DE60014094T2

DE60014094T2 - Homogenisierungsventil

Info

Publication number: DE60014094T2
Application number: DE60014094T
Authority: DE
Inventors: Michael Jarchau
Original assignee: APV North America Inc
Current assignee: SPX Flow Technology Systems Inc
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: US6238080B1; DE60014094D1; WO2001003819A1; AU5788400A; ES2228553T3; EP1196235B1; ATE276822T1; EP1196235A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Homogenisierung ist das Verfahren zum Aufbrechen und Vermischen von Komponenten innerhalb eines Fluids. Ein bekanntes Beispiel ist Milchhomogenisierung, bei der Milchfettkügelchen in die Gesamtmasse der Milch aufgebrochen und verteilt werden. Homogenisierung wird auch zur Verarbeitung anderer Emulsionen, wie Silikonöl, und zur Bearbeitung von Dispersionen, wie Pigmenten, Antaciden und gewissen Papierbeschichtungen, angewendet.
Die bekannteste Vorrichtung zur Durchführung der Homogenisierung ist ein Homogenisierungsventil. Die Emulsion oder Dispersion wird unter hohem Druck in das Ventil eingeleitet, das als Strömungsdrossel dient, um intensive Turbulenz zu erzeugen. Das unter hohem Druck stehende Fluid wird durch einen gewöhnlich engen Ventilspalt in eine Umgebung mit niedrigerem Druck ausgepresst. Die Homogenisierung tritt in dem den Ventilspalt umgebenden Bereich auf. Das Fluid wird einer schnellen Beschleunigung unterzogen, verbunden mit extremen Druckabfällen. Theorien haben nahegelegt, dass sowohl Turbulenz als auch Kavitation in diesem Bereich die Mechanismen sind, welche die Homogenisierung erleichtern.
Frühe Homogenisierungsventile hatten eine einzige Ventilplatte, die gegen einen Ventilsitz durch irgendein normalerweise mechanisches oder hydraulisches Betätigungssystem gedrückt wird. Die Milch beispielsweise wurde durch eine ringförmige Öffnung oder einen ringförmigen Ventilschlitz zwischen Ventil und Ventilsitz ausgepresst.
Während sie zwar den Vorteil einer verhältnismäßig einfachen Konstruktion boten, konnten die frühen Ventile hohe Milchströmungsmengen nicht wirksam behandeln. Die Homogenisierung tritt am wirksamsten bei verhältnismäßig kleinen Ventilspalten auf, was die Milchströmungsmenge bei einem gegebenen Druck begrenzt. So konnten höhere Strömungsmengen nur durch Vergrößerung des Durchmessers oder der Größe eines einzigen Homogenisierungsventils erreicht werden.
Neuere Arten von Homogenisierungsventilen waren erfolgreicher bei der Aufnahme hoher Strömungsmengen, wobei optimale Ventilspalte aufrechterhalten wurden. Einige der besten Beispiele dieser Bauart sind in US 4 352 573 und 4 383 769 (William D.Pandolfe) beschrieben, die auf die Inhaberin des vorliegenden Patents übertragen sind. Mehrfache Ringventilorgane werden aufeinandergestapelt. Die Mittelöffnungen der gestapelten Organe bilden eine gemeinsame Hochdruckkammer. Ringnuten werden auf der oberen und/oder unteren Oberfläche jedes Ventilorgans gebildet konzentrisch zur der Mittelöffnung. Die Nuten stehen in Fluidverbindung miteinander über axial gerichtete kreisförmige Öffnungen, die sich durch die Organe erstrecken, und zusammen bilden die Nuten und Öffnungen eine zweite, unter niedrigem Druck stehende Kammer. In jedem Ventilorgan ist die Wand zwischen der Mittelöffnung und den Nuten abgeschrägt, um Schneidkanten zu bilden. Jede Schneidkante bildet einen Ventilsitz in geringem Abstand von der gegenüberliegenden Ventilfläche am benachbarten Ventilorgan. Bei dieser Bauweise kann ein optimaler Ventilabstand für jede Strömungsmenge aufrechterhalten werden; höhere Strömungsmengen werden einfach dadurch aufgenommen, dass mehr Ventilorgane dem Stapel zugefügt werden. Solche Systeme erforderten hohe Betätigungskräfte und daraus entstehende Drücke, beispielsweise etwa 3,45–6,90 × 10⁶ Nm^–2 (500 bis 1000 psi), um den Homogenisierungsdruck im Homogenisierungsventil aufrecht zu erhalten.
US-A-5 749 650 beschreibt ein Homogenisierungsventil und ein Verfahren zur Homogenisierung eines Fluids mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1 bzw. 19.
Die Erfindung schafft ein Homogenisierungsventil, welches aufweist: ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass; ein Ventilorgan innerhalb des Gehäuses mit einem Ventilsitz, der mit einer Ventilfläche einen Spalt bildet, durch welchen Fluid von einem ersten Volumen mit hohem Druck, das in Verbindung mit dem Einlass steht, zu einem zweiten Volumen mit niedrigem Druck, das in Verbindung mit dem Auslass steht, radial ausgepresst wird; und ein Betätigungsorgan, das auf das Ventilorgan einwirkt, um die Breite des Spalts zu steuern; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Volumen und das zweite Volumen jeweils außerhalb bzw. mittig bezüglich des Ventilorgans liegen, und ferner eine Durchflussdrossel am Auslass vorgesehen ist, welche die Strömung des Fluids vom Ventil drosselt, um einen Rückdruck im Ventil zu erzeugen.
Entsprechend den bevorzugten Gesichtspunkten der Erfindung weist das Homogenisierungsventil ein Gehäuse und gestapelte Ventilorgane innerhalb des Gehäuses auf. Die Ventilorgane haben sie durchsetzende Mittelöffnungen, welche ein Niederdruckvolumen bilden.
Das homogenisierte Fluid fließt vom äußeren Hochdruckvolumen radial nach innen, wobei die Ventilorgane oder Ringe zur Erzielung einer verbesserten Standfestigkeit unter Kompression gesetzt werden, auf Kosten eines möglicherweise erforderlichen stärkeren und schwereren Ventilgehäuses. Ferner kann die Anordnung die axial gegen die Ventilanordnung ausgeübten Hochdruckkräfte ausgleichen.
Das Homogenisierungsventil kann wenigstens einen Ausgleichsmechanismus enthalten, der den Betrag der Betätigungskraft reduziert, welcher zur Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Homogenisierungsdruckes erforderlich ist. Somit können vorher existierende Betätigungsorgane für Anwendungen verwendet werden, wie Silikonemulsionen beim Beschichten von Geweben, welche eine noch höhere Betätigungskraft erfordern als sie gegenwärtig zur Verfügung steht. Infolge der reduzierten Betätigungskraft, die erforderlich ist, können erfindungsgemäß pneumatische Betätigungsorgane verwendet werden, die übliche Luftzuführvorrichtungen mit z.B. 5,8 × 10⁵ Nm^–2 (85 psi) benutzen.
Pneumatische Betätigungsorgane beseitigen das Erfordernis einer elektrischen Pumpe, eines Wärmeaustauschers einschließlich Kühlspulen und anderer zu hydraulischen Betätigungsorganen gehörenden Zubehörteilen.
Der Ausgleichsmechanismus enthält eine axial gerichtete Oberfläche, die dem äußeren Hochdruckvolumen ausgesetzt ist, um im Wesentlichen Kräfte vom äußeren Hochdruckvolumen gegen das Betätigungsorgan auszugleichen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform drückt das Betätigungsorgan gegen ein Kraftübertragungsorgan, das zwischen das Betätigungsorgan und das Ventilorgan eingeschaltet ist, und das Kraftübertragungsorgan enthält die axial gerichtete Oberfläche.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung sind Ringfedern, die benachbarte Paare vor Ventilorganen ausrichten, innerhalb Federnuten in den Ventilorganen angeordnet. Vorzugsweise sind die Federn im Hochdruckvolumen angeordnet, so dass die Federn weniger turbulenter Strömung ausgesetzt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Ausrichtorgan, wie eine Stange, vorgesehen, um die Winkelausrichtung des Stapels von Ventilorganen aufrecht zu erhalten.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung enthalten die Ventilorgane integrale Abstandselemente, um die Spalte auf vorbestimmten Breiten zu halten, wobei das Betätigungsorgan die Breite im Wesentlichen aller Spalte durch Zusammenpressen der Abstandselemente einstellt. Die Abstandselemente können aus einem ersten Material, wie rostfreiem Stahl, hergestellt sein, und die Ventiloberflächen können aus einem zweiten Material, wie Wolframkarbid, hergestellt sein. Diese Ausgestaltung macht die Abnützung des Ventilsitzes und der Oberfläche minimal, während ein Zusammenpressen der Abstandselemente möglich ist, um die Ventilspalte aufrecht zu erhalten.
Eine Strömungsdrossel ist am Auslass des Homogensierungsventils vorgesehen, um darin einen Rückdruck zu erzeugen. Das Ventil kann ferner eine axial gerichtete Oberfläche enthalten, die dem Rückdruck ausgesetzt ist, um im Wesentlichen Kräfte aus dem Rückdruck gegen das Betätigungsorgan auszugleichen. Das Betätigungsorgan kann hydraulisch oder pneumatisch sein.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Homogenisieren eines Fluids, welches umfasst: Auspressen eines Fluids durch einen Spalt aus einem ersten Volumen mit hohem Druck zu einem zweiten Volumen mit niedrigem Druck, das durch eine Anzahl von Ventilorganen gebildet ist; und Steuern der Weite des Spalts mit einem Betätigungsorgan; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Volumen und das zweite Volumen jeweils außerhalb bzw. innerhalb der Anzahl von Ventilorganen liegt, wodurch das Fluid durch den Spalt in einer Richtung nach innen bezüglich der Ventilorgane ausgepresst wird.
Die obigen und andere Merkmale der Erfindung einschließlich verschiedener neuer Einzelheiten der Bauweise und Kombinationen von Teilen oder andere Vorteile werden nun ausführlicher beschrieben mit Bezugnahme auf die Figuren und in den Ansprüchen klargestellt. Es wird bemerkt, dass Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung nur zur Erläuterung und nicht als Einschränkung der Erfindung dargestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
In den begleitenden Figuren beziehen sich Bezugszeichen auf die gleichen Teile in allen Darstellungen. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Es wurde vielmehr auf die Erläuterung der Grundgedanken der Erfindung Wert gelegt. Es zeigen:
1 einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines hydraulisch ausgeglichenen Homogenisierungsventils gemäß der Erfindung;
2 einen Schnitt längs der Linie 2–2 in 1;
3 einen Teilquerschnitt einer anderen bevorzugten Ausführungsform eines hydraulisch ausgeglichenen Homogenisierungsventils gemäß der Erfindung;
4 einen Schnitt längs der Linie 4–4 in 3;
5–7 das Gehäuse eines in 3 gezeigten Homogenisierungsventils, das veränderliche Zahlen von Ventilorganen aufnimmt;
8 eine Draufsicht auf das Beispiel eines Ventilorgans mit Abstandskissen gemäß der Erfindung;
9 eine Seitenansicht des in 8 gezeigten Ventilorgans;
10 einen Querschnitt längs der Linie 10–10 in 8;
11 eine vergrößerte Ansicht des mit „A" in 10 bezeichneten Kreisbereiches;
12 eine vergrößerte Ansicht des in 10 mit „B" bezeichneten Kreisbereiches;
13 eine Schrägansicht der Ventilorgane gemäß 1; und
14 eine andere Ausführungsform des in den 8-13 dargestellten Ventilorgans.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Querschnitt einer hydraulisch ausgeglichenen Hauptventilanordnung 2 für die Verwendung in einem Homogenisierungssystem (vollständiges System nicht dargestellt), das gemäß den Grundsätzen der Erfindung aufgebaut ist.
Die zu homogenisierende Emulsion oder Dispersion wird bei hohem Druck durch eine (nicht gezeigte) Pumpe gepumpt und an die Einlassöffnung 4 eines Einlassflansches 6 geliefert, wo sie zu einer äußeren, unter hohem Druck stehenden Kammer oder einem entsprechenden Volumen 8 geleitet wird. Ventilorgane 10, die allgemein ringförmig sind und sie durchsetzende Mittelöffnungen enthalten, um eine unter niedrigem Druck stehende innere Kammer oder ein entsprechendes Volumen 12 zu bilden, werden innerhalb eines Gehäuses 14 aufeinandergestapelt. Das Fluid oder die Flüssigkeit, die unter hohem Druck stehen, werden aus der Hochdruckkammer 8 durch Ventilspalte oder -schlitze 16 in die Niederdruckkammer 12 ausgepresst.
Das in die Niederdruckkammer 12 strömende Fluid tritt durch eine Auslassöffnung 42 eines Auslassflansches 44.
Zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung sind auf beiden Seiten der Längsachse A–A dargestellt, die eine auf der linken Seite mit drei Ventilspalten 16 und die andere auf der rechten Seite mit zehn Spalten. Die Anzahl von Spalten wird gesteuert durch Auswahl verschiedener Sätze von Ventilorganen, die in der Anordnung untergebracht sind. Die Spalte 16, die zwischen jedem Paar von Ventilorganen vorgesehen sind, bilden einen gedrosselten Durchlass, durch welchen die Emulsion oder Dispersion zur Niederdruckkammer 12 ausgepresst wird. Die Spalte 16 können entsprechend denjenigen ausgebildet sein, die in 3 von US 4 383 769 dargestellt sind. Vorzugsweise sind die Spalte 16 entsprechend denjenigen ausgebildet, die in den gemeinsam übertragenen Druckschriften US 5 749 650 und 5 899 564 beschrieben sind, wobei der Inhalt beider Patentschriften vollständig in die vorliegende Druckschrift aufgenommen wird.
Insbesondere liegt die Höhe des Spaltes 16 vorzugsweise zwischen 0,0330 und 0,0457 mm (0,0013 und 0,0018 inches), gewöhnlich etwa bei 0,0381 mm (0,0015 inches), jedoch in jedem Fall bei weniger als 0,0762 mm (0,003 inches). Diese Dimension ist definiert als der vertikale Abstand zwischen dem Ventilsitz oder Steg und der gegenüberliegenden, weitgehend ebenen Ventilfläche. Versuche haben gezeigt, dass der Spalt nicht einfach über 0,0762 mm (0,003 inches) vergrößert werden kann, um höhere Strömungsmengen zu erhalten, da solche Steigerungen zu geringerer Homogenisierungswirkung führen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform besitzt der Ventilsitz eine schneidenartige Form. Mit Bezugnahme auf die 10–13 wird dargelegt, dass auf der Zuströmseite, d.h. Hochdruckseite des Spaltes der Ventilsitz oder der Steg 52 unter einem Winkel von 45° abgeschrägt ist, wobei er gegen die Ventiloberfläche 51 absinkt. Im Spalt ist der Ventilsitz 52 über einen Abstand von idealerweise etwa 0,381 bis 0,508 mm (0,015 bis 0,020 inches), jedoch weniger als 0,15 mm (0,06 inches) eben. Auf der Abströmseite, d.h. Niederdruckseite des Spaltes 16 sinkt der Ventilsitz 52 weg von der Ventilfläche 51 unter einem Winkel von 5 bis 90° oder darüber, etwa 60° bei der dargestellten Ausführungsform, ab. Wie insbesondere in 12 dargestellt, ist die Ventilfläche 51 in gleicher Weise ausgebildet. Die Abströmenden der Ventilflächen überdecken die Ventilsitze oder Stege um nicht mehr als 0,635 mm (0,025 inches). Vorzugsweise überdecken die Abströmenden der Ventilflächen 51 die Ventilsitze 52 wenigstens in einer Höhe der Ventilspalte 16. Es hat sich auch gezeigt, dass keine Überdeckung zwischen den Ventilsitzen 52 und den Ventilflächen 51 ebenfalls wirksam sein kann.
Wieder entsprechend 1 ist der Stapel von Ventilorganen 10 gegen den Auslassflansch 44 an seinem unteren Ende durch O-Ringe 25 abgedichtet. Das oberste Ventilorgan 10 liegt an der oberen Platte 22 an, die über die innere Kammer 12 abdichtet. Die obere Platte 22 wird hydraulisch oder pneumatisch durch das Betätigungsorgan 26 über das dazwischenliegende Kraftübertragungsorgan 24 belastet. Eine Mutter 21 ist an der Betätigungsstange 34 vorgesehen, um die abwärts gerichtete Kraft auf das Organ 24 zu übertragen. Durch Änderung des Drucks eines hydraulischen Fluids oder pneumatisch im Betätigungsorgan 26 kann der auf die obere Platte 22 und von dort auf die Ventilorgane 10 durch die Betätigungsstange 34 ausgeübte Druck dynamisch eingestellt werden, um die Größe des Ventilspalts 16 zu steuern. Die Betätigungsstange 34 ent hält einen Absatz 33, um die obere Platte 22 und das Organ, (und zusätzlich den Abstandshalter 23 auf der linken Seite des Ausführungsbeispiels) durch Festziehen der Mutter 21 zusammenzuklemmen. O-Ringe 27 bilden eine Fluiddichtung zwischen dem Absatz 33 und der oberer Platte 22 und zwischen der oberen Platte und dem Organ 24. O-Ringe 43 bilden ferner eine Fluiddichtung zwischen dem Gehäuse 14, dem Organ 24 und dem Betätigungsorgan 26.
Das Betätigungsorgan 26 ist am Hauptgehäuse 14 der Ventilanordnung 2 durch Bolzen 35, Stifte und Muttern oder andere geeignete Befestigungsmittel befestigt. Vorzugsweise ist das Betätigungsorgan 26 ein dreistufiges pneumatisches Betätigungsorgan mit einer Einlassöffnung 37 und einer Auslassöffnung 39. Wie in der Technik bekannt, empfängt die Einlassöffnung 37 Druckluft, von wo sie zu drei Platten 41 geleitet wird, um die Oberfläche zu vergrößern, auf die die Druckluft einwirken kann. Niederdruck wird unter jeder Platte 41 über die Auslassöffnung 39 erzeugt.
Es ist bekannt, dass die Ventilspalte sich bei Gebrauch des Ventils vergrößern, da das Fluid den Ventilsitz und die Ventilflächen abnützt. Dies führt zu einer verminderten Druckdifferenz zwischen der äußeren Hochdruckkammer 8 und der Niederdruckkammer 12. Dementsprechend kann das Fluid nicht richtig homogenisiert werden. Bekannte Systeme haben das Betätigungsorgan dazu verwendet, eine erhöhte abwärts gerichtete Kraft anzuwenden, um die gewünschte Anzahl von Ventilspalten zu schließen (z.B. gewöhnlich zwei oder drei Ventilspalte, um einen konstanten Strömungsbereich aufrecht zu erhalten). Wie z.B. in US 4 383 769 beschrieben, verbiegt die abwärts gerichtete Kraft die oberen Ventilorgane, um die ge wünschte Anzahl von Ventilspalten zu schließen und die Druckdifferenz einzustellen.
Die erfindungsgemäßen Ventilorgane 10 enthalten Abstandselemente oder Kissen, welche ermöglichen, dass die Ventilorgane durch das Betätigungsorgan 25 so zusammengedrückt werden, dass im Wesentlichen alle Ventilspalte 16 eingestellt werden, um die Abnützung auszugleichen. Dies hat den Vorteil, dass ein vorbestimmter (und oftmals optimierter) Trennungsabstand zwischen dem Ventilsitz und der Ventilfläche aufrecht erhalten wird, wenn Abnützung eintritt.
Die 8–13 zeigen beispielhafte Abstandskissen 50, die einen Teil des Ventilorgans 10 bilden. Die Fläche 57 ist abgearbeitet, so dass die Abstandskissen 50 stehen bleiben. Die Ventilorgane 10 werden aufeinandergestapelt, wobei Abstandskissen 50 eines Ventilorgans die Unterseite 53 eines anliegenden Ventilorgans berühren, um die Ventilspalte 16 zwischen dem Ventilsitz und der gegenüberliegenden Ventilfläche 51 zu bilden. Statt dessen können die Abstandskissen 50 ein getrenntes Teil sein, das mit den Ventilorganen 10 verbunden oder neben diesen angeordnet ist. Die Abstandskissen 50 sind klein genug, so dass sie durch das Betätigungsorgan 26 zusammengepresst werden können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat jedes Abstandskissen 50 einen Oberflächenbereich von etwa 11 mm², der die Unterseite 53 eines anliegenden Ventilorgans 10 im zusammengebauten Zustand berührt. Dies macht möglich, dass jedes Abstandskissen 50 bis auf etwa 0,0508 mm (0,002 inches) zusammengepresst wird.
14 zeigt eine andere Ausführungsform des Ventilorgans, die mit dem Bezugszeichen 10' versehen ist. Das Ventilorgan 10' ist aus mindestens zwei Materialien gebildet: ei nem harten beständigen Material nahe dem Ventilsitz und der Ventilfläche, um die Abnützung derselben minimal zu machen, und einem verhältnismäßig weichen kompressiblen Material nahe den Abstandskissen 50, um ein Zusammendrücken derselben zu ermöglichen. Vorzugsweise ist ein innerer Ring 55 aus einem verhältnismäßig harten Material, wie Wolframkarbid, in einen äußeren Ring 56 aus weicherem Material, wie rostfreiem Stahl, eingesetzt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das harte Material eine Rockwell-Härtezahl (A-Skala) von höher als 90 und das kompressible Material hat eine Rockwell-Härtezahl (A-Skala) von nicht mehr als 80. Die Ringe 55,56 werden in ihrer Lage durch Formschlüssigkeit oder andere geeignete Verfahren, wie Schweißen, gehalten.
Die Ventilorgane 10 sind gegenseitig ausgerichtet und werden in der Stapelformung durch gekurvte oder wellenförmige Ventilfedern 18 gehalten, die in zusammenwirkenden Federnuten 20 in jedem Ventilorgan eingeschlossen sind. Die Ventilfedern 18 halten die Ventilorgane 10 auseinander, um die Ventilspalte 16 zu vergrößern, wenn der Betätigungsdruck bei einem Ventilreinigungsvorgang verringert wird. Zusätzlich helfen vier Flügel 15 oder Vorsprünge aus dem Gehäuse 14 bei der Aufrechterhaltung der Ausrichtung des Stapels von Ventilorganen, wie insbesondere in 2 gezeigt. Ferner können die Enden der Ventilfedern 18 gebogen werden, beispielsweise um 90°, und in eingesenkte Kerben oder Taschen 58 (siehe 8) in benachbarten Ventilorganen eingesetzt werden, so dass der Stapel von Ventilorganen vorzugsweise die Winkelausrichtung aufrecht erhält. Eine solche Formgebung verhindert eine Drehung der Ventilorgane 10 gegenseitig. Das heißt, die Abstandskissen 50 sind in vertikalen Reihen ausgerichtet, wenn sie vorzugsweise ausgerichtet sind.
Es ist auch wesentlich, dass die Ventilfedern 18 stromaufwärts der Ventilspalte 16 angeordnet sind, d.h. auf der Hochdruckseite der Ventilspalte. Bekannte Bauweisen haben das Fluid in eine geschlossene Umgebung zwischen den Ventilorganen ausgepresst. Erfindungsgemäß strömt jedoch das Hochdruckfluid durch den Federbereich, bevor es durch die Ventilspalte 16 ausgepresst wird. Dementsprechend befindet sich das ausgepresste Fluid in der offenen Kammer 12 und nicht über den Federn, wobei sich von dieser Anordnung herausgestellt hat, dass sie ein Rütteln der Ventilorgane 10 reduziert. Ein Rütteln oder Rattern der Ventilorgane 10 ist unerwünscht, da dies die Ventilorgane beschädigen kann, Lärm erzeugt und andere nachteilige Wirkungen bei Betrieb des Ventils 2 hervorruft.
Der Hochdruck des Fluids bewirkt eine aufwärts gerichtete Kraft auf die obere Platte 22 an einer Ringfläche derselben, die sich von den Ventilspalten 16 nach außen gegen die Kammer 8 erstreckt. Dieser Aufwärtskraft wirkt eine Abwärtskraft vom Betätigungsorgan 26 entgegen. Insbesondere übt das Betätigungsorgan 26 eine Kraft auf das Organ 24 aus, die wiederum eine Kraft auf die obere Platte 22 ausübt (und zusätzlich über einen Abstandshalter 23 auf die Ausführungsform auf der linken Seite).
Ein Ausgleichsmechanismus ist vorgesehen, um die vom Fluid auf das Betätigungsorgan 26 ausgeübte Nettoaufwärtskraft zu reduzieren. Ein bevorzugter Mechanismus enthält eine axial gerichtete Oberfläche 28 (siehe 1) am Organ 24, welche ermöglicht, dass das Hochdruckfluid in der Kammer 8 nach unten drückt und dadurch die Gesamtaufwärtskraft am Betätigungsorgan 26 reduziert. So ist ein geringerer Betätiaungsorgandruck erforderlich, um der vom Fluid ausgeübten Aufwärtskraft entgegenzuwirken. Dementsprechend kann ein kleineres und normalerweise billigeres Betätigungsorgan verwendet werden und es wird weniger Energie verbraucht. Zusätzlich kann das gleiche Betätigungsorgan für andere Anwendungen verwendet werden, welche eine höhere Betätigungskraft erfordern als sie gegenwärtig erforderlich ist.
Bekannte Systeme, wie das in US 4 383 769 beschriebene, pressen Fluid aus einer inneren Hochdruckkammer in eine Niederdruckkammer außerhalb der Ventilorgane aus. Die Form dieser Systeme macht es außerordentlich schwierig, die Aufwärtskraft voll auszugleichen, da jegliche Gegenkraft zwischen den Schneidenkanten ausgeübt werden muss. So entsteht dabei eine gewisse aufwärts gerichtete Kraft. Ein voller Ausgleich des Hochdruckbereichs des erfindungsgemäßen Ventils auf Kosten eines stärkeren Gehäuses ermöglicht, dass das gleiche Betätigungsorgan einen höheren Homogenisierungsdruck aufnimmt, der bei Anwendungen, wie Silikonemulsionen bei der Beschichtung von Geweben, angewendet wird.
Dampföffnungen 47,49 sind oberhalb und unterhalb des Stapels von Ventilorganen 10 vorgesehen, wie in 1 dargestellt, um im Ventil 2 Sterilität zu erhalten. Insbesondere wird Dampf oder ein anderes steriles Fluid unter hohem Druck in die Einlassöffnungen 47 eingeleitet und um das Organ 24 am oberen Ende und den Kolben 36 am unteren Ende geleitet, wo das Fluid durch die Auslassöffnungen 49 austritt. Auf diese Weise wird eine Verunreinigung des homogenisierten Fluids infolge von möglichem Austreten oder Auslecken von Fluid minimal gemacht.
Das Ventil kann ferner mit einem einstufigen Ventil 30 am Auslassflansch 44 versehen werden, das einen Rückdruck in der Kammer 12 erzeugt. Theorien legen nahe, dass ein solcher Rückdruck Kavitation unterdrückt und Turbulenz in der Kammer 12 steigert, wodurch der Wirkungsgrad des Ventils 2 steigt. Der bevorzugte Rückdruck liegt zwischen 5% und 20% des Drucks an der Einlassöffnung 4. Ein Rückdruck von etwa 10% hat sich als besonders brauchbar erwiesen. Das Ventil 30 enthält einen Kolben 31, der durch das Betätigungsorgan 32 verschoben wird, um die Auslassströmung zu drosseln. Es können auch andere geeignete Strömungsdrosseln gemäß der Erfindung verwendet werden.
Wenn das Ventil 30 angewendet wird, kann sich ein beträchtlicher Rückdruck in der Kammer 12 ergeben, der eine Aufwärtskraft (d.h. eine auf die obere Platte 22 zwischen den Ventilspalten 16 ausgeübte Kraft) auf das Betätigungsorgan 26 hervorruft. Um diese Aufwärtskraft zu reduzieren, erstreckt sich die Betätigungsstange 34 vom Betätigungsorgan 26 an ihrem oberen Ende bis zu einem Kolben 36 an ihrem unteren Ende. Der Kolben 36 enthält eine ringförmige Oberfläche 38, an der das Fluid in der Kammer nach unten drückt, was der Aufwärtskraft entgegenwirkt. Vorzugsweise nähert der Innendurchmesser des Kolbens 36 den Abstand zwischen Ventilspalten an, d.h. quer zum Mittelvolumen 12. Der Kolben 36 ist gegen das Ventil 2 durch O-Ringe 40 abgedichtet. So wird ein zweiter Gegenwirkungsmechanismus vorgesehen, um die Kraft des Rückdrucks auf das Betätigungsorgan 26 zu reduzieren.
3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines hydraulisch ausgeglichenen Homogenisierungs-Hauptventils 54, bei welchem gleiche Bezugszeichen sich auf die gleichen oder gleichartige Elemente beziehen. Das Ventil 54 enthält ein Ausrichtorgan oder eine Ausrichtstange 45, um die Winkelausrichtung des Stapels von Ventilorganen 10 aufrecht zu erhalten. Wie in 4 gezeigt, enthält jedes Ventilorgan 10 eine Nut am Umfang, welche die Stange 45 aufnimmt, wodurch die Ausrichtung der Ventilorgane aufrecht erhalten wird.
Da die Hochdruckkammer 8 sich auf der Außenseite der allgemein ringförmigen Ventilorgane 10 befindet, setzt die einwärts gerichtete Radialkraft jedes Element des Ventilorgans 10 unter Druck, wie durch Pfeile 54 in 4 gezeigt. Andere Systeme, wie das in US 4 383 769 gezeigte, haben die Hochdruckkammer auf der Innenseite der Ventilorgane, was zu einer nach auswärts gerichteten Radialkraft führt, welche die Ventilorgane unter Spannung setzt. Da die Ventilorgane 10 normalerweise aus einem gehärteten, brüchigen Material bestehen, halten sie zusammendrückenden Kräften viel besser Stand als Zugkräften, wodurch die erfindungsgemäße Bauweise dauerhafter wird.
Vorteilhafterweise kann das gleiche Gehäuse 14 verschiedene Anwendungen aufnehmen, die eine verschiedene Anzahl von Ventilspalten 16 erfordern, um Durchsatzmengen und Homogenisierungsdrücke zu verändern, wie in den 5 bis 7 gezeigt. Insbesondere durch Einsetzen und Herausnehmen von unteren Abstandshaltern 48 bzw. oberen Abstandshaltern 46 kann die Gesamtzahl von Ventilspalten 16 bei Benutzung des gleichen Gehäuses 14 verändert werden. 5 bis 7 zeigen elf, zwölf bzw. dreizehn Ventilspalte.
Die Erfindung wurde insbesondere mit Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele derselben beschrieben, es ist jedoch für den Fachmann klar, dass verschiedene Abänderungen in Form und Einzelheiten daran vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er durch die Patentansprüche definiert ist.

Claims

Homogenisierungsventil (2), welches aufweist: ein Gehäuse (14) mit einem Einlass (4) und einem Auslass (42); ein Ventilorgan (10) innerhalb des Gehäuses mit einem Ventilsitz (52), der mit einer Ventilfläche (51) einen Spalt (16) bildet, durch welchen Fluid von einem ersten Volumen (8) mit hohem Druck, das in Verbindung mit dem Einlass (4) steht, zu einem zweiten Volumen (12) mit niedrigem Druck, das in Verbindung mit dem Auslass (42) steht, radial ausgepresst wird; und ein Betätigungsorgan (26), das auf das Ventilorgan einwirkt, um die Breite des Spalts zu steuern; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Volumen (8) und das zweite Volumen (12) jeweils außerhalb bzw. mittig bezüglich des Ventilorgans (10) liegen, und ferner eine Durchflussdrossel (30) am Auslass (42) vorgesehen ist, welche die Strömung des Fluids vom Ventil (2) drosselt, um einen Rückdruck im Ventil zu erzeugen.
Ventil nach Anspruch 1, welches eine axial gerichtete Fläche (28) aufweist, die zu dem äußeren Volumen (8) mit hohem Druck hin freiliegt, um Kräfte von dem äußeren Volumen mit hohem Druck gegen das Betätigungsorgan (26) im Wesentlichen auszugleichen.
Ventil nach Anspruch 2, bei welchem das Betätigungsorgan (26) auf ein Kraftübertragungsorgan (24) drückt, das zwischen das Betätigungsorgan und das Ventilorgan (10) eingeschaltet ist, wobei das Kraftübertragungsorgan die axial gerichtete Fläche (28) enthält.
Ventil nach Anspruch 1, welches Ringfedern (18) aufweist, die benachbarte Paare von Ventilorganen (10) ausrichten, wobei die Federn innerhalb von Federnuten (20) in den Ventilorganen angeordnet sind.
Ventil nach Anspruch 4, bei welchem die Federn (18) im Hochdruckvolumen (8) angeordnet sind.
Ventil nach Anspruch 4, bei welchem jede Feder (18) ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei jedes Ende unter einem Winkel gebogen und in Kerben (58) von benachbarten Ventilorganen (10) angeordnet ist, um eine Winkelausrichtung der Ventilorgane aufrecht zu erhalten.
Ventil nach Anspruch 1, das ferner aufweist: eine Anzahl von Ventilorganen (10) zur Bildung einer Anzahl von Ventilspalten (16); und eine Anzahl von um den Umfang verteilten kompressiblen Abstandelementen (50) zwischen den Ventilflächen (51) und Ventilsitzen (52), um die Ventilspalte aufrecht zu erhalten.
Ventil nach Anspruch 7, bei welchem die Abstandselemente (50) mit den Ventilorganen (10) einstückig sind.
Ventil nach Anspruch 7, bei welchem das Betätigungsorgan (26) die Weite im Wesentlichen aller Spalte (10) durch Zusammenpressen der Abstandselemente (50) einstellt.
Ventil nach Anspruch 7, bei welchem die Abstandselemente (50) aus einem ersten Material (56) und die Ventilsitze (52) und die Ventilflächen (51) aus einem zweiten Material (55) hergestellt sind.
Ventil nach Anspruch 10, bei welchem das erste Material (56) rostfreier Stahl und das zweite Material (55) Wolframkarbid ist.
Ventil nach Anspruch 1, welches ferner eine axial gerichtete Fläche (38) aufweist, die gegen den Rückdruck freiliegt, um Kräfte vom Rückdruck gegen das Betätigungsorgan (26) im Wesentlichen auszugleichen.
Ventil nach Anspruch 1, welches ferner eine Anzahl von Ventilorganen (10) aufweist, die aufeinandergestapelt sind, sowie ein Ausrichtorgan (45), das die Winkelausrichtung der Ventilorgane aufrecht erhält.
Ventil nach Anspruch 13, bei welchem das Ausrichtorgan (45) einen Stab enthält.
Ventil nach Anspruch 1, bei welchem das Betätigungsorgan (26) ein hydraulisches Betätigungsorgan ist.
Ventil nach Anspruch 1, bei welchem das Betätigungsorgan (26) ein pneumatisches Betätigungsorgan ist.
Ventil nach Anspruch 1, welches ferner einen Stapel von ringförmigen Ventilorganen (10) mit Mittelöffnungen aufweist, welche das Volumen (12) mit niedrigem Druck definieren, wobei die Ventilorgane das Fluid homogenisieren, wenn es vom Volu men mit hohem Druck (8) radial nach innen durch dazwischen liegende ringförmige Ventilspalte (16) strömt, die durch gegenüberliegende Ventilflächen (51) und Ventilsitze (52) gebildet sind.
Verfahren zum Homogenisieren eines Fluids, welches umfasst: radiales Auspressen eines Fluids durch einen Spalt (16) aus einem ersten Volumen (8) mit hohem Druck zu einem zweiten Volumen (12) mit niedrigem Druck, das durch eine Anzahl von Ventilorganen (10) gebildet ist; und Steuern der Weite des Spalts mit einem Betätigungsorgan (26); dadurch gekennzeichnet, dass das erste Volumen (8) und das zweite Volumen (12) jeweils außerhalb bzw. innerhalb der Anzahl von Ventilorganen (10) liegt, wodurch das Fluid durch den Spalt (16) in einer Richtung nach innen bezüglich der Ventilorgane (10) ausgepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem ferner eine Kraft von dem äußeren Volumen (8) mit hohem Druck gegen das Betätigungsorgan (26) im Wesentlichen ausgeglichen (28) wird.
Verfahren nach Anspruch 18, welches ferner umfasst: Drosseln (30) des Auslasses des Fluids aus dem Volumen (12) mit niedrigem Druck, um einen Rückdruck gegen das Betätigungsorgan (26) zu erzeugen; und Ausgleichen (38) im Wesentlichen aller Kräfte vom Rückdruck gegen das Betätigungsorgan.
Verfahren nach Anspruch 18, welches ferner umfasst: Auspressen von Fluid durch eine Anzahl von Spalten (16) vom äußerer Volumen (8) mit hohem Druck zu dem Volumen (12) mit niedrigem Druck; und Zusammenpressen von Abstandselementen (50) auf die Ventilorgane (10) mit Betätigungsorgan (26), um die Weite im Wesentlichen aller Spalte (16) zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 18, welches ferner aufweist den Schritt der Ausrichtung (45) benachbarter Paare von Ventilorganen (10) mit Ringfedern (18) , wobei die Federn in Federnuten (20) in den Ventilorganen im Volumen (8) mit hohem Druck angeordnet sind.