert.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Ventileinheit 100, die ein Ventilgehäuse 20 aufweist, welches ein erstes Gehäuseende 40, ein zweites Gehäuseende 60, einen Flansch 21, eine O-Ringnut 41, eine Gehäusebohrung 61 und eine Bohrung 65 längs der Zentralachse hat. Ein Ventilsitz 50, der eine Gleitpassung in der Gehäusebohrung 61 hat, wird innerhalb der Bohrung durch eine Rückhaltehülse 52 zurückgehalten, die in die Gehäusebohrung 61 eingepreßt ist. Eine flexible Dichtung 51 ist in einer Dichtnut 58 angeordnet und liegt zwischen Ventilsitz 50 und Gehäuse 20 an der inneren ringförmigen Fläche 55 an, die in dem Gehäuse durch die verschiedenen Durchmesser der Gehäusebohrung 61 und der Bohrung 65 längs der Zentralachse erzeugt ist.

Dadurch, daß das erfindungsgemäße Gehäuse 20 mit festeren Wänden und einem festeren Flansch ausgestaltet werden kann, kann es größere Spannungen bei kleineren Formveränderungen aushalten als das Gehäuse der Fig. 1. Dadurch ermöglicht die Erfindung auch ein stabileres Gehäuse zusätzlich zu dem mechanischen Entkoppeln des Ventilsitzes 50, der schwimmend gegenüber der Dichtung 51 angebracht ist. Als Folge werden Gehäuseverspannungen und Formveränderungen, die beim Zusammenbau auf den Regler wirken können, nicht auf den Ventilsitz übertragen. Damit ist der häufigste Grund für Kriecheffekte bei Druckreglern unter statischen Bedingungen beseitigt.

Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der schwimmende Ventilsitz 50 direkt mit einer Gleitpassung in den Flußdurchgang für das Fluid des Reglerkörpers 10 eingesetzt und mit einem durch Pressung befestigten Rückhaltering 52 gehalten ist. In diesem Fall wird eine ringförmige Fläche 75 durch Zusammenwirken einer koaxialen Bohrung mit dem Flußdurchgang gebildet, wobei die Bohrung koaxial zum Flußdurchgang für das Fluid verläuft und größer als dieser Durchgang ist. Eine ringförmige Nut 78 ist in der ringförmigen Fläche 75 ausgebildet und nimmt eine flexible Dichtung 51 auf. Ein mit Gewinde versehener Stopfen 70 ist in dieser Ausführung ebenfalls vorgesehen. Dieser wird benötigt, damit die Dichtung 51, der Ventilsitz 50, die Rückhaltehülse 52, das Verschlußelement 25 und die Vorspannfeder 26 eingesetzt werden können. Alle anderen Merkmale sind denen im vorher beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel funktionell ähnlich.

Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 gezeigt. Hier ist ein schwimmender Ventilsitz 88 in einer Bohrung 91 eines Reglerkörpers 10 angeordnet und wird mit einem Abstandsrohr 82 festgehalten, welches ein Querloch 83 zum Durchlaß von Fluid hat. Das Abstandsrohr 82 wird von einem Zugangsstopfen 90 festgehalten, der auch die Feder 26 und das Verschlußelement 25 abstützt. Die Dichtung 51 ist an einer Schulter 95 des Ventilsitzes 88 angebracht, der in einer schwimmenden Anordnung zwischen Abstandsrohr 82 und Dichtung 51 festgeklemmt ist. Bezüglich anderer Merkmale ist dieses Regelelement ähnlich zu Reglern in Standardausführung aufgebaut.

Die Erfindung wurde anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, welches es ermöglicht, die Erfindung bei existierenden Reglereinrichtungen durch Teileersatz zu verwenden. Alternative Ausführungsbeispiele wurden ebenfalls beschrieben, in denen der schwimmende Sitz direkt in einen Reglerkörper 10 eingesetzt ist, wobei die gleichen Ausbildungen für Gleitpassung, flexible Dichtung und Rückhaltehülse benutzt wurden, wie sie auch in Zusammenhang mit dem Ventilgehäuse des bevorzugten Ausführungsbeispiels verwendet wurden. Eine Gleitpassung, ein Abstandsrohr und eine flexible Dichtung wurden auch beschrieben.

Claims (12)

1. Ventileinrichtung für einen Druckregler für Fluid, gekennzeichnet durch

• - ein Ventilgehäuse (20), welches ein erstes Ende (40) und ein zweites Ende (60) und eine axiale Zentralbohrung aufweist,
• - einen Ventilsitz (50; 88), der eine Bohrung (65) längs der Zentralachse hat, und
• - Mittel (51, 52) zur Positionierung des Ventilsitzes (50; 88) mit schwimmendem Aufbau, wobei der Ventilsitz (50; 88) koaxial und benachbart zum zweiten Ende (40) des Ventilgehäuses (20) ist.

2. Ventileinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• - Mittel zur Positionierung des Ventilgehäuses (20) in einem Flußdurchgang für Fluid innerhalb des Druckreglers für Fluid.

3. Ventileinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Mittel zur Positionierung des Ventilgehäuses (20) in einem Flußdurchgang für Fluid innerhalb des Druckreglers Gewinde an dem Äußeren des Ventilgehäuses (20) und an dem Inneren des Flußdurchgangs aufweisen, wobei die Gewinde ineinander eingreifen, um die relative Position des Ventilgehäuses (20) zum Flußdurchgang festzulegen.

4. Ventileinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• - ein Ventilverschlußelement (25), welches in der Nähe des schwimmenden Ventilsitzes (50; 88) angeordnet ist,
• - Mittel zum Vorspannen des Ventilverschlußelements (25) gegen den schwimmenden Ventilsitz (50; 88) und
• - Mittel, die auf Druckänderungen in einem Nutzausgang ansprechen, zur Bewegung des Ventilverschlußelements (25), um einen Druckabfall über die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von den Druckänderungen des Fluids zu variieren.

5. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

• - Mittel zur Positionierung des Ventilgehäuses (20) in einem Flußdurchgang für Fluid des Reglers.

6. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - das das Ventilgehäuse (20) einen Flansch (21) aufweist, der sich radial nach außen von dem ersten axialen Ende (40) erstreckt.

7. Ventileinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine sich um den Umfang erstreckende Dichtung (23) zwischen dem radialen Flansch (21) und einem Reglerkörper (10) eingeklemmt ist.

8. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Mittel zur Positionierung des Ventilsitzes (50; 88) eine axiale Bohrung (61) innerhalb des zweiten Endes (60) aufweisen, die größer als die Bohrung (65) längs der Zentralachse des Gehäuses (20) ist, wodurch genügend Spielraum für eine Gleitpassung für den Ventilsitz (50; 88) gegeben ist,
• - daß eine ringförmige federnde Dichtung (51) zwischen einer Axialfläche des Ventilsitzes (50; 88) und einer Fläche (55; 75) in dem Ventilgehäuse (20) eingefügt ist, wobei die Fläche (55; 75) durch Zusammentreffen der axialen Bohrung (61) in dem zweiten Ende (60) des Ventilgehäuses (20) und der Bohrung (65) längs der Zentralachse des Gehäuses (20) gebildet ist,
• - daß die Mittel zur Positionierung des Ventilsitzes (50; 88) Mittel zum Zurückhalten des Ventilsitzes in schwimmendem Kontakt mit der ringförmigen federnden Dichtung (51) und der Axialbohrung (65) des Gehäuses (20) aufweisen.

9. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Mittel zum Zurückhalten des Ventilsitzes (50; 88) einen Ring aufweisen, der an einer Axialfläche des Ventilsitzes (50; 88) anliegt und einen Preßsitz in der axialen Bohrung (61) des zweiten Endes (60) des Gehäuses (20) hat.

10. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Mittel zum Vorspannen des Ventilverschlußelements (25) gegen den schwimmenden Ventilsitz eine schraubenartig gewundene Feder aufweisen.

11. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Mittel, die auf Druckänderung des Fluids ansprechen, im Ausgangsbereich eine flexible Membran (30) aufweisen, die an einen Ventilschaft (31) gekoppelt ist, der sich durch die Axialbohrung (65) des Ventilgehäuses (20) und die axiale Bohrung (61) des Ventilsitzes (50; 88) erstreckt, um das Ventilverschlußelement zu berühren und zu steuern.

12. Ventileinrichtung für einen Druckregler für Fluid, gekennzeichnet durch

• - einen Reglerkörper (10),
• - einen Ventilsitz (50; 88) mit einer Bohrung längs der Zentralachse,
• - Mittel zur Positionierung des Ventilsitzes (50; 88) in einer schwimmenden abgedichteten Anordnung mit und koaxial zu einem Flußdurchgang für Fluid durch den Reglerkörper (10),
• - ein Verschlußelement (25) für das Ventil, wobei das Verschlußelement (25) nahe bei dem schwimmenden Ventilsitz (50; 88) angeordnet ist,
• - Mittel zum Vorspannen des Verschlußelements (25) gegen den Ventilsitz (50; 88) und
• - Mittel zur Bewegung des Verschlußelements (25) für das Ventil relativ zu dem Ventilsitz (50; 88), um einen Druckabfall über die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von Druckänderungen des Fluids zu verändern.