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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf die Handhabung von Fluiden
und insbesondere auf einen Fluiddruckregler für hohe Drücke.
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Das
Ausgeben von Fluiden für
industrielle Anwendungen erfordert eine genaue Kontrolle des Drucks,
um eine genaue Verteilung des Fluids bei dem jeweiligen Verfahren
sicherzustellen. Für
Farbe, Kleber und andere hochviskose Fluide sind oft Ausgabedrücke von
etwa 200 bar (3.000 psi) erforderlich. Dies wird umsomehr erforderlich,
als die Lieferanten dieser Fluide den Lösungsmittelanteil in den Mischungen
deswegen minimiert haben, weil erhöhte Anforderungen zur Verminderung
von Gesundheits- und Feuergefahren an den Arbeitsplätzen gestellt werden.
Da die Lösungsmittelanteile
vermindert wurden, wurde die schleifende Eigenschaft der suspendierten
Feststoffe bedeutungsvoller und begann, die Lebensdauer der in verschiedenen
Systemen eingesetzten Fluiddruckregler negativ zu beeinflussen.
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Typischerweise
besteht ein Fluiddruckregler aus einem Einlaß und einem Auslaß sowie
aus einem in dem Verbindungspfad zwischen dem Einlaß und dem
Auslaß angeordneten
Ventil. Ein Ventilverschlußelement
ist normalerweise gegen einen Ventilsitz vorgespannt und wird durch
einen Schaft oder einen anderen Mechanismus gesteuert, der seinerseits
einstellbar entgegen dem Verschlußelelment mittels einer Feder
vorgespannt ist, die auf eine Membran und/oder einen Kolben wirkt,
die bzw. der es dem Regler ermöglicht,
einen konstanten Auslaßdruck trotz
Veränderungen
beim Einlaßdruck
aufrecht zu erhalten. Der Kolben ist einstellbar durch eine Feder vorgespannt
und innerhalb einer zylindrischen Bohrung in einer Abdeckplatte
des Reglers hin und her bewegbar. Ohne eine Membran benötigt die
Bohrung eine Umfangs-Lippendichtung, um ein Lecken des Fluids zwischen
dem Kolben und der Bohrung zu verhindern. Um gegen eine solche Dichtung
richtig zu funktionieren, benötigt
der Kolben eine sehr feine Oberflächengüte in der Größenordnung
von etwa 0,00025 mm (zehn Microzoll) oder weniger. Eine solche Oberflächengüte ist teuer
herzustellen und wird sehr leicht durch Korrosion oder mechanische
Verletzungen beschädigt.
In Gegenwart von stark schleifend wirkenden Suspensionen mit geringem
Lösungsmittelanteil
verschlechtern sich darüberhinaus sowohl
die Dichtung als auch die Oberflächengüte des Kolbens
aufgrund von Reibkontakten.
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Für hohe Drücke bietet
eine Kombination einer Membran mit einem Kolben eine bessere Abdichtung.
Die Dauerhaftigkeit der Membran im Vergleich zu der Lippendichtung
ist im allgemeinen besser, da die Membran einer Verbiegung oder
Verformung ausgesetzt ist anstelle eines Gleitabriebs.
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Die
Verminderung des Lösungsmittelanteils hat
die Viskosität
der Arbeitsmaterialien erhöht,
so daß sie
höhere
Pumpendrücke
und infolgedessen Regler benötigen,
die für
diese Drücke
ausgelegt sind. Regler, die für
einen Betrieb im Bereich von 70 bis 100 bar (1.000 bis 1.500 psi)
ausgelegt waren, haben bei Verwendung von Materialien mit hohem Feststoffanteil
und geringem Lösungsmittelanteil,
wie sie gegenwärtig
verfügbar
sind, eine kurze Lebensdauer. Eine Verstärkung der Wanddicke und der
Federsteifigkeit allein reicht nicht aus, einen Regler für mittlere
Drücke
zur Verwendung im Bereich von 200 bar (3.000psi) der allgemein vorkommenden
Betriebsdrücke
aufzurüsten.
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Typischerweise
verwenden Hochdruckregler eine Membran sowie einen Kolben in einer
Bohrung der Membran-Stützplatte.
Um die Membran gegen Einschneiden zu schützen, gibt man den Kanten des Kolbens
und der Bohrung der Stützplatte
im allgemeinen einen Radius. Die Membran besteht im allgemeinen
aus einem durch Gewebe verstärkten
Gummi zur Schaffung der notwendigen Flexibilität und einer Schicht eines chemisch
widerstandsfähi gen
Materials, die auf der Seite des gepumpten Fluids angeheftet ist.
O-Ring-Dichtungen werden allgemein zwischen der Membran, dem Schaft
und dem Reglergehäuse
verwendet.
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Diese
Merkmale sind in 1 veranschaulicht,
die einen Querschnitt des Membran-Kolben-Bereichs eines typischen
Reglers nach dem Stand der Technik darstellt. Der Schaft 6 und
der Kolben 5 sind durch einen Bolzen miteinander verbunden,
um die zu einem Stück
zusammengeheftete Membran 1 und eine O-Ring-Dichtung 7 zwischen
sich einzuspannen. Die Membran 1 besteht aus einer durch
Gewebe verstärkten
Gummischicht 3 und einer chemisch widerstandsfähigen Schicht 2.
Der Kolben 5 geht in einer Bohrung 8 einer Stützplatte 4 hin
und her. Zur Erleichterung des Zusammenbaus ist eine Abschrägung 11 vorgesehen
sowie eine verhältnismäßig lose Passung
zwischen der Bohrung 8 und dem Kolben 5, die auch,
wie oben beschrieben, an den Kanten abgerundet sind. Ein O-Ring 9 bildet
eine Abdichtung zwischen der Membran 1 und einem Gehäuse 14.
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Bei
einem Betrieb mit hohen Drücken
unterliegt dieser Regler potentiell den folgenden Problemen:
- 1. Die kurze Führungslänge der Bohrung zwischen der
Abschrägung
und dem Radius an der Stützplatte
kann es dem Kolben gestatten, sich geringfügig innerhalb der Bohrung zu
verkanten oder zu verklemmen, so daß auf diese Weise ein lokaler
Hochdruckkontakt zwischen dem Kolben und der Stützplatte sowie eine ungleichförmige Durchbiegung
der Membran auftreten kann.
- 2. Der große
hinter der Membran durch die Radien der Stützplatte und des Kolbens gebildete Spalt
ermöglicht
ein Verkeilen der Membran in den Spalt hinein und infolgedessen
einen übermäßigen Abrieb
und Biegeverschleiß an
der Membran.
- 3. Die relativ dünne
Stützplatte
ist aufgrund des hohen Drucks leicht einer Verformung unterworfen,
und infolgedessen kann ein Lecken des Arbeitsfluids um die Dichtung
herum zwischen dem Gehäuse
und der Membran auftreten.
- 4. Die aus einem Stück
bestehende, zusammengefügte
(Membran unterliegt wegen der unterschiedlichen Biegemodule der
beiden Schichten intensiven örtlichen
Beanspruchungen, die einen frühzeitigen
Ausfall bewirken.
- 5. In Fällen,
in denen eine Resonanz Schwingungen des Kolbens innerhalb der Bohrung
der Stützplatte
verursacht, kann eine Freßkorrosion
ein bedeutsames Problem werden und auf diese Weise die anderen Nachteile
dieser Ausführung
bei einer Hochdruckanwendung verstärken.
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Ein
Fluiddruckregler entsprechend den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und
2 ist aus
US 3 982 559 bekannt.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen Korrosionsfraß zwischen
der Bohrung der Membran-Stützplatte
und der Oberfläche
des Ventilkolbens zu vermeiden.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch
die in den kennzeichnenden Teilen der unabhängigen Patentansprüche 1 und
2 angegebenen Merkmale erreicht.
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Der
Patentanspruch 3 kennzeichnet eine besondere Materialwahl für die Oberflächen des
Kolbens und/oder der Bohrung. Diese Materialwahl ist für die erfindungsgemäße Ausgestaltung
besonders vorteilhaft.
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Einzelheiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung.
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1 ist eine abgebrochem Schnittansicht, die
einen Fluiddruckregler nach dem Stand der Technik veranschaulicht;
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2 ist eine Schnittansicht
eines Hochdruck-Fluidreglers nach der Erfindung;
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3 ist eine abgebrochene
Schnittansicht zur Veranschaulichung von Details der wesentlichen erfindungsgemäßen Merkmale;
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4 ist eine Schnittansicht,
die ein alternatives Ausführungsbeispiel
der bei der Erfindung verwendeten Membran zeigt;
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5 ist eine abgebrochene
Schnittansicht, die eine Variante der in 4 gezeigten Membran darstellt.
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Bei
der Diskussion des Standes der Technik wurde bereits die 1 beschrieben. Sie veranschaulicht
die Merkmale eines Reglers, der geeignet ist zur Verwendung bei
niedrigen bis mittleren Drücken,
der aber die zuvor beschriebenen Nachteile aufweist, wenn er für hohe Drücke verwendet
wird.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Hochdruckregler 20.
Er weist einen Gehäusekörper 14 auf mit
einer Gehäuseabdeckung,
die auch als Membranstützplatte 4 dient,
eine Haube 60, eine Membran-Spannfeder 64, die
oben und unten mit Federhaltern 66 und 62 verbunden
ist, sowie Haubenbolzen 68 und eine Einstellschraube 70.
Die Haubenbolzen 68 sichern die Haube 60 durch
die Membran-Stützplatte 4 hindurch
und sind in den Gehäusekörper 14 eingeschraubt.
Die Platte 4 ist an dem Gehäusekörper 14 auch durch
Stützplattenbolzen 22 gesichert. Der
Kolben 5 ist an dem Federhalter 62 und an dem Schaft 6 derart
gesichert, daß die
Membran 30 zwischen dem Kolben 5 und dem Schaft 6 festgelegt oder
eingespannt ist. O-Ringe 7 und 9 bilden Fluiddichtungen
zwischen der Membran 30 und dem Schaft 6 einerseits
und zwischen der Membran 30 und dem Gehäusekörper 14 andererseits.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden O-Ringe verwendet, aber es ist klar, daß jede andere geeignete Dichtungsringanordnung
zufriedenstellend arbeiten würde.
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Hochdruckfluid
tritt in den Regler durch einen Einlaß 15 ein, geht durch
ein einstellbares Ventil 17, das ein Verschlußelement 26 und
einen Ventilsitz 27 aufweist, geht um den Schaft 6 herum
und tritt durch einen Auslaß 16 aus.
Die Druckregulierung wird bewirkt durch Verdrehen der Einstellschraube 70,
um die Membran-Spannfeder 64 zusammenzudrücken. Hierdurch
wird der Federhalter 66 nach unten gedrückt, um so den Federdruck auf
den Federhalter 62 zu erhöhen, wodurch der Kolben 5 und
der starr damit verbundene Schaft 6 nach unten gedrückt werden,
um das Verschlußelement 26 von
dem Sitz 27 abzuheben und so das einstellbare Ventil 17 zu öffnen. Der
Systemdruck unterhalb des Ventils bzw. hinter dem Ventil 17 ist
umgekehrt proportional zu dem Betrag des Druckabfalls am Ventil 17.
Dieser Druck hinter dem Ventil 17 wirkt auf die Membran 30 und den
Kolben 5, um diese nach oben entgegen der Richtung der
Kraft zu drücken,
die durch die Membran-Spannfeder 64 ausgeübt wird.
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Somit
sind nach einem sehr kurzen Einstellintervall die beiden einander
entgegenwirkenden Kräfte
ausgeglichen, und ein stationärer
Betriebszustand ist erreicht. Solange der Einlaßdruck konstant bleibt, und
solange der am Auslaß bestehende
Bedarf konstant bleibt, bleiben die Stellungen aller dieser bewegbaren
Elemente stationär.
Sollte der Einlaßdruck
abnehmen, würde
der sich dadurch ergebende Druckabfall hinter dem Ventil den Kolben
und den Schaft veranlassen, sich nach unten zu bewegen, wodurch
sich das Ventil 17 weiter öffnen und den Auslaßdruck wieder
auf den eingestellten Wert zurückstellen
würde.
Das Umgekehrte gilt in gleicher Weise für Erhöhungen des Einlaßdrucks.
Gewünschte
Drücke
werden eingestellt durch Verdrehen der Einstellschraube 70,
um den oberen Federhalter 66 nach unten zu drücken und
den Auslaßdruck
zu erhöhen
oder um den Federhalter 66 nach oben zu ziehen und den
Auslaßdruck
zu vermindern.
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3 ist eine abgebrochene
vergrößerte teilweise
Schnittansicht, die mehr Einzelheiten der kritischen Elemente gemäß der Erfindung
zeigt. Die Membran 30 weist ein Stützglied auf, das durch eine flexible,
elastomere Membran 35 gebildet ist, die gegen den Kolben 5 und
gegen die Stützplatte 4 anliegt, sowie
eine chemisch widerstandsfähige
Membran 40, die gegen die flexible Membran 35 anliegt
und diese gegen jegliche korrosive Eigenschaften des Arbeitsfluids
abschirmt. Die Membranen 35 und 40 sind nicht
miteinander verbunden, sondern sie erstrecken sich radial parallel
zueinander und sie haben gegenseitig einen flachen Oberflächenkontakt
miteinander. Diese unverbundene Berührung verbessert die Flexibilität der Membrananordnung,
indem sie ein begrenztes Gleiten zwischen den beiden Membranen während deren
Verbiegung gestattet. Dies vermindert die Zug- und Druckbeanspruchungen
an den Membranoberflächen
und verbessert somit die Lebensdauer der Membranen.
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Eine
schwach geneigte Entlastungsfläche oder
Ausnehmung 16 an der Stützplatte 4 um
den Umfang der Bohrung 8 herum sowie ein kleiner Radius 18 an
dem Kolben 5 wirken zusammen, um einen sehr kleinen Spalt
hinter der Membran 35 zu bilden, und sie ermöglichen
es somit der Membran, sich über einen
längeren
Abstand zu verformen und damit weniger scharf abzubiegen. Die Abschrägung 11 ist nach
wie vor zum Erleichtern des Zusammenbaus vorgesehen. Jedoch ist
die Passung des Kolbens 5 innerhalb der Bohrung 8 in
der Stützplatte 4 ausreichend
eng, so daß,
wenn der Kolben mit der größeren Führungslänge kombiniert
ist, die aus der Vergrößerung der
Dicke der Membran-Stützplatte 4 resultiert,
für den
Kolben 5 praktisch keine Tendenz besteht, sich in der Bohrung
zu verkanten oder zu verklemmen. Hierdurch werden die Schädigungen
eliminiert, die durch ungleichförmige
Verformung und durch Fehlausrichtung der Reglerkomponenten verursacht
werden könnten.
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Eine
Beschichtung A an der Bohrung der Stützplatte 4 und eine
Beschichtung B an der seitlichen Umfangsoberfläche des Kolbens 5 sind
vorgesehen, um sicherzustellen, daß Oberflächen, die Vibrationen oder
Schwingungen unterliegen können
und die gegeneinander anliegen, nicht aus dem gleichen Metall bestehen.
Dies vermindert die Tendenz zum Auftreten von Freßkorrosion,
wodurch die Lebensdauer des Kolbens 5 und der Stützplatte 4 verlängert wird.
Es ist nicht notwendig, beide Oberflächen zu beschichten, um das
Erfordernis des unterschiedlichen Metalls zu befriedigen. Wenn z.
B. der Kolben 5 aus Stahl und die Stützplatte 4 aus Bronze
besteht, würde
das Erfordernis des unterschiedlichen Metalls bereits erfüllt sein.
Wenn jedoch beide aus Bronze oder beide aus Stahl bestehen würden, wäre es wünschenswert,
das eine oder das andere Element zu beschichten, um das Problem
der Freßkorrosion
zu eliminieren. Je nach den Umständen
können
Beschichtungen, wie beispielsweise eine Hartchrom-Elektroplattierung,
eine Nickel-Elektroplattierung, eine nicht- elektrische Nickelbeschichtung oder andere
relativ harte Beschichtungsoberflächen verwendet werden. Durch
Vermeiden der Verwendung ähnlicher
Metalle oder weicher Metalle an den miteinander in Berührung stehenden
Oberflächen
wird die Tendenz für
einen Korrosionfraß infolge
hin und her gehender oder oszillierender Schwingungsbewegungen unter
hohen Drücken
an den Berührungsoberflächen vermindert
und die Lebensdauer des Reglers wird verbessert. Schließlich vermindert
die verstärkte Dicke
der Stützplatte 4 die
Tendenz der Stützplatte, sich
unter Druck zu biegen oder zu verformen, wodurch die Möglichkeit
für ein
Lecken an der O-Ring-Dichtung 9 zwischen der Membran 40 und dem
Gehäusekörper verhindert
wird. Diese Verformungsfreiheit trägt auch zur Ausrichtungsstabilität des Kolbens
bei, wie es oben unter dem Gesichtspunkt der verbesserten Führungslänge diskutiert wurde.
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Die 4 und 5 sind abgebrochene Schnittansichten
zur Darstellung von zwei alternativen Membranausbildungen, die einstückige O-Ringe
aufweisen. 4 zeigt,
daß die
integralen O-Ringe 39 und 37 an der Stützmembran 35 ausgebildet
sind, während 5 zeigt, daß die O-Ringe 39 und 37 einstückig mit
der chemisch widerstandsfähigen
Membran 40 ausgebildet sind. Die jeweils gewählte Option hängt ab von
den Materialien, die für
die Membranen gewählt
werden, sowie von der Größe der Membranen
und der Größe des Reglers,
von den beabsichtigten Betriebsdrücken und von den Eigenschaften des
abzudichtenden Fluids. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet für die flexible
Membran 35 ein thermoplastisches Elastomer, während für die chemisch
widerstandsfähige
Membran 40 ein Fluoropolymer verwendet wird.
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Die
Erfindung überwindet
erfolgreich alle oben beschriebenen Nachteile. Die wesentlichste Verbesserung
gegenüber
dem Stand der Technik kommt aus der Verwendung von unabhängigen,
separaten Membranen für
das Erfordernis der chemischen Widerstandsfähigkeit und das Erfordernis
der Flexibilität
und der Widerstandsfähigkeit
gegen Abrieb. Die verbesserte Passung des Kolbens innerhalb der
Bohrung der Stützplatte
zusammen mit der vergrößerten Führungslänge, die
durch Verstärkung
der Dicke der Stützplatte
erreicht wird, verbessert die Ausrichtung der Reglerkomponenten
und ver mindert Schäden,
die bisher auf Fehlausrichtungen und dadurch bedingte lokale hohe
Beanspruchungen zurückzuführen waren.
Das Vorsehen einer Beschichtung auf dem Kolben und/oder der Bohrung
der Stützplatte
schafft eine Widerstandsfähigkeit
gegen Korrosionsfraß,
der die Reglerlebensdauer verkürzen
kann. Schließlich
vereinfacht die Verwendung von Membranen, die einstückig damit
ausgebildete Dichtungsringe haben, den Zusammenbau und stellt eine
richtige Anordnung der Ringe sicher.