DE60218306T2

DE60218306T2 - Zylinderventil und bajonett-rückschlagfilter mit schutz gegen übermässige strömung

Info

Publication number: DE60218306T2
Application number: DE2002618306
Authority: DE
Inventors: Wendell C. Las Cruces Hull; Barry E. Las Cruces Newton
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-05-25
Also published as: JP2004529301A; EP1397608A4; CA2449216A1; RU2003135611A; DE60218306D1; EP1397608B1; US6607007B1; CA2449216C; ATE354759T1; MXPA03010894A; EP1397608A1; AU2002303845B2; WO2002097314A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung (technisches Gebiet)
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ventile für die Durchsatzsteuerung von Fluiden, insbesondere Gasen, und insbesondere auf Ventile für ein sichereres Regulieren des Durchsatzes von gasförmigem Sauerstoff.
Stand der Technik
Sauerstoff wird in weitem Ausmaß in vielen medizinischen und industriellen Anwendungen benutzt. Wenn man eine tragbare Sauerstoffquelle benötigt, wird sie nahezu überall in Form von unter Druck stehendem molekularen Sauerstoff (O₂) in einem zylindrischen Behälter aus Stahl oder Aluminium geliefert. Der Sauerstoff wird gewöhnlich ebenfalls in solchen Zylindern transportiert. Die Zylinder sind mit einem Ventil versehen, das dazu verwendet wird, den Zylinder zum Leeren und zum Füllen zu öffnen und zu schließen. Häufig ist an dem Zylinderventil auch ein Druckregulator befestigt.
Sauerstoffzylinderventile, wie sie heutzutage vorhanden sind, waren in zahlreiche Brandereignisse mit manchmal katastrophalen Ergebnissen verwickelt. Wenn ein Zylinderventilsitz in Brand gerät, wird das daran befestigte Regulier- oder Verteilersystem starken Entzündungskettenmechanismen ausgesetzt, die häufig zu Bränden stromab von dem Zylinderventil führen.
Gegenwärtig gewöhnlich verwendete Zylinderventile in "Stopfenbauweise" haben einen drehenden Gewindesitzstopfen, der sich in Folge der Drehung eines an der Oberseite des Ventils angebrachten Handrads bewegt. Der Stopfen hat einen relativ großen nicht-metallischen Sitz.
Der Sitz ist während der Abgabe von gasförmigem Sauerstoff aus dem Zylinder aufgrund seiner Ausrichtung über der Ventildüse einem starken Strömungsaufprall ausgesetzt. Aufgrund des rotierenden Sitzmechanismus ist der Sitz weiterhin häufig einem starken Reibungseingriff mit der Ventildüse unterworfen. Diese beiden Vorgänge sind für den Fachmann unerwünscht, der die Feuergefahr bei der Handhabung von Sauerstoffzylindern kennt. Herkömmliche bekannte Ventile sind auch "schmutzig", da sie große Mengen unerwünschter Teilchen aufgrund ihres Betriebsmodus erzeugen (d.h. rotierender Sitz und Gewinde in dem mit Sauerstoff benetzten Teil des Ventils). Diese Teilchen setzen sich häufig in dem nichtmetallischen Sitz ab und steigern die Reibungsinteraktionen während des Öffnens und Schließens des Ventils.
Diese Ventile verwenden sehr häufig einen Hauptsitz aus Nylon, obwohl auch Polyphenylenoxid (PPO) und Polychlortrifluorethylen (PCTFE) zum Einsatz kommen. Sowohl Nylon als auch PPO haben basierend auf vorliegenden, die Sauerstoffverträglichkeit bewertenden Prüfstandards eine schlechte bis mäßige Verträglichkeit und liefern, wenn sie entzündet werden, eine große Energiemenge. PCTFE wird als mit Sauerstoff kompatibles Material angesehen, sein Druckmodul reicht jedoch nicht aus, um Drehmomente auszuhalten, die häufig beim Schließen von Ventilen von Hand aufgebracht werden. Als Folge haben Stopfenventile mit einem PCTFE-Sitz häufig eine beträchtliche Auspressung und würden in jüngster Zeit in eine große Anzahl von Bränden verwickelt. Der ausgepresste Sitz vergrößert das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen beim Auftreffen von gasförmigem Sauerstoff während der Abgabe, und man geht davon aus, dass die Verletzbarkeit des Sitzes durch eine gefährliche Strömungsreibungszündung stark zunimmt.
1 zeigt den allgemeinen bekannten Aufbau eines Behälters mit Ventil im Querschnitt, um die Funktion der inneren Elemente sichtbar zu machen. Diese Behältertypen für die Aufnahme von unter Druck stehendem Sauerstoff und anderen Gasen sind auf der Welt millionenfach im Einsatz. Eine mit 10 bezeichnete bekannte Ventilanordnung hat einen Stopfenabschnitt 11, der so mit einem Gewinde versehen ist, dass er sicher in die entsprechende Gewindeöffnung 12 am "oberen" Ende eines herkömmlichen Druckgaszylinders 15 oder -behälters geschraubt wird. In dieser Beschreibung und in den Ansprüchen beziehen sich "oben", "unten", "auf" und "ab" auf eine Ventilanordnung und einen Zylinder mit der Ausrichtung von 1, d.h. die Achse des zylindrischen Behälters ist senkrecht zum Boden, das Ventil sitzt auf dem Zylinder und der ebene Boden liegt auf dem Untergrund auf. (Dies ist die Position, in der herkömmli che zylindrische Behälter üblicherweise gelagert und transportiert werden, obwohl sie in praktisch jeder Position eingesetzt werden.) Natürlich kann die vorliegende Erfindung auch mit dem Behälter oder Gefäß jeder Position bezüglich der Vertikalen oder zum Untergrund einschließlich einer auf den Kopf gestellten Position verwendet werden, in der sich der Behälter während des Einsatzes oberhalb des Ventils befindet.
Bei herkömmlichen Ventilen für Gasbehälter, die manchmal "Sherman"-Ventile genannt werden, ist die Handhabungseinrichtung 17 mit einem Schaft 21 verbunden, der innerhalb des Hauptkörpers 20 durch eine Kappe oder Arretiermutter 18 erhalten ist. Der Schaft 21 greift an einem Gewindestopfen 23 an, der einen Schraubeingriff mit dem Körper 20 des Ventils 10 hat. An dem distalen Ende des Stopfens 23 ist ein Ventilsitz 24 gehalten, der gewöhnlich aus Nylon oder einem flexiblen Kunststoff geformt ist. Der Hauptkörper 20 hat einen radialen Kanal 25, durch den Gas in eine obere Kammer 27, die im Ventilkörper ausgebildet ist, eintreten und austreten kann. Der Körper hat eine untere oder erste Kammer 28, die um die Achse des Ventils herum angeordnet ist und über die Gas zu dem Innenraum 13 des Behälters 15 hin und aus ihm heraus strömen kann. Das Ventil hat eine imaginäre zentrale Längsachse, die insgesamt die Symmetrieachse des Körpers 20 ist und längs der sich, der Handgriff 17 und der Schaft 21 während des Betriebs verschieben. Der Körper 20 bildet eine innere ringförmige Düse 30 als Verengung, die die untere Kammer 28 von der oberen zweiten Kammer 27 trennt. Die untere oder erste Kammer 28 steht in Fluidverbindung mit der zweiten oder oberen Kammer 27, da sich in der Mitte der Düse 30 eine Öffnung befindet, durch die Gas strömen kann. Eine Drehung, beispielsweise eine Handdrehung, des Handgriffs 17 dreht auch den Schaft 21 mit dem gleichen Wert, da der Schaft mit dem Handgriff verbunden ist. In seiner Gewindeanordnung in dem Körper 20 dreht und verschiebt sich der Stopfen 23. Die Drehung des Handgriffs und des Schaftes 21 führt somit dazu, dass sich der Stopfen 23 in dem Körper 20 axial, beispielsweise nach oben und unten, bewegt. Der Sitz 24 ist mit der Oberseite der Düse 30 zum Schließen der Düsenöffnung in Kontakt bringbar. Die Drehung des Handgriffs 17 und des Schafts 21 in dem Schafteingriffsteil 19 verschiebt somit den Stopfen 23 und den Sitz 24 in einen Kontakt und aus diesem heraus bezüglich der Oberseite der Düse, um die Düse und somit das Ventil 10 für den Durchgang von Gas zu öffnen oder zu schließen. Zur Unterstützung der Abdichtung der Schaftpackdichtung wird gewöhnlich (jedoch nicht notwendigerweise) eine Schraubenfeder 33 verwendet. Eine Drehung des Handgriffs im Standard-Uhrzeigersinn (wie durch den Richtungspfeil in 1 gekennzeichnet) schraubt den Stopfen 23 nach unten und drückt den Sitz 24 gegen die Düse 30 zum Schließen des Ventils.
Der vorstehend üblicherweise verwendete Ventilaufbau hat mehrere funktionelle Nachteile, insbesondere wenn Sauerstoff das verwendete Gas ist. Die meisten der ernsthaft schädlichen Wirkungen treten auf, wenn ein Behälter 15, der unter Druck stehenden Sauerstoff enthält, geöffnet wird, um Sauerstoff für die Nutzung abzugeben. Dieser Abgabeschritt ist der häufigste Umstand für einen gefährlichen Brand. Es wird weiterhin auf 1 Bezug genommen. Wenn der Handgriff 17 im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, um den Sitz 24 von der Düse 30 für die Freigabe von unter Druck stehendem Sauerstoff aus dem Innenraum 13 des Behälters 15 zu trennen, strömt der Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsstrom durch die erste Leitung oder Kammer 28 und wird beim Durchgang durch die Öffnung der Düse 30 auf dem Weg zum Entweichen durch den zweiten Kanal 25 weiter beschleunigt. Üblicherweise trifft dieser Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsstrom direkt auf den Ventilsitz 24 unmittelbar nach dem Durchgang durch die Düse 30. Die sich schnell bewegenden Sauerstoffmoleküle schlagen gegen den Sitz 24, der gewöhnlich aus Nylon oder Kunststoff zugerichtet ist und sich in einem Zustand befindet, der zu einer gefährlichen Verbrennung des Sitzes führen kann. Die Verbrennung kann sich dann stromab durch das aus dem Ventil 10 austretende Gas ausbreiten.
Anzumerken ist auch, dass bei bekannten Vorrichtungen das Lösen des Sitzes 24 von der Düse 30 schnell vor sich geht, d.h. bereits eine Teilumdrehung des Handgriffs 17 und des Schafts 21 kann für eine vollständige Eingriffslösung des Sitzes von der Düse ausreichen. Anders ausgedrückt, durch die Drehung des Schafts 21 wird in dem Körper 20 der Sitz schnell nach oben bewegt, so dass der axiale Abstand der Trennung zwischen Sitz und Düse schnell zunimmt, was eine sehr schnelle Änderung von dem Strömungszustand "voll geschlossen" zu "fast ganz offen" führt. Dieses schnelle Öffnen des Ventils führt zu nahezu adiabaten Druckänderungen, welche die stromabseitigen Ventilbauelemente einschließlich des befestigten Reglers erwärmen. Es begünstigt auch eine schädliche mechanische Reibung und eine Gasströmungsreibung am Sitz 24 vorbei.
Die Sicherheit herkömmlicher Ventile wird weiterhin dadurch beeinträchtigt, dass der Gewindeabschnitt des Stopfens 23 durch den Gasstrom "benetzt" wird. Die wiederholte "Schrauben"-Drehung der metallischen Gewindeteile aneinander unter Reibung erzeugt häufig sehr feine Metallteilchen und Späne sowie andere kleine Abriebsteile. Wenn diese Gewindeteile von dem Gasstrom durch ein Ventil 10 benetzt werden, werden diese Teilchen frei in den Innenraum 13 des Behälters 15 abgegeben oder durch den Gasstrom durch die zweite Kammer 27 hindurch entfernt oder in dem Sitz 24 eingebettet. Der Aufprall dieser Teilchen mit hoher Geschwindigkeit an den brennbaren Elementen in dem System, insbesondere in Sauerstoffsystemen, kann Feuer entzünden. Deshalb sollte ein sichereres Ventil zur Verwendung in Sauerstoffsystemen alle Gewindebauelemente, die sich aneinander vorbei in Schraubeingriff bewegen, von dem Gasstrom isolieren.
Schließlich lassen sich bekannte Ventile nicht leicht an die Verwendung von Filtern anpassen, um eine Wandung und einen Aufprall von Teilchen an Ventilbauelementen zu verhindern. Teilchen (beispielsweise aus dem Schraubeingriff des drehbaren Schaftes 21 mit dem Körper 20, wie vorstehend beschrieben, oder aus Material, das in den Innenraum 13 während des Füllens des Zylinders wandert), fallen häufig in den Innenraum 13 des Druckzylinders 15 und sammeln sich dort an. Diese angesammelten Teilchen können dann von dem Gasstrom aus dem Behälter 15 während der Abgabe aufgenommen und von dem Ventil 10 oder stromab befindlichen Bauelementen geführt werden, so dass sie in gefährlicher Weise gegen den Sitz 24 und/oder andere Systemkomponenten fallen können. Ein sichereres Ventil würde eine Bewegung der Teilchen vom Inneren des Zylinders 15 dadurch verhindern, dass das in die erste Kammer 28 aus dem Innenraum 13 eintretende Gas gefiltert wird. Da jedoch Teilchen vorhanden sind und in den Zylinder geblasen werden, wenn er gefüllt wird, empfehlen Sicherheitsrichtlinien, dass solche Filter während des Füllens des Zylinders 15 nicht in Funktion sind, damit sich keine gefährlichen Teilchen auf der "falschen" Seite des Filters ansammeln, wo sie in das System zurückgeblasen werden können, wenn der Zylinder gefüllt wird.
Das US-Patent 6,102,367 offenbart einen Gashahn, der ein externes Betätigungselement und einen Verbindungsschaft zum Übertragen des Bewegung des Betätigungselements für das Öffnen sowie ein Schließelement aufweist, das so angeordnet ist, dass es an dem Dichtungssitz unter der Wirkung des Drucks des Gases gehalten wird. Um das Öffnen gegen den Druck des Gases zu erleichtern, hat das Betätigungselement eine zylindrische Hülse mit einem ersten Schraubgewinde, wodurch die Hülse axial bewegbar ist, wenn das Betätigungselement gedreht wird, und mit einem zweiten Schraubgewinde, das zum ersten Schraubgewinde entgegengesetzt ist und eine andere Ganghöhe hat, um die Wirkung zu ändern, die durch das erste Schraubgewinde entsteht.
Es besteht deshalb ein Bedürfnis nach einer sichereren Ventilvorrichtung zur Verwendung in unter Druck stehenden Sauerstoffsystemen. Die Erfindung wurde im Hinblick auf dieses Be dürfnis entwickelt. Das Ventil nach der Erfindung ist so ausgelegt, dass die üblichen Entzündungsmechanismen beseitigt sind, die bei Sauerstoffsystemen beobachtet wurden, und die Schwächen ausgeschlossen sind, die bei bekannten Ventilen in Stopfenbauweise ersichtlich sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG (OFFENBARUNG DER ERFINDUNG)
Die Erfindung ist eine Ventilvorrichtung. Insbesondere wird eine Ventilvorrichtung bereitgestellt, die die Gefahr eines Brandes in Hochdruck-Sauerstoffsystemen wesentlich verringert. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Verwendung als Stopfenventil auf üblichen zylindrischen Behältern geeignet, kann jedoch auch in vorteilhafter Weise bei irgendwelchen Druckgassystemen, insbesondere Sauerstoffsystemen oder Systemen mit mit Sauerstoff angereicherter Luft verwendet werden, wie sie bei vielen industriellen und medizinischen Anlagen oder Unterwasser-Tauchsystemen vorliegen. Das Ventil nach der Erfindung, sein zugeordneter erfinderischer Rußfilter sowie die Elemente zur Unterbindung von Überdurchsatz verringern das Potenzial für eine gefährliche Verbrennung an Ventilpunkten innerhalb von Sauerstofffördersystemen.
Erfindungsgemäß wird eine Ventilvorrichtung zum Steuern des Gasstroms zwischen einer Hochdruckzone und einer Zone mit niedrigerem Druck bereitgestellt, wie sie im Anspruch 1 definiert ist. Die Vorrichtung hat einen Hohlkörper mit einer Achse, mit einem Gewindeteil für einen Eingriff mit einem Handgriff und mit einem Hauptteil sowie eine erste Kammer und eine zweite Kammer, die in dem Körper ausgebildet sind; die erste Kammer steht mit der Hochdruckzone, die zweite Kammer mit der Zone mit niedrigerem Druck in Verbindung (die normalerweise vorhanden ist, bis das Ventil voll geöffnet ist); eine Düse in dem Körper, die die Kammern trennt, und eine Öffnung, die den Gasdurchgang zwischen den Kammern bildet; einen drehbaren Gewindehandgriff, der in Schraubeingriff mit dem Teil des Körpers für den Eingriff mit dem Handgriff bringbar ist; einen drehbar mit dem Handgriff verbundenen Schaft, wodurch der Handgriff bezüglich des Schafts drehen kann und der Schaft einen distalen Abschnitt hat; einen Sitz an dem distalen Abschnitt des Schafts, der mit der Düse in Kontakt bringbar ist, um gegen einen Gasdurchgang durch die Düse abzudichten, und wenigstens ein Dichtungselement; das axial zwischen dem Gewindeteil für den Eingriff mit dem Handgriff in der zweiten Kammer angeordnet ist. Eine Drehung des Handgriffs in dem Teil für den Eingriff mit dem Handgriff verschiebt den Schaft axial, wodurch der Sitz in Kontakt und au ßer Kontakt mit der Düse gebracht wird und sich der Handgriff während seiner Drehung bezüglich des Schaftes dreht, der bezüglich des Körpers drehfest ist.
Die Düse hat eine Hochdruck-(Stromauf-)Seite angrenzend an die erste Kammer und eine Niederdruck-(Stromab-)Seite angrenzend an die zweite Kammer. Bei einer Ausführungsform wird der Schaft in der zweiten Kammer angeordnet und ein axiales Verschieben des Schaftes bewegt den Sitz in den Kontakt mit der Niederdruckseite der Düse und aus diesem heraus, um die Öffnung für den Gasdurchgang zu schließen bzw. zu öffnen. Der Sitz kann eine Ringfläche aufweisen, die bezüglich der Achse schräg ist, wobei eine Axialbewegung des Schaftes die Entfernung zwischen der schrägen Fläche und der Düse ändert. Diese Anordnung erhöht die Belastungskontaktfläche für den Sitz und verringert seine Belastung. Sie reduziert auch den Strömungsaufprall, indem sie dafür sorgt, dass der Gasstromkontakt nur an einer abgewinkelten Kunststofffläche erfolgt. Die Düse kann weiterhin eine ringförmige abgeschrägte Fläche aufweisen, die einen Umfang der Öffnung begrenzt, die koaxial zur schrägen Fläche des Sitzes ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schaft in der zweiten Kammer angeordnet und erstreckt sich durch die Öffnung, wobei der distale Abschnitt des Schafts in die erste Kammer vorsteht und eine Axialverschiebung des Schafts den Sitz in und außer Kontakt mit der Hochdruckseite der zum Schließen und Öffnen vorgesehenen Düse bewegt und die Öffnung für den Gasdurchgang schließt.
Vorzugsweise hat der Schaft einen "drosselnden" oder verengten Strömungsabschnitt, der koaxial in der Öffnung angeordnet ist, wobei der Drosselabschnitt eine bezüglich der Achse schräge Ringfläche aufweist und die Axialbewegung des Schafts den Abstand zwischen der schrägen Fläche und der Düse ändert. Die Düse hat eine ringförmige abgeschrägte Fläche, die einen Umfang der zu der abgeschrägten Fläche koaxialen Öffnung bildet. Vorzugsweise sind der Drosselabschnitt und die Düse jeweils aus Metall hergestellt, wobei der gesamte eingeschränkte Strom des Gases bei einer Füll- und Entleerströmung zwischen dem Drosselabschnitt und der Düse stattfindet. Die Axialbewegung des distalen Abschnitts des Schafts in die erste Kammer erhöht den Abstand zwischen der schrägen Fläche und der Düse, wobei der Erweiterungsgrad des Abstands zwischen der schrägen Fläche und der Düse mit fortdauernder Drehung des Handgriffs zunimmt. Der proximale Abschnitt des Schafts steht in einem Gleitkontakt mit dem Körper und hat ferner wenigstens ein Dichtungselement, das radial zwischen dem proximalen Abschnitt und dem Körper und axial zwischen dem Gewindeteil für den Eingriff mit dem Handgriff und der zweiten Kammer angeordnet ist, so dass von der Drehung des Handgriffs in dem Gewindeteil für den Eingriff mit dem Handgriff erzeugter Abrieb von dem Schaft und dem Dichtungselement abgehalten wird, in die zweite Kammer einzutreten.
Der Handgriff ist vorzugsweise auch drehbar, um den Schaft zwischen einer Schließstellung, in der der Sitz mit der Düse in Kontakt steht, und einer Offenstellung zu bewegen, in der der Sitz keinen Kontakt mit der Düse hat. Der Schaft ist bezüglich des Handgriffs axial bewegbar. Ferner sind Einrichtungen zum Vorspannen des Schafts axial vom Handgriff weg vorgesehen, so dass, wenn sich der Schaft in der Offenstellung befindet, in welcher der Sitz von der Düse getrennt ist, bei einer abrupten Abnahme des Gasdrucks in der zweiten Kammer die sich einstellende schnelle Änderung im Druckgradienten über dem distalen Abschnitt des Schaftes die Druckkraft der Einrichtungen zum Vorspannen überwindet, wodurch der Schaft automatisch in die Schließstellung bewegt wird und die Öffnung für den fortgesetzten Gasdurchlass dicht macht.
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ventil bereitzustellen, das die Gefahr einer riskanten Verbrennung in Fördersystemen für gasförmigen Sauerstoff verringert.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Ventilvorrichtung die Möglichkeit beseitigt, dass von der Wirkung des Gewindeeingriffs zwischen Ventilteilen erzeugter Abrieb seinen Weg in den von Gas benetzten Abschnitt der Vorrichtung findet, indem (a) die benetzten Teile des Ventils von den Teilen der Vorrichtung isoliert werden, die durch Schraubeingriff aneinander reiben, und indem (b) ein Ventilschaft vorgesehen wird, der nicht dreht, wenn der Ventilhandgriff gedreht wird, jedoch die Drehung des Handgriffs den Ventilschaft axial verschiebt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zerbrechliche Ventilsitzkomponenten vor dem direkten Aufprall von Hochgeschwindigkeitsgasen und allen darin mitgerissenen Teilchen geschützt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Rückschlagventil- und Filtermechanismus vorgesehen wird, der es ermöglicht, dass Fremdteilchen in einen Druckbehälter eintre ten, jedoch die Teilchen hinter einer Filtersperre eingeschlossen werden, so dass sie daran gehindert sind, in ein Gasabgabesystem einzutreten.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie eine Unterbrechung bei einem Überdurchsatz Strom bereitstellt, so dass die Erfindung automatisch den dort durchgehenden Gasstrom im Falle eines auf einer Katastrophe beruhenden Lecks, eines Defekts oder eines Risikos in einem System unterbricht, das sich stromab befindet.
Weitere Ziele, Vorteile und Neuausgestaltungen sowie weitere Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung sind nachstehend teilweise in der ins Einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen angegeben und werden teilweise für den Fachmann bei Prüfung der folgenden Ausführungen ersichtlich oder können von ihm durch die Ausführung der Erfindung erlernt werden. Die Ziele und Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe der Geräte und Kombinationen realisiert und erreicht, die in den beiliegenden Ansprüchen angegeben sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen, die in die Beschreibung eingeschlossen sind und einen Teil von ihr bilden, veranschaulichen mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Prinzipien der Erfindung. Die Zeichnungen dienen lediglich dem Zweck der Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und sind nicht als Begrenzung der Erfindung auszulegen. In den Zeichnungen ist
1 eine axiale Schnittansicht einer bekannten typischen Sauerstoffzylinder-Ventilvorrichtung,
2 eine axiale Schnittansicht eines Teils des in Offenstellung gezeigten Ventils nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine vergrößerte axiale Schnittansicht eines Teils des Ventils von 2, der den Ventilsitz- und Düsenabschnitt der Vorrichtung zeigt,
4 eine axiale Schnittansicht des in der Schließstellung gezeigten Ventils nach einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des Ventils von 4, die den Ventilsitz- und Düsenabschnitt der Vorrichtung zeigt,
6 eine axiale Schnittansicht des in einer teilweise offenen Position nach etwa einer Umdrehung des Handgriffs gezeigten Ventils gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
7 eine vergrößerte axiale Schnittansicht eines Teils des Ventils von 6, die den Ventilsitz- und Düsenabschnitt der Vorrichtung zeigt,
8 eine axiale Schnittansicht des in der Schließstellung befindlichen Ventils gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zusammen mit dem Filterrückschlagventil nach der Erfindung, das sich ebenfalls in einem Schließzustand befindet,
9 eine axiale Schnittansicht des Ventils in der Position "offen nach einer Drehung" einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zusammen mit dem in einem geschlossenen Zustand befindlichen Filterrückschlagventil nach der Erfindung,
10 eine axiale Schnittansicht des in der voll geöffneten Position befindlichen Ventils gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zusammen mit dem Filterrückschlagventil nach der Erfindung in einer Offenstellung, um den Durchstrom von Gas durch das Ventil längs eines Füllwegs zu ermöglichen,
11 eine axiale Schnittansicht des in voll geöffneter Position befindlichen Ventils gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zusammen mit dem Filterrückschlagventil nach der Erfindung in einer Sperrstellung zum Ermöglichen eines Gasstroms durch einen Filter längs eines Abgabewegs durch das Ventil,
12 eine axiale Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die eine weitere Version des nicht drehenden Schaftmechanis mus, einen unter der Düse angeordneten geschützten Sitz und das zugehörige Filterrückschlagventilelement zeigt,
13 eine auseinandergezogene axiale Schnittansicht der in 12 gezeigten Vorrichtung,
14 eine axiale Schnittansicht einer Ausführungsform einer Ventilvorrichtung, die einen nicht drehenden Schaftmechanismus und einen über der Düse angeordneten geschützten Sitz zeigt,
14A eine vergrößerte Schnittansicht des Teils des in 14 gezeigten Schaftdichtungsmechanismus,
14B eine vergrößerte Schnittansicht einer möglichen alternativen Version des Teils des Schaftdichtungsmechanismus von 14,
15 eine axiale Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Ventilvorrichtung, die einen nicht drehenden Schaftmechanismus und einen unter der Düse angeordneten geschützten Sitz sowie einen eingebauten Unterbrechungsmechanismus bei Überdurchsatz zeigt,
16 eine axiale Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die eine weitere Version des nicht drehenden Schaftmechanismus, einen unter der Düse angeordneten geschützten Sitz und insbesondere ein zugehörendes Filterrückschlagventilelement zeigt,
17 eine axiale Schnittansicht des Filterrückschlagmechanismus von 16 und 12, die die Anordnung und Beziehung des Filterrückschlagventils zu einem herkömmlichen Gaszylinder und in ihm zeigt,
18A eine axiale Ansicht einer alternativen Version eines Filterrückschlagventilmechanismus nach der vorliegenden Erfindung mit einer Rückschlagventilanordnung für Überdurchsatz, wobei das Rückschlagventil in dem offenen Zustand für "Normalentleerung" gezeigt ist,
18B eine axiale Ansicht des Filterrückschlagventilmechanismus mit der in 18A gezeigten Rückschlagventilanordnung für Überdurchsatz, wobei das Rückschlagventil in dem geschlossenen Zustand für den "Überdurchsatz" gezeigt ist, und
18C eine axiale Ansicht des Filterrückschlagventilmechanismus mit der in 18A gezeigten Rückschlagventilanordnung für Überdurchsatz, wobei das Rückschlagventil in dem offenen Zustand für "normales Füllen" gezeigt ist.
Die Ausgestaltungen von 14 und 15 bilden keinen Teil der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(BESTE AUSFÜHRUNGSARTEN DER ERFINDUNG)
Das erfindungsgemäße Ventil verbessert die Verletzbarkeit aufgrund der üblichen Zündmechanismen, die in Sauerstoffsystemen beobachtet werden. Die Erfindung schließt die empfohlenen Konstruktionskriterien ein, die in den Normen erstellt wurden, wie ASTM G88, "Konstruktionsanleitung für Sauerstoffsysteme", ASTM G128, "Steuerung von Gefahren und Risiken in mit Sauerstoff angereicherten Systemen", ASTM G63, "Bewertung nicht-metallischer Materialien für die Verwendung mit Sauerstoff', und ASTM G94, "Bewertung von Metallen für die Verwendung mit Sauerstoff". Die Zündungsmechanismen, die durch die Konstruktionselemente dieses Ventils speziell beseitigt werden, sind die adiabate Kompression, die Strömungsreibung/Strömungserosion, der Teilchenaufprall, der mechanische Aufprall, die Reibungserhitzung und die Zündkette/begünstigte Zündung. Bevor Einzelheiten der Erfindung offenbart werden, werden ihre konstruktive Vorteile insgesamt erörtert.
Der Aufbau der Vorrichtung gewährleistet, dass der Hauptsitz gegenüber dem Entleerungsstrom geschützt ist und keinem "Strömungsaufprall" unterliegt. Dies verringert Zündmechanismen für den Sitz, wie Strömungsreibung und Strömungserosion. Die Sitzkonstruktion verwendet eine O-Ring-Dichtung oder eine Kunststoffdichtung, die sich unter der Düse befindet, so dass sie vor dem Hochgeschwindigkeits-Abgabestrom voll geschützt ist. O-Ring-Dichtungen werden gewöhnlich bei den bekannten Zylinderventilkonstruktionen nicht gefunden, sie sind jedoch bekannt dafür, dass sie Kunststoff hinsichtlich Langlebigkeit und verzeihender Funktion überlegen sind. Der Sitz der vorliegenden Konstruktion kann jedoch entweder eine O-Ring-Dichtung oder eine geformte Kunststoffdichtung benutzen. In jedem Fall befindet sich der Sitz/die Dichtung unter der Düse für einen überlegenen Schutz vor strömungsinduzierter Dynamik anstatt über der Düse wie bei anderen Zylinderventilkonstruktionen, was die schlechtestmögliche Ausrichtung für ein strömungsinduziertes Zündpotenzial ist. Bei den gegenwärtig bekannten Zylinderventilkonstruktionen für Oxidationszwecke befindet sich der Sitz/die Dichtung über der Düse, so dass die Entzündung des Sitzes aufgrund seiner Ausrichtung in eine Anzahl von Sauerstoffventilbränden verwickelt worden ist.
Die erfindungsgemäße Konstruktion gewährleistet, dass jede gedrosselte oder verengte Strömung des Sauerstoffs während der Abgabe oder beim Füllen an einer Metall-Metall-Zwischenfläche auftritt. Während des Abgabestroms erfolgt die Drosselung stromab von dem Sitz anstatt quer über das nicht-metallische Element des Sitzes wie bei den gegenwärtigen Ventilen in Stopfenbauweise. Bei der Füllströmung tritt die Drosselung stromauf von dem Sitz ein, jedoch noch an einer Metall-Metall-Zwischenfläche. Diese Auslegung verringert das Zündpotenzial durch "Strömungserosion/Reibung", was für nicht-metallische Oberflächen sehr schwer ist.
Ferner gewährleistet die Auslegung der vorliegenden Ventilvorrichtung, dass das Ventil langsam während der ersten vollen Drehung des Handgriffs öffnet. Typische andere Ventile öffnen progressiv schneller mit jeder teilweisen oder vollen Umdrehung des Ventilhandgriffs, so dass der Gasstrom schnell auf eine nahezu volle Strömung während der ersten vollen Drehung zunimmt. Schnelle Erhöhungen der Strömung fördern die unerwünschten Bedingungen für die Verbrennung. Wenn der Handgriff festfährt, was häufig beim Schließen des Ventils aufgrund der Notwendigkeit, den Kunststoffsitz jedes Mal beim Schließen des Ventils fortschreitend zu prägen oder einzudrücken, auftritt, ergibt sich ein schnelles Öffnen aufgrund der Tatsache, dass das Ventil plötzlich freibricht. Diese Ventilauslegung beseitigt diesen Nachteil dadurch, dass der Sitz unter der Düse angeordnet wird, um die Notwendigkeit für übermäßige Schließdrehmomente für ein vollständiges Abdichten des Ventils beim Schließen zu unterdrücken. Als Folge der Anordnung des Sitzes unter der Düse trägt der Zylinderdruck positiv zum Schließen des Ventils bei anstatt diesem wie bei Ventilen zu widerstehen, bei denen sich die Sitze über der Düse befinden. Der O-Ring-Sitz gewährleistet auch ein leckfreies Schließen bei niedrigem Drehmoment aufgrund seiner elastomeren Eigenschaften und ist Kunststoffsitzen hinsichtlich Erzeugung von leckfreien Zuständen weit überlegen.
Bei dem vorliegenden Ventil ist kein Dichtungsmittel vorhanden. Stattdessen wird eine dynamische Dichtungsauslegung für eine größere Abdichtungseffizienz bei hohem Druck unabhängig von der Schaftposition benutzt. Diese Dichtung dichtet den Schaft an jeder Position des Ventils effektiv ab. Da keine Dichtungsmittel vorhanden sind, wird jede Neigung des Ventils zum Verkleben beseitigt. Das Ventil sitzt weich und öffnet glatt. Diese Konstruktion schließt die Notwendigkeit aus, die Dichtungsmittel zurückzusetzen, wie dies der Fall bei anderen Zylinderventilkonstruktionen ist.
Bei der vorliegenden Ausgestaltung befinden sich aktive Gewinde nicht in dem mit Sauerstoff benetztem Teil des Ventils. Der Aufbau funktioniert deshalb sauber und erzeugt keinen Abrieb, der eine Anzahl von Zündmechanismen einschließlich Teilchenaufprall steigern würde. Ferner benutzt der Aufbau einen nicht drehenden Sitz, wodurch der Sitzzustand bewahrt wird und die Sitzzündmechanismen, wie Reibungsinteraktion, verringert werden.
Ein vorteilhaftes wahlweises Merkmal der bevorzugten Ausgestaltung besteht darin, eine Filtrierung des Stroms von dem Zylinder aus, ohne die Strömung in den Zylinder zu filtern, aufgrund einer Bajonettrückschlag-Filtervorrichtung vorzusehen. Dieses Merkmal ermöglicht es, dass in der Strömung während der Zylinderfüllvorgänge mitgerissene Teilchen und Abrieb harmlos in den Zylinder fallen, verhindert jedoch, dass Teilchen in den Zylinder während normaler Abgabevorgänge herauswandern. Die Bajonettrückschlag-Filtervorrichtung ist ein neues Element des Ventils und reduziert die Anzahl von Zündmechanismen, insbesondere den Teilchenaufprall, bei stromab befindlichen Komponenten. Diese günstige Ausgestaltung kann für sich allein sowie ausgehend auf Installationen bei anderen Ventilaufbauten, Zylinder- oder Rohrbankinstallationen oder sogar bei vorhandenen Ventilen nachträglich eingebaut zum Einsatz kommen.
Vorzugsweise haben die Metalle und Nichtmetalle, aus denen die Erfindung gefertigt wird, die beste Sauerstoffverträglichkeit und Verwendungshistorien für Materialien, die bei der Verwendung von Sauerstoff eingesetzt werden. Bei der bevorzugten Ausgestaltung genügen diese Materialien den Richtlinien nach ASTM G63 und ASTM G94.
Natürlich ist das Ventil der vorliegenden Erfindung zum Einsatz mit jedem Gas geeignet, dessen Strömung durch die Funktion eines Ventils gesteuert werden soll. Jedoch ist die Vorrichtung besonders gut zur Verbesserung der Sicherheit einer Ventilsteuerung eines Sauerstoff stroms geeignet. Zu vermerken ist auch, dass das Ventil nach der Erfindung auch für die Verwendung auf den üblicherweise verfügbaren herkömmlichen zylindrischen Gasbehältern angepasst ist. Somit kann es in dem "Folgemarkt" für die Installierung auf bereits vorhandenen Zylindern verwendet werden, um die Sicherheit zu verbessern. Alternativ kann die Vorrichtung als Ursprungsausrüstungs-Herstellerprodukt gefertigt werden, das auf neue Zylinder aufgesetzt wird.
Wie vorstehend erläutert, treten die gefährlichsten Zustände bei Sauerstoffventilsystemen während eines "Abgabe"-Zustands auf, wenn das Gas aus einer Hochdruckzone, beispielsweise aus dem Inneren eines Zylinders, an eine Zone mit niedrigerem Druck, beispielsweise an ein "stromabseitiges" Rohr oder Leitung, freigegeben wird. Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um diese gefährlichen Abgabezustände zu verbessern. Dementsprechend wird in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen Bezug auf eine "Hochdruckzone" und eine "Zone mit niedrigerem Druck" genommen. Diese Ausdrücke sind relativ zu sehen, d.h. die Hochdruckzone ist lediglich eine Stelle mit einem Gasdruck, der relativ größer als der in der Zone mit niedrigerem Druck während der Zeiten ist, nachdem das Ventil geöffnet ist und eine Drosselströmung vorliegt. Es werden keine Absolutdruckmessungen vorgeschlagen. Ferner ist es für den Fachmann leicht zu verstehen, dass nach dem Öffnen des Ventils und wenn die Drosselströmung aufhört, der Druck in dem Ventil einen Zustand in der Nähe des Gleichgewichts bei konstantem Durchsatz erreicht. Dementsprechend werden "Hochdruckzone" und "Zone mit niedrigerem Druck" im funktionellen Sinn für die erfindungsgemäße Vorrichtung anstelle von strikt begrenzten Betriebsbedingungen verwendet. Deshalb gilt üblicherweise, dass der Innenraum eines Druckzylinderbehälters die Hochdruckzone ist und man das Gas in ein stromabseitig befindliches Rohr sicher abgeben möchte, wobei das Rohr die Zone mit niedrigerem Druck ist. Somit ist das erfindungsgemäße Ventil so ausgebildet, dass es die Strömung aus der Hochdruckzone zu der Niederdruckzone, gewöhnlich die Innenseite des Zylinders bzw. der Außenraum des Zylinders, sicher reguliert, wobei das Ventil die Strömung von der einen Zone zur anderen steuert.
Unabhängig davon ist es für den Fachmann klar, dass die Bezugnahme auf eine Zone mit niedrigerem Druck und eine Zone mit hohem Druck, die zur Sicherstellung der Klarheit der Beschreibung getroffen wird, nicht ausschließt, dass das erfindungsgemäße Ventil als Gasleitung während des "Füllens" eines Zylinders verwendet wird. Während des Füllens eines Zylinders strömt natürlich Gas aus einer "Hochdruckzone" außerhalb des Zylinders in den In nenraum mit einem vergleichsweise niedrigeren absoluten Druck in dem Behälter, bis dieser auf das gewünschte Niveau gefüllt ist. Die Bezugnahmen in dieser Beschreibung und den Ansprüchen auf die Zonen mit hohem und niedrigerem Druck sind so auszulegen, dass sie für jede Situation gelten, in welcher der Gasdurchsatz über eine Druckdifferenz eingestellt werden soll, und zwar unabhängig davon, ob der Umstand das Entleeren eines Zylinders oder eine Strömung zwischen zwei Zonen eines komplexeren Systems ist.
2 bis 13 zeigen insgesamt die bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. 8 bis 12 zeigen die bevorzugte Ausgestaltung voll zusammengebaut, während 13 eine auseinandergezogene Ansicht ist, um die Positionsbeziehungen der Bauelemente klarzustellen. 2 bis 7 geben bestimmte vergrößerte Ansichten, was nachstehend näher erläutert wird. Das Ventil 40 nach der vorliegenden Erfindung hat in weitester Hinsicht eine Ausgestaltung, die in etwa zum bekannten und in 1 zu sehenden Ventil 10 ähnlich ist, und hat somit damit gemeinsame Funktionsaspekte, so dass die vorstehende Beschreibung der herkömmlichen Anordnung 10 den Hintergrund für die Beschreibung der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 40 bildet. Unabhängig davon werden nun wesentliche Unterschiede und Abweichungen, die dazu führen, dass das vorliegende Ventil erheblich sicherer ist, beschrieben oder auf andere Weise deutlich gemacht.
Das Ventil 40 wird zum Steuern des Gasdurchsatzes von einer Hochdruckzone 42, wie dem Innenraum eines zylindrischen Behälters (in 2 bis 13 nicht gezeigt) zu einer Zone mit niedrigerem Druck 43, beispielsweise einem Rohr oder einer Leitung (ebenfalls nicht gezeigt) verwendet, das/die abgedichtet an dem Auslasskanal 50 (8 bis 10) befestigt ist. Das Ventil 40 hat einen hohlen Körper 20, der insgesamt zylindrisch mit einer zentralen Längsachse sein kann. Der Körper 20 nimmt eine mit Gewinde versehene Mutter 106 für den Eingriff mit dem Handgriff auf und ist aus einem geeigneten Material, wie Messing, hergestellt, was in diesem Industriezweig bekannt ist. Von dem Körper 20 werden die untere oder erste Kammer 28 und die obere oder zweite Kammer 27 gebildet und befinden sich in dem Körper 20. Die erste Kammer 28 ist vorzugsweise eine insgesamt zylindrische Leitung, die über einen Einlasskanal 48, wie in 8 bis 10 zu sehen, in die Hochdruckzone 42 mündet oder in Fluidverbindung mit ihr steht. Die erste Kammer 28 kann wahlweise auch einen zusätzlichen Kanal 45 haben, der die Aufnahme einer Zusatzvorrichtung und deren Verwendung ermöglicht, beispielsweise eines Druckmessers, eines Überdruckventils, einer Berstscheibe oder dergleichen.
Die obere oder zweite Kammer 27 steht in Fluidverbindung mit der Zone 43 mit niedrigerem Druck mittels des Auslasskanals 50.
In dem Körper 20 befindet sich eine Düse 30, die in dem Hauptkörper vorzugsweise durch maschinelle Bearbeitung oder auf andere Weise einstückig ausgebildet ist. Die Düse trennt die Kammern 27, 28 und hat eine Hochdruckseite 71 angrenzend an die erste Kammer 28, eine Niederdruckseite angrenzend an die zweite Kammer 27 und eine Öffnung 52 für den Gasdurchgang zwischen den Kammern 27, 28 (3, 5 und 7).
Hauptsächlich in der zweiten Kammer 27 ist ein Schaft 21 angeordnet. Der Schaft 21 hat einen proximalen Teil und einen distalen Teil. An dem distalen Teil des Schaftes 21 ist ein Sitz 24, beispielsweise eine ringförmig geformte Dichtung oder ein O-Ring, befestigt und mit der Düse 30 in Kontakt bringbar, um die Öffnung 52 gegen den Durchgang von Gas abzudichten. Die O-Ring-Dichtung 24 kann aus einem mit Sauerstoff kompatiblen Material, wie CTFE oder VITON^®, oder weniger ideal aus Siliconkautschuk geformt werden.
Der mit Gewinde versehene Handgriff 17 hat einen Gewindeabschnitt 18, der in Schraubeingriff mit dem entsprechenden Gewindeteil 19 für den Eingriff mit dem Handgriff des Gehäuses bringbar und drehbar mit dem proximalen Teil des Schaftes 21 verbunden ist. Die Drehverbindung zwischen dem Handgriff 17 und dem Schaft 21 kann beispielsweise durch einen Kopfflansch 85 erreicht werden, der mit dem Handgriff verbunden ist. Der Handgriff 17 hat einen Hohlraum, in welchem der Schaftkopf 85 (das proximale Ende des Schafts 21) drehbar in "Schwalbenschwanz"-Weise angeordnet ist. Die Drehung des Handgriffs 17, wo der Gewindeabschnitt 18 des Handgriffs in Gewindeeingriff mit dem Handgriff-Eingriffsteil 19 des Körpers steht, ermöglicht es dem Handgriff, den Schaft 21, wie vorstehend beschrieben, axial zu drücken und zu ziehen.
Eine Handgriffskappe 106 befestigt den Handgriff 17 in dem Körper 20. Die Befestigung der Kappe 106 an den Körper erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines rechtsgängigen Gewindeeingriffs, während der Schraubeingriff des Handgriffs 17 mit dem Körper vorzugsweise mit Hilfe eines Linksgewindes erfolgt, so dass eine Drehung des Handgriffs nicht dazu führt, die Kappe 106 aus dem Körper zurückzuführen.
In dem Hohlraum im distalen Ende des Handgriffs 17 ist ein Kopfflansch 85 des Schaftes so drehbar, dass, wenn der Handgriff gedreht wird, sich der Schaft nicht dreht. Die Drehbewegung des Handgriffs 17 wird deshalb nicht auf den Schaft 21 aufgegeben. Wenn sich jedoch der Handgriff 17 axial während der Drehung aufgrund seines Schraubeingriffs mit dem Handgriff-Eingriffsteil 19 und mit der Kappe 106 verschiebt, wird eine solche Verschiebung auf den Schaft 21 übertragen.
Die Längsbewegung des Schafts wird vorzugsweise durch Kontakt des Handgriffs 17 mit einem oberen Schließanschlag 107 an der Kappe 106 oder mit dem unteren Offenanschlag 29 an dem Körper 20 gesteuert. Wie in 2 zu sehen ist, hat beispielsweise das distale Ende des Handgriffs 17 den unteren "Offen"-Anschlag 29 kontaktiert, wodurch der Schaft 21 daran gehindert wird, sich weiter nach unten zu bewegen, und ein "voll offener" Zustand angezeigt wird. Gleichermaßen hat der Handgriff 17 den oberen Schließanschlag 107 in 4 kontaktiert und hält den Schaft 21 davon ab, sich weiter nach oben zu bewegen (und so eine Beschädigung des Sitzes 24 zu verhindern), und zeigt einen "voll geschlossenen" Zustand an.
Demzufolge wird, wenn der Handgriff 17 gedreht wird (entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn), die Drehbewegung nicht auf den Schaft aufgeprägt. Stattdessen dreht sich der Handgriff 17 um die Ventilachse, während sich der Schaft nicht dreht, wenn sich der Handgriff um den Kopfflansch 85 dreht. Die Drehung des Handgriffs 17 führt dazu, dass er sich axial bezüglich des Körpers 20 aufgrund seines Schraubeingriffs mit dem an dem Handgriff angreifenden Teil 19 und der Kappe 106 bewegt. Der Handgriff 17 ist deshalb um die Körperachse bezüglich des Körpers und in Bezug auf den Schaft 21 drehbar. Wenn sich der Handgriff dreht, dreht sich der Schaft 21 nicht. Jedoch führt die Axialverschiebung des Handgriffs 17 dazu, dass sich der Schaft axial um einen entsprechenden Betrag verschiebt, da der Handgriff während der Uhrzeigerdrehung den Schaft 21 nach unten in den Ventilkörper 21" drückt", während er bei der Gegenuhrzeigerdrehung den Schaft nach oben oder aus dem Ventilkörper "zieht".
Der Schaft 21 ist somit in dem Körper 20 axial bewegbar, jedoch in Bezug auf den Körper 20 nicht drehbar. Der Kontakt zwischen dem Schaft 21 und dem Körper 20 hat kein Gewinde, sondern ist ein glatter Gleitkontakt, der wenig oder keine Teilchen durch den Oberflächenabrieb erzeugt. Die Drehung des Handgriffs 17 in dem Eingriffsteil 19 mit dem Handgriff bewegt den nicht drehenden Schaft 21 in steuerbarer Weise axial zur Bewegung des Sitzes 24 in Kontakt mit der Düse 30 und aus dem Kontakt heraus, wodurch die Öffnung 52 für den Gasdurchgang geschlossen bzw. geöffnet wird.
Da der Schaft 21 nicht dreht, erzeugt er keinen Abrieb, der in den Gasstrom durch die zweite Kammer 27 fallen und in den Strom getragen werden kann, der aus der Auslassöffnung 50 austritt. Ferner können eine oder mehrere Dichtungen 57 in einer Ringaussparung um das proximale Ende des Schaftes 21 herum angeordnet werden, wie es in 2, 4 und 6 gezeigt ist. Die Dichtung 57, die vorzugsweise aus VITON^®, einem Fluorpolymerprodukt von DUPONT, hergestellt wird, steht in Gleitkontakt mit der Innenwand des Körpers 20 und verhindert, dass durch das Reiben des Gewindeteils 18 des Handgriffs an dem Handgriffeingriffsteil 19 des Körpers erzeugter Abrieb in die obere Kammer 27 fällt. Die Dichtung 56 wird an Ort und Stelle gehalten und bildet einen Druckstoßschutz durch ein Paar von Unterlagenringen 58, beispielsweise aus Teflon^® oder aus Chlortrifluorethylen (CTFE). Diese schützende Dichtungsfunktion kann durch eine Anzahl von unterschiedlichen Arten von O-Ringen oder Dichtungen 58 ausgeführt werden. Auf jeden Fall wird der Gewindeeingriff des Handgriffs mit dem Körper von dem Gasstrom getrennt, und von diesem werden keine Gewindegänge benetzt. Demzufolge hat die Erfindung die vorteilhafte Ausgestaltung, dass der proximale Teil des Schafts 21 in Gleitkontakt mit dem Körper steht und eine oder mehrere Dichtungselemente oder Dichtungen 57 oder 48 radial zwischen dem proximalen Teil des Schaftes und dem Körper sowie axial zwischen dem Gewindeteil 19 für den Eingriff mit dem Handgriff und der zweiten Kammer 27 angeordnet sind, wodurch durch die Drehung des Handgriffs 17 in dem Körper erzeugter Abrieb durch den Schaft 21 und die Dichtungselemente 57 oder 58 davon abgehalten wird, in die zweite Kammer 27 einzutreten, wo er einen Brand herbeiführen könnte. Ein Vorteil der Erfindung besteht wiederum darin, dass, während der proximale Teil des Schaftes 21 sich in einem weichen Gleiteingriff mit der Wand des Körpers 20 befindet, das Dichtungselement oder die Dichtungselemente 57 (zusammen mit den Stützringen 58) sich axial zwischen der zweiten Kammer 27 und dem Gewindeteil 18 des Handgriffs befinden (beispielsweise über der ersteren und "unter" dem letzteren).
Besonders vorteilhaft ist die Anordnung des Sitzes 24 bezüglich der Öffnung 52, wie es besonders gut in 3, 5 und 7 zu sehen ist. Der Sitz 24 befindet sich in einer ringförmigen Aussparung um das distale Ende des Schaftes 21 herum. Die Aussparung des Sitzes 24 bildet eine Schutzmaßnahme für den Schutz gegenüber einem direkten Auftreffen des Gasstroms durch die Öffnung 52 aus der ersten Kammer 28 zur zweiten Kammer 27 des Ventils. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung ist auch zu sehen, dass das äußerste distale Ende 73 des Schaftes 21 sich über die axiale Position des Sitzes 24 hinaus erstreckt.
Somit verändert eine Axialbewegung des Schaftes 21 die Entfernung zwischen dem Sitz 24 und der abgeschrägten Fläche 63 der Düse, wobei die Entfernung zwischen null (geschlossen, 5) und einem Maximum (voll offen, 3) variierbar ist. Während des Öffnens des Ventils 40 sind die stärksten Gasaufprallstöße gegen das distale Erstreckungsende 61 des Schaftes 21 und in den Metall-Metall-Abschnitt nahe der Öffnung 52 anstatt gegen den Sitz 24 gerichtet.
Gemäß 2 bis 7 ist weiterhin zu sehen, dass die bevorzugte Ausgestaltung einen speziell geformten Schaft 21 mit einem sich allmählich verjüngenden Drosselabschnitt 75 hat, der durch die Öffnung 52 hindurch angeordnet werden kann. Der Drosselabschnitt 75 hat eine Ringfläche 76, die schräg bezüglich der zentralen Achse des Ventils 40 ist. Die Düse 30 hat eine ringförmig abgeschrägte Fläche 63, die einen Umfang der Öffnung 52 bildet und gegen die der Sitz 24 abdichtend gedrückt werden kann, wenn das Ventil geschlossen wird, wie es in 4 und 5 gezeigt ist. Die Drossel der Düse 30 wird jedoch von einer zylindrischen Wand 62 gebildet, wobei die Achse des imaginären Zylinders koaxial zu der Achse des Schaftes 21 ist. Dadurch ist die schräge Fläche 76 des Drosselabschnitts 75 koaxial zu der Wandfläche 62, so dass eine Axialbewegung des Schaftes 21 die Entfernung zwischen der schrägen Fläche 76 und der Wand 62 der Verengung der Düse verändert. Da der Drosselabschnitt 75 und die Düse 30 jeweils vorzugsweise aus einem dauerhaften Metall hergestellt sind, findet die gesamte Drosselung des Gases während eines Füllstroms oder eines Entleerungsstroms durch das Ventil 40 vorteilhafterweise zwischen dem vergleichsweise beschädigungs- und verbrennungswiderstandsfähigen metallischen Drosselabschnitt 75 und der Metalldüse 30 statt. Dies ist eine Verbesserung gegenüber bekannten Vorrichtungen, bei denen die Drosselung des Gases gewöhnlich zwischen einer Düse und einem relativ zerbrechlichen und verbrennbaren Ventilsitz 24 stattfindet.
Die Axialbewegung des distalen Abschnitts 73 des Schaftes 21 in die erste Kammer 28 erhöht den Abstand zwischen der schrägen Fläche 76 und der Düse 30, während die Erweiterungsrate dieses Abstands mit der fortschreitenden Drehung des Handgriffs 17 zunimmt. Aufgrund der Positionsbeziehungen der schrägen Fläche 76 des Schafts und der abgeschrägten Fläche 63 der Düse beschleunigt die Erweiterungsrate des Abstands dazwischen nicht derart schnell, wie bei den bekannten Ventilen. Stattdessen trennt die Anfangsdrehung des Handgriffs 17 den Sitz 24 von der Hochdruckseite 71 der Düse, veranlasst jedoch gleichzeitig ein erstes allmähliches Entfernen der schrägen Fläche 76 des Drosselabschnitts 75 des Schafts von der abgeschrägten Fläche 63 der Düse, wie dies bei der Position mit "einer Drehung offen" von 7 zu vermerken ist. Auf diese Weise wird die Gefahr eines plötzlichen Schallgeschwindigkeits-"Ausbruchs" des Gases von der Hochdruckzone 42 durch die Öffnung 52 zur Zone 43 mit niedrigerem Druck wesentlich und in vorteilhafter Weise reduziert.
Besondere Aufmerksamkeit gilt 8 bis 13. Die Vorrichtung nach der Erfindung hat vorzugsweise, jedoch wahlweise, ein Bajonettfilter-Rückschlagventil 90, um zu verhindern, dass Teilchenabrieb aus der Hochdruckzone 42 einen nachteiligen Zugang zu dem Ventilsitz 24 und den stromab liegenden Komponenten erhält. Das Filterrückschlagventil 90 hat ein hohles inneres Gehäuse 91, das einen axialen inneren Tunnel 94 bildet. Das innere Gehäuse 91 hat ein proximales Ende, das (beispielsweise durch Schraubeingriff) am distalen Ende des Körpers 20 festlegbar ist. Das innere Gehäuse hat wenigstens einen Verbindungskanal 95 an seinem proximalen Ende, der in Fluidverbindung mit der ersten Kammer 28 steht, wenn das proximale Ende an dem Gehäuse 20 befestigt ist, so dass Gas zwischen der ersten Kammer 28 und dem Tunnel 93 strömen kann. Das Gehäuse 91 hat auch ein distales Ende mit wenigstens einem Füllkanal 96, der in Fluidverbindung mit dem Tunnel 94 steht. In dem Gehäuse 91 ist wenigstens eine, und vorzugsweise eine Vielzahl von Filteröffnungen 97 axial zwischen dem Verbindungskanal 95 und dem Füllkanal 96 vorgesehen, durch die Gas zwischen dem inneren Tunnel 94 und dem Außenraum des inneren Gehäuses 91 strömen kann. Die Figuren zeigen, dass Filtermedien 100 in oder über den Filteröffnungen 97 angeordnet sind, so dass durch eine Filteröffnung strömendes Gas durch die Filtermedien strömen muss.
In dem Gehäuse 91 ist angrenzend an den Füllkanal 96 ein Stopfenelement 2 angeordnet, das axial zwischen der Offenstellung und einer Schließstellung bewegbar ist. Das Stopfenelement 102 kann beispielsweise eine Kugellagerkugel, vorzugsweise eine Saphirkugel sein. In der Schließstellung, wie in 16 zu sehen ist, ist das Stopfenelement 102 in Dichtungskontakt mit dem Stopfensitz 103. Wenn sich das Stopfenelement 102 in einer Offenstellung befindet, ist es außer Eingriff und entfernt von dem Stopfensitz 107, wobei eine solche Trennung es dem Gas ermöglicht, zwischen dem Tunnel 94 und dem Füllkanal 96 zu strömen.
Zur Vorspannung des Stopfenelements 102 in die Schließstellung in Kontakt mit dem Stopfensitz 103 sind Einrichtungen 104 vorgesehen, gewöhnlich eine Schraubenfeder, wobei jedoch auch andere bekannte Alternativen geeignet sind. In der Schließstellung verhindert das Stopfenelement 102 einen Gasstrom im Tunnel 94 direkt aus dem Förderkanal 96 zum Verbindungskanal 95, so dass alles Gas, das durch den Tunnel 94 strömt, zwangsweise durch die Filtermedien 100 geführt wird. Wenn weiterhin das Stopfenelement 102 sich in der Offenstellung befindet, kann Gas durch den Tunnel direkt aus dem Verbindungskanal 95 zum Füllkanal 96 strömen. Bei den meisten Druckzuständen wird das Stopfenelement 102 in einen Dichtungskontakt mit dem Stopfensitz 103 durch die Wirkung der Feder 104 gedrückt und in Kontakt gehalten.
Das Filterrückschlagventil 90 schützt so vor einem schädigenden Eintritt von schädlichem Abrieb in die erste Kammer 28 aus der Hochdruckzone 42. Ein solcher Abrieb sammelt sich häufig beispielsweise im Innenraum 13 der Druckbehälter 15 (1) an. Der Abrieb wird normalerweise in das Innere während des Ladens (Füllens) des Behälters 15 oder bei Normalbetrieb eingeführt.
Wenn die Erfindung in Betrieb ist, wird Füllgas aus der Niederdruckzone 43 zwangsweise in das Ventil 40 über den Kanal 50 geführt, d.h. das Gas wird in den Auslasskanal 50 eingespritzt, um den Behälterinnenraum 13 (1) mit Druck zu beaufschlagen. Während des Füll- oder Ladeprozesses strömt Gas aus der Zone 43 mit niedrigerem Druck zur Hochdruckzone 42 (deren tatsächliche Druckbedingungen gegenüber den hier gemachten Ausführungen umgekehrt sind, wenn ein Füllvorgang anstatt eines Entleerungsvorgangs vorgesehen wird). Während des Füllens strömt Gas aus der Zone 43 mit niedrigerem Druck durch den Auslasskanal 50, durch die zweite Kammer 27 und die Düse 30 weiter durch die erste Kammer 28 in den Tunnel 94. Der erhöhte Druck in dem Tunnel 94 führt das Stopfenelement 102 zwangsweise axial nach unten und weg von dem Stopfensitz 103, so dass das Stopfenelement 102 in eine Offenstellung gedrückt wird. Das strömende Gas kann deshalb frei direkt von dem Tunnel 94 aus durch die Füllöffnungen 96 in die Hochdruckzone 42 strömen (beispielsweise in den Innenraum eines Aufnahmezylinders), wie es in 10 gezeigt ist. Die Kraft des Füllgases, die in den Tunnel 94 strömt, überwindet die Kraft der Vorspanneinrichtung 104 und hält sie während des Füllvorgangs in einem zusammengedrückten Zustand sowie das Stopfenelement 102 außer Eingriff von dem Ventilsitz 103. Nach Abschluss des Füllvorgangs und beim Abschluss der Gasströmung in das Ventil 40 aus der Zone 43 mit niedrigerem Druck wird die Vorspanneinrichtung 104 freigegeben und drückt das Stopfenelement 102 zurück in Kontakt mit dem Sitz 103 (9), um jeden Rückstrom von Gas aus der Hochdruckzone 42 in den Tunnel 94 über die Füllöffnungen 96 zu verhindern.
Wenn der Gasstrom aus der Hochdruckzone 42 zur Zone 43 mit niedrigerem Druck (durch Betätigen des Handgriffs 17 und des Schaftes 21) freigegeben und reguliert werden soll, wird der Eingriff des Ventilsitzes 24 von der Düse 30 gelöst, so dass Gas aus der ersten Kammer 28 zur zweiten Kammer 28 strömen kann. Der (jetzt) relativ höhere Druck der Hochdruckzone 42 hält gekoppelt mit der Funktion der Vorspanneinrichtung 104 zwangsweise das Stopfenelement 102 in einer Schließstellung in Kontakt mit dem Stopfensitz 103. Als Folge tritt Gas in den Tunnel 94 aus der Hochdruckzone 42 ausschließlich über die Filteröffnungen 97 ein. Somit strömt während der Abgabe von Gas aus der Hochdruckzone das ganze Gas durch die Filtermedien 100, bevor es in den Tunnel 94, in die erste Kammer 28, durch die Öffnung 52 und weiter zur zweiten Kammer 27 gelangt, wie es in 11 zu sehen ist. Dementsprechend erreicht Abrieb in der Hochdruckzone 42 niemals den Tunnel 94. Stattdessen wird er an der Außenseite der Filtermedien 100 und somit in der Hochdruckzone zurückgehalten. Es bläst kein Abrieb in das Ventil 40, wo er ansonsten eine Verbrennung herbeiführen könnte. Das Bajonettfilter-Rückschlagventil 90 ermöglicht somit das Blasen von Abrieb in einen Behälter 15 während des Füllens, hält jedoch den Abrieb während des Entleerens fest und schützt die stromab liegenden Komponenten vor sich schnell bewegenden gefährlichen Teilchen.
Es wird insgesamt auf 2 bis 7 Bezug genommen. 2 zeigt die bevorzugte Ausführungsform in einer ganz offenen Position für eine maximale Abgabe durch die Düse 30. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der bevorzugten Ausführungsform und zeigt die relativen Positionen des Sitzes 24 und der Düse 30, wenn das Ventil ganz offen ist. 4 zeigt die bevorzugte Ausführungsform in der voll geschlossenen Position, während 5 eine vergrößerte Ansicht ist, die den Kontakt des Sitzes 24 mit der Hochdruckseite 71 der Düse zeigt. 6 zeigt die bevorzugte Ausführungsform in einer Position mit "einer Drehung offen", d.h. die Position des Sitzes 24 bezüglich der Hochdruckseite der Düse 30, nachdem der Handgriff 17 um eine einzige Drehung gedreht worden ist. Die Drehung des Handgriffs um eine vollständige Umdrehung führt zu einer äußerst minimalen Strömungsfläche aufgrund des geraden Abschnitts des Schafts 21, sorgt jedoch für eine große Trennung des Sitzes 24 von der Düse, wodurch nur eine sehr allmähliche Zunahme der Abgabe ermöglicht wird, um zu verhindern, dass schädliches Gas mit Schallgeschwindigkeit freigegeben wird, während der nichtmetallische Sitz von dem Bereich mit höherer Gasgeschwindigkeit aus verschoben wird.
Es wird weiterhin Bezug auf 2 bis 13 genommen. Das Ventil steuert wieder die Strömung eines Gases, insbesondere Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft, von einer Hochdruckzone 42 zu einer Zone 43 mit niedrigerem Druck. Eine Drehung des Handgriffs 17 in dem Handgriffseingriffsteil 19 verschiebt den Schaft 21, wodurch der Sitz 24 in Kontakt mit der Düse 30 und aus diesem heraus bewegt wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilsitz 24 mit der Hochdruckseite 71 der Düse in Kontakt bringbar. Zu jeder Zeit befindet sich der Sitz 24 in der unteren ersten Kammer 28. Ein Vorteil bei dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der vergleichsweise erhöhte Druck in der ersten Kammer 28 dazu neigt, den Schaft axial "nach oben" zu der Düse 30 hin vorzuspannen, d.h. zu der Schließstellung hin. Wie erwähnt, steht dies im Gegensatz zu den meisten bekannten Ventilen. Da sich der Sitz 24 auf der Hochdruckseite 71 der Düse 30 befindet, braucht der Benutzer der Vorrichtung den Handgriff 17 nicht so kräftig zu drehen, um eine zuverlässige Abdichtung des Sitzes an der Düse zu erreichen.
Wenn das Ventil, wie in 4 und 5 gezeigt, geschlossen ist, wird der Sitz 24 fest gegen die abgeschrägte Fläche 63 der Düse gedrückt. Die Anfangsdrehung des Handgriffs 17 trennt den Sitz 24 von der Hochdruckseite 71 der Düse und führt gleichzeitig zu einem ersten allmählichen Entfernen der schrägen Fläche 76 von dem Drosselabschnitt 75 des Schaftes aus der Verengung 62 der Düse, wie in 6 und 7 gezeigt ist. Auf diese Weise ist die Gefahr eines plötzlichen "Ausbruchs" des Gases mit Schallgeschwindigkeit von der Hochdruckzone 42 durch die Öffnung 52 zur Zone 43 mit niedrigerem Druck im Wesentlichen und in vorteilhafter Weise verringert. Eine fortgesetzte Drehung des Handgriffs führt zu einer allmählichen Steigerung des Abstands zwischen der Verengung 62 und/oder dem abgeschrägten Abschnitt 63 der Düse 30 und der schrägen Fläche 76 des Drosselabschnitts des Schafts.
Es wird nun auf 14 Bezug genommen. Bei dieser Ausgestaltung befindet sich der Sitz 24 über der Düse 30. Der Schaft 21 hat jedoch einen distalen koaxialen Fortsatz 61 mit einer radialen Form, die der Form und dem Radius der Öffnung 52 entspricht, sowie eine gegenüber ihr gerade etwas kleinere radiale Abmessung. Dieser distale axiale Fortsatz 61 des Schaftes 21 ist ein metallisches Element und bewegt sich mit der Axialbewegung des Schaftes in die Öffnung 52 und aus ihr heraus. Dadurch, dass er direkt zu der ersten Kammer 28 hin axial zwi schen der Kammer 28 und dem Sitz 24 vorhanden ist, schützt der distale Fortsatz 61 (und die Düse 52) den Sitz vor dem Auftreffen des Gasstroms mit hoher Geschwindigkeit direkt auf den Sitz 24. Somit erstreckt sich bei dieser Ausgestaltung kein Teil des Schaftes 21 tatsächlich in die erste Kammer 28, sondern bietet stattdessen den einfachen Zustand, voll in der zweiten Kammer 27 enthalten zu sein. Unabhängig davon wird der Sitz 24 vor einem direkten Auftreffen des Gases durch den distalen Fortsatz 61 geschützt, während der größte Teil der Gasdrosselung zwischen dem distalen Fortsatz 61 und der Düse erfolgt.
Wie in 14 zu sehen ist, besteht der Handgriff 17 bei dieser alternativen Ausgestaltung in Gewindeeingriff mit einem Gewindeteil 19 der Endkappe 106. Um Axialkräfte von dem Handgriff 17 auf den Schaft 21 zu übertragen, ist ein Verbindungsstift 54 vorgesehen. Der Verbindungsstift 54 dreht nicht, vielmehr dreht sich der Handgriff um den Verbindungsstiftkopfflansch 55. Eine Dichtung 57 in dem Verbindungsstift 54 unterbindet zusammen mit dem oberen Flansch 59 des Verbindungsstifts eine schädliche Wirkung von Abrieb aus dem Schraubeingriff zwischen den Handgriffsgewindegängen 18 und dem Gewindeabschnitt 19 der Kappe 106 und trennt die Gewindegänge von dem benetzten Teil des Ventils.
15 zeigt eine weitere Ausgestaltung mit einer vorteilhaften Unterbrechung bei Überdurchsatz und einen speziell geschützten Ventilsitz. Die alternative Ausgestaltung von 15 funktioniert ähnlich wie die bevorzugte Ausgestaltung von 2 bis 13. Die Verwendung eines speziell gestalteten distalen Abschnitts 73 des Schafts 21 erfordert jedoch eine spezielle Anordnung der Ausgestaltung, bei der der Schaft "von unten" installiert ist. Das Ventil 70 steuert wiederum den Strom eines Gases, insbesondere Sauerstoff, von einer Hochdruckzone 42 zu einer Zone 43 mit niedrigerem Druck. Der hohle Körper 20 hat einen Gewindeabschnitt 19 für den Eingriff mit dem Handgriff und einen Hauptabschnitt 22. Die erste Kammer 28 und die zweite Kammer 27 sind in dem Körper 20 ähnlich wie bei der Ausführungsform von 2 bis 13 ausgebildet, während die erste Kammer 28 in Fluidverbindung mit der Hochdruckzone 42 und die zweite Kammer 27 in Fluidverbindung mit der Zone 43 mit niedrigerem Druck stehen.
Die Düse 30 trennt die Kammern 27, 28, wobei die Düse eine Hochdruckseite 71 angrenzend an die erste Kammer 28, eine Niederdruckseite 72 angrenzend an die zweite Kammer 27 und eine Öffnung 52 für den Gasdurchgang zwischen den Kammern 27, 28 hat. Der Handgriff 17 steht in Schraubeingriff mit dem Gewindeabschnitt 19 für den Eingriff mit dem Handgriff des Gehäuses 20. Der Schaft 21 steht in Funktionsverbindung mit dem Handgriff 17 und ist in der zweiten Kammer 27 durch die Öffnung 52 hindurch angeordnet, wobei sich sein distaler Endabschnitt in die erste Kammer 28 erstreckt, wie in 15 gezeigt ist. Der ringförmige Ventilsitz 24 sitzt auf dem Endabschnitt 73 des Schaftes 21 und ist mit der Hochdruckseite 71 der Düse 30 in Kontakt bringbar, um die Öffnung 52 gegenüber dem Durchgang von Gas abzudichten.
Ähnlich wie bei der bevorzugten Ausgestaltung verschiebt eine Drehung des Handgriffs 17 den Schaft 21 und bewegt den Sitz 24 in und außer Kontakt mit der Hochdruckseite 71 der Düse. Ein Endflansch 73 an dem distalen Ende des Schafts 21 schützt den Ventilsitz 24 vor dem direkten Aufprallen eines Gasstroms aus der Hochdruckzone 42. Im Gegensatz zur Ausführungsform von 14 befindet sich der Sitz 24 immer in der unteren ersten Kammer 28 und ist dem vergleichsweise höheren Druck, der hier auftritt, ausgesetzt. Wie jedoch erwähnt, ist aufgrund des Endflansches 73 in der Konfrontationsbeziehung zum Einlasskanal 58 der Sitz vor schädlichen Reibungs- und Aufprallkräften geschützt, die auftreten, wenn die Strömung sich stromab vom Sitz 24 in der Düse 30 verengt (das Gas strömt weiter zu dem Auslasskanal 50, wenn der Handgriff 17 zum Bewegen des Schafts 21 und Öffnen des Ventils 70 gedreht wird).
Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der vergleichsweise erhöhte Druck in der ersten Kammer 28 dazu führt, den Schaft axial "nach oben" zu der düse 30 vorzuspannen, d.h. in die Schließstellung. Dies steht im Gegensatz zu den meisten bekannten Ventilen (1) und der Ausgestaltung von 14, in welcher der statische Gasdruck das Ventil zwangsweise öffnen möchte. Wenn sich der Sitz 24 auf der Hochdruckseite 71 der Düse 30 befindet, braucht der Benutzer der Vorrichtung den Handgriff 17 nicht so kräftig zu drehen, um eine zuverlässige geschlossene Abdichtung des Sitzes an der Düse zu erreichen. Ein Überdrehen des Handgriffs ist bei vielen bekannten Vorrichtungen, wenn man ein zuverlässiges Schließen des Ventils erreichen möchte, ein Faktor für eine vorzeitige Zerstörung der Ventilsitze und für die Erzeugung von unerwünschtem Abrieb aufgrund der schädlichen Beeinflussung der Sitzmaterialien.
Die Ausgestaltung von 15 nutzt in vorteilhafter Weise einen Verbindungsstift 54, der dem gleichen Zweck dient und die gleiche Funktion hat, wie sie in der Beschreibung der Ausführungsform von 14 offenbart wurde. Der Kopfflansch 55 des Verbindungsstifts 54 ist in dem Hohlraum im distalen Ende des Handgriffs 17 so drehbar, dass, wenn der Handgriff 17 gedreht wird, der Verbindungsstift sich nicht dreht. Die Drehbewegung des Handgriffs 17 wird deshalb dem Schaft 21 nicht aufgeprägt. Da sich jedoch der Handgriff 17 axial während der Drehung aufgrund seines Schraubeingriffs mit dem am Handgriff angreifenden Abschnitt 19 verschiebt, wird eine solche axiale Verschiebung auf den Schaft 21 durch den Verbindungsstift 54 übertragen.
Die alternative Ausgestaltung von 15 betrifft einen Unterbrechungsmechanismus bei Überdurchsatz. Der Unterbrechungsmechanismus bei Überdurchsatz ist eine Einrichtung, durch welche der Strom von Gas durch das Ventil 70 von der Hochdruckzone 42 zu der Zone 43 mit niedrigerem Druck automatisch im Falle eines abrupten Druckabfalls in der Zone mit niedrigerem Druck beendet wird. Ein solcher abrupter Druckabfall ist beispielsweise symptomatisch für einen Katastrophenfall in dem stromabseitigen Gasverteilungs- oder Fördersystem. Man möchte den Gasstrom aus dem Auslasskanal 50 sofort unterbinden, wenn ein Bruch in dem Stromabsystem vorhanden ist. Wenn das Ventil 70 ein Bauelement in einem industriellen Gasverteilungssystem ist, kann es dazu verwendet werden, den Gasstrom aus einer unter Druck stehenden Gasquelle (der Hochdruckzone 42) beispielsweise zu einem Gasmischer an einer stromabseitigen Stelle in einer Zone mit niedrigerem Druck zu dosieren. Im Falle einer Zerstörung des Mischers geht sofort Gas aus dem System an der Bruchstelle verloren. Ein solcher Bruch kann einen unbegrenzten Strom zu einem sich entwickelnden Brand einleiten, wenn er durch die bei Überdurchsatz wirksam werdende Eigenschaft des Ventils nicht beschränkt wird.
Ein stromabseitiger Bruch wird durch einen Überdurchsatz durch den Kanal 50 ersichtlich, der aufgrund des abrupten Druckabfalls infolge des Bruchs oder des Reißens auftritt. Dementsprechend möchte man, dass das Ventil 70 automatisch schließt, um sofort den Gasstrom zu der "stromabseitigen" Zone 43 mit niedrigerem Druck nach Feststellung des durch den Bruch verursachten Druckabfalls zu unterbrechen.
Der Unterbrechungsmechanismus bei Überdurchsatz hat einen Schaft 21, der sich unabhängig vom Handgriff 17 axial bewegen kann. In 15 ist zu sehen, dass der Handgriff 17 drehbar ist, um den Schaft 21 zwischen einer Schließstellung mit dem Sitz 21 in Kontakt mit der Düse 30 und einer Offenstellung mit dem Sitz ohne Kontakt mit der Düse zu bewegen. Jedoch ist der Schaft 21 unter ausgewählten Bedingungen axial bezüglich des Handgriffs 17 bewegbar.
Ein Hohlraum in dem distalen Ende des Handgriffs 17 enthält den Verbindungsstiftkopf 55. (Alternative Ausführungsformen haben keinen Verbindungsstift; in diesem Fall bildet das proximale Ende des Schafts 21 einen Kopf ähnlich dem Stiftkopf 55.) Die Anordnung des Kopfes 55 in dem Handgriffshohlraum ermöglicht es dem Handgriff, auf den Schaft 21 eine Axialbewegung aufzugeben. In dem Handgriffhohlraum befinden sich auch eine Feder 78 und eine Federkappe 79. Die Feder 78 liegt an dem Kopf 55 des Verbindungsstiftes 54 an oder ist daran befestigt. Die Feder 78 liegt auch an der Kappe 79 an. Die Feder 78 befindet sich gewöhnlich in einer Neutralstellung im Gleichgewicht gegenüber dem Zylinderdruck.
Man sieht jedoch, dass, wenn der Handgriff 17 gedreht wird, um sich axial nach unten in den Ventilkörper 20 zu bewegen, er auch die Kappe 79 nach unten "weg von" dem Handgriff bewegt. Die sich bewegende Kappe 79 drückt die Feder 78 zusammen, die elastisch in den Ruhezustand zurückkehrt und dadurch gegen den Verbindungsstiftkopf 55 drückt, wodurch auch der Schaft 21 nach unten gedrückt wird. Der Widerstand der Feder 78 gegen ein Zusammendrücken zwischen der Kappe 79 und dem Verbindungsstift 54 ermöglicht es so dem Handgriff 17, dass er den Schaft axial nach unten in dem Ventil zu dem Zustand "offen" hin drückt (der übergroße Verbindungsstiftkopf 55, der in dem Hohlraum des Handgriffs gehalten wird, ermöglicht es dem Handgriff, den Verbindungsstift 54 und den Schaft 21 nach oben zu der Schließstellung hin zu ziehen).
Die Kappe 79 sorgt für eine Lagerung, die eine Drehbewegung des Handgriffs 17 ermöglicht, während die Feder und der Verbindungsstift in einer nicht drehenden Form gehalten werden. Eine Drehung des Handgriffs bezüglich der Lagerflächen, die von dem abgerundeten Ende der Kappe 79 und der Oberseite des Gewindestifts 55 vorgesehen werden, ermöglicht eine Drehung des Handgriffs, die zu einer nicht drehenden Axialbewegung des Schafts führt. Da die Axialbewegung des Verbindungsstifts 54 zu einer entsprechenden Axialbewegung des Schafts 21 führt, an dem der Verbindungsstift befestigt ist, wirkt die Feder 78 effektiv als Einrichtung zum Vorspannen des Schaftes axial weg von dem Handgriff 17.
Unter normalen Betriebsbedingungen führen der Gewindeeingriff zwischen dem Handgriff 17 und dem Handgriffseingriffsteil 19 sowie die Verbindung zwischen dem Verbindungsstift 54 und dem Schaft 21 in Kombination mit dem Druck der Feder 78, um einen zusammengedrückten Zustand zu vermeiden, dazu, dass sich der Handgriff 17, die Feder 78, der Verbindungsstift 54 und der Schaft 21 zusammen axial nahezu wie eine einzige Einheit bewegen.
Dies ist eine Folge der Kraft der Feder 78, die dazu dient, den Kopf des Verbindungsstifts 55 gegen den Boden des Hohlraums in dem Handgriff 17 gedrückt zu halten, wobei dieser Zustand in 15 gezeigt ist. Anders gesagt, die Kappe 79 und der Verbindungsstiftkopf 55 werden einfach durch die Feder 78 zu den axialen Außenenden des Handgriffshohlraums gedrückt.
Wenn sich jeder der Schaft 21 in einer Offenstellung befindet, in welcher der Sitz 24 von der Düse 30 getrennt ist, und der Gasdruck in der zweiten Kammer 27 abrupt abnimmt, überwindet die sich ergebende schnelle Änderung im Druckgradienten über dem distalen Abschnitt 73 des Schaftes die Druckkraft der Feder 78 (oder einer anderen geeigneten Vorspanneinrichtung), wodurch der Schaft automatisch in die Schließstellung bewegt wird und die Öffnung 52 gegen den fortgesetzten Durchgang von Gas abdichtet. Der erhöhte Druckgradient führt zu einer Vergrößerung der Kraft an dem Endflansch 73 des Schafts, der die Federkraft ausgleicht und den Schaft 21 und den Verbindungsstift 54 axial nach oben drückt, wobei der Verbindungsstiftkopf 55 nach oben in den Handgriffshohlraum und entgegen der Druckkraft der Feder 78 verschoben wird. Diese Verschiebebewegung führt dazu, dass der Sitz 24 die Düse 30 wieder schließt. Das Ventil bleibt in einem "Gleichgewichts"-Zustand und lässt nur einen "Sicker"-Strom (äußerst minimal) zu, solange verhindert wird, dass der stromabseitige Druck aufgrund des durch einen Bruch verursachten Defekts zunimmt. Die Federkonstante der Feder 78 kann so gewählt werden, dass die gewünschte Empfindlichkeit des Unterbrechungsmechanismus bei Überdurchsatz bestimmt wird. Je "steifer" die Feder ist, desto größer ist die Abruptheit des Druckabfalls, der zur Aktivierung der Unterbrechung erforderlich ist. Die Erfindung stellt so eine einstellbare automatische Unterbrechung für einen Überdurchsatz in die Zone 43 mit niedrigerem Druck bereit.
15 zeigt, dass die Dichtung 57 radial zwischen den Wänden des Körpers 20 und dem distalen oder hinteren Teil 56 des Verbindungsstifts 54 angeordnet werden kann. Dies ist der Unterschied zur Ausführungsform von 14, in der das Dichtungselement oder die Dichtungselemente 57 radial zwischen dem Umfang des Schaftes 21 und dem Körper 20 angeordnet sind. Jede Ausführung dient jedoch genauso dazu zu verhindern, dass der Gewindeeingriff des drehenden Handgriffs 17 mit dem Handgriffeingriffsteil 19 von dem Gas benetzt wird.
16 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des Ventils 80 nach der vorliegenden Erfindung mit einem geschützten Ventilsitz 24, der unter der Düse 30 angeordnet ist, und mit dem nicht drehenden Schaft, wie er vorher bei den Ausführungsformen von 14 und 15 beschrieben wurde, sowie mit dem vorteilhaften Filterrückschlagventilmechanismus. Die Bezugszeichen in 16 beziehen sich auf die gleichen Elemente, die bei allen vorhergehenden beschriebenen Ausführungsformen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Deshalb dient die vorhergehende Beschreibung des Betriebs der bevorzugten Ausgestaltung und von 14 und 15 zur Beschreibung der Ausführungsform von 16. Das Ventil 80 steuert wiederum den Strom eines Gases, insbesondere Sauerstoff, von einer Hochdruckzone 42 zu einer Zone mit niedrigerem Druck 43. Der hohle Körper 20 hat einen mit Gewinde versehenen Teil 19 für den Eingriff mit dem Handgriff und einen Hauptteil 22. Die erste Kammer 28 und die zweite Kammer 27 sind in dem Körper 20 genauso wie bei der Ausführungsform von 15 ausgebildet, und die erste Kammer 28 steht in Fluidverbindung mit der Hochdruckzone 42, während die zweite Kammer 27 in Fluidverbindung mit der Zone 43 mit niedrigerem Druck steht.
Die Düse 30 in dem Körper 20 trennt die Kammern 27, 28, wobei die Düse eine Hochdruckseite 71 angrenzend an die erste Kammer 28, eine Niederdruckseite 72 angrenzend an die zweite Kammer 27 und eine Öffnung 52 für den Gasdurchgang zwischen den Kammern 27, 28 aufweist. Ein drehbarer, mit Gewinde versehener Handgriff 17 steht in Schraubeingriff mit dem Gewindeteil 19 für den Eingriff mit dem Handgriff des Körpers 20. Der Schaft 21 ist in der zweiten Kammer 27 angeordnet und steht in Funktionsverbindung mit dem Handgriff 17 über die Öffnung 52, wobei sich sein distaler Endabschnitt in die erste Kammer 28 erstreckt, wie in 16 zu sehen ist. Der ringförmige Ventilsitz 24, beispielsweise ein O-Ring, ist in einer kreisförmigen Ausnehmung in dem distalen Abschnitt 73 des Schafts 21 angebracht. Der Sitz 24 erstreckt sich von dem Schaft 21 radial nach außen und über einen ausreichenden Abstand, so dass er mit der Hochdruckseite 71 der Düse 30, insbesondere mit dem Ringwulst 82, in Kontakt bringbar ist, der die Hochdruckseite der Öffnung 52 umschließt. Das Anpressen des Sitzes 24 gegen den Wulst 82 dichtet die Öffnung 52 gegen den Durchgang von Gas ab.
Ähnlich wie bei der Ausführungsform von 15 verschiebt eine Drehung des Handgriffs 17 in dem Handgriffseingriffsteil 19 den Schaft 21 so, dass der Sitz 24 in Kontakt mit der Düse 30 und aus ihm heraus bewegt wird. Wie bei der Ausführungsform von 15 ist der Ventilsitz 24 mit der Hochdruckseite 71 der Düse in Kontakt bringbar. Eine an dem distalen Ende des Schaftes 21 befestigte Schaftkappe 84 schützt den Ventilsitz 24 gegen den direkten Auf prall eines Gasstroms aus der Hochdruckzone 42. Der Sitz 24 befindet sich immer in der unteren ersten Kammer 28 und ist dem vergleichsweise höheren Druck ausgesetzt, der der Zone 42 mit höherem Druck zugeordnet ist. Da sich die Schaftkappe 84 in einer gegenüberliegenden Beziehung zu dem Einlasskanal 48 befindet, schützt sie den vorstehenden Abschnitt des Sitzes 24 vor Reibungs- und Stoßkräften, die den Gasstrom aus dem Einlasskanal 48 begleiten. Der vergleichsweise erhöhte Druck in der ersten Kammer 28 führt vorteilhafterweise dazu, den Schaft in die "geschlossene" Stellung zu drücken. Da sich der Sitz 24 auf der Hochdruckseite 71 der Düse 30 befindet, braucht der Benutzer der Vorrichtung den Handgriff 17 nicht zu kräftig zu drehen, um eine zuverlässig geschlossene Abdichtung des Sitzes an der Düse zu erhalten.
16 zeigt weiterhin, dass der Schaft 21 einen Drosselabschnitt 75 hat, der koaxial in der Öffnung 52 angeordnet ist. Der Drosselabschnitt 75 bildet eine Ringfläche, die bezüglich der zentralen Achse des Ventils 80 schräg abgewinkelt ist. Eine Axialbewegung des Schaftes 21 ändert den Abstand zwischen der schrägen Fläche 76 und der Düse 30. Da der Drosselabschnitt 75 und die Düse 30 jeweils vorzugsweise aus einem dauerhaften, kompakten und nicht brennbaren Metall hergestellt sind, erfolgt die gesamte Drosselung des Gases während eines Füllstroms oder eines Entleerungsstroms über das Ventil 80 vorteilhafterweise zwischen dem vergleichsweise beschädigungs- und verbrennungswiderstandsfähigen Drosselabschnitt 75 der Düse 30.
Bei dieser Ausführungsform sind wie bei der von 15 ein oder mehrere Dichtungselemente 57 axial zwischen dem Gewindeteil 19 für den Eingriff mit dem Handgriff des Körpers und der zweiten Kammer 27 so angeordnet, dass von der Drehung des Handgriffs 17 in Abriebskontakt mit dem Handgriffseingriffsteil des Körpers erzeugter Abrieb daran gehindert wird, in die zweite Kammer 27 aufgrund des Vorhandenseins des Dichtungselements 57 einzutreten. 16 zeigt, dass das Dichtungselement 57 radial zwischen den Wänden des Körpers 20 und dem Verbindungsstift 54 angeordnet werden kann, um zu verhindern, dass der Gewindeeingriff des drehenden Handgriffs 17 mit dem Gewindeeingriffsteil 19 von dem Gas aus der zweiten Kammer 27 benetzt wird. Während der Verbindungsstift 54 sich in einem weichen Gleitkontakt mit den Wänden des Körpers 20 befindet, sind das Dichtungselement oder die Dichtungselemente 57 axial zwischen der zweiten Kammer 27 und dem Gewindeteil 18 des Handgriffs angeordnet.
Genauso wie die vorher beschriebenen Ausführungsformen macht die von 16 vorteilhaft Gebrauch von dem Verbindungsstift 54, der dem gleichen Zweck dient und die gleiche Funktion hat, wie sie anhand der Ausführungsform von 14 beschrieben ist.
Bei der in 16 zu sehenden Ausführungsform wird ein Bajonettfilter-Rückschlagventilfilter 90 verwendet, das im Wesentlichen genauso gestaltet ist und funktioniert wie das Bajonettventil 90, das vorstehend anhand der bevorzugten Ausgestaltung von 8 bis 13 beschrieben wurde. Das Bajonettfilter-Rückschlagventil 90 wirkt im Wesentlichen genauso wie die in 16 beschriebene Version. Das Filterrückschlagventil 90 hat ein hohles inneres Gehäuse 91, das einen axialen inneren Tunnel 94 bildet. Das innere Gehäuse 19 hat ein proximales Ende, das an dem distalen Ende des Körpers 20 anbringbar ist. Das innere Gehäuse hat wenigstens einen Verbindungskanal 95 an seinem proximalen Ende, der in Fluidverbindung mit der ersten Kammer 28 steht, wenn das proximale Ende an dem Körper 20 befestigt ist, wodurch Gas zwischen der ersten Kammer 28 und dem Tunnel 94 strömen kann. Das Gehäuse 91 hat auch ein distales Ende mit wenigstens einem Füllkanal 96, der in Fluidverbindung mit dem Tunnel 94 steht. In dem Gehäuse 91 ist wenigstens eine und vorzugsweise eine Vielzahl von Filteröffnungen 897 axial zwischen dem Verbindungskanal 95 und dem Füllkanal 96 vorgesehen, durch die Gas zwischen dem inneren Tunnel 94 und der Außenseite des inneren Gehäuses 91 strömen kann. In den oder über den Filteröffnungen 97 ist ein Filtermedium 100 so angeordnet, dass durch eine Filteröffnung strömendes Gas durch das Filtermedium strömen muss.
In dem Gehäuse 91 ist angrenzend an die Füllöffnung 96 ein Stopfenelement 102, vorzugsweise eine Saphirkugel, angeordnet, die axial zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung bewegbar ist. In der Schließstellung steht das Stopfenelement 102, wie in 8 zu sehen ist, in Dichtungskontakt mit dem Stopfensitz 103. Wenn sich das Stopfenelement 102 in der Offenstellung befindet, ist der Eingriff mit dem Stopfensitz 103 gelöst, und es befindet sich entfernt davon, so dass eine solche Trennung den Durchstrom von Gas zwischen dem Tunnel 94 und dem Füllkanal 96 ermöglicht.
Eine Vorspanneinrichtung, wie eine Schraubenfeder 104, drückt das Stopfenelement 102 zur Schließstellung in Kontakt mit dem Stopfensitz 103 hin. Wenn es sich in der geschlossenen Position befindet, verhindert das Stopfenelement 102 einen Gasstrom in dem Tunnel 94 direkt aus dem Füllkanal 96 in den Verbindungskanal 95, so dass das durch den Tunnel 94 strömen de Gas zwangsweise durch das Filtermedium 100 geführt wird. Wenn sich das Stopfenelement 102 in der Offenstellung befindet, kann das Gas durch den Tunnel direkt aus dem Verbindungskanal 95 zum Füllkanal 96 strömen. Unter den meisten Druckzuständen wird das Stopfenelement 102 in den abdichtenden Kontakt mit dem Stopfensitz 103 durch die Wirkung der Feder 104 gedrückt und gehalten.
Während des Befüll- oder Ladeprozesses strömt, wie in 10 durch die Richtungspfeile gezeigt ist, Gas aus der Zone 43 mit niedrigerem Druck durch den Auslasskanal 50, durch die zweite Kammer 27, die Düse 30 und weiter durch die erste Kammer 28 in den Tunnel 94. Der erhöhte Druck in dem Tunnel 94 zwingt das Stopfenelement 102 axial nach unten und von dem Stopfensitz 103 weg, wodurch das Stopfenelement 102 in eine Offenstellung gedrückt wird. Das strömende Gas kann dadurch direkt aus dem Tunnel 94 weiter durch die Füllkanäle 96 und in den Innenraum eines zylindrischen Behälters frei fließen. Die Kraft des Füllgases, das in den Tunnel 94 strömt, überwindet die Kraft der Vorspanneinrichtung 104 und hält sie in einem zusammengedrückten Zustand, während der Eingriff des Stopfenelements 104 mit dem Stopfensitz 103 während des Füllvorgangs gelöst ist.
Nach Abschluss des Füllvorgangs und bei Beendigung des Gasstroms in das Ventil 80 aus der Zone 43 mit niedrigerem Druck wird die Vorspanneinrichtung 104 freigegeben und drückt das Stopfenelement 102 zurück in Kontakt mit dem Sitz 103, wodurch jeder Rückstrom von Gas aus der Hochdruckzone 42 in den Tunnel 94 über die Füllkanäle 96 verhindert wird.
Während der Gasentleerung, die in 11 durch Richtungspfeile veranschaulicht ist, wird der Eingriff des Ventilsitzes 24 und der Düse 30 gelöst, so dass Gas aus der ersten Kammer 28 in die zweite Kammer 27 strömen kann. Der relativ höhere Druck in der Hochdruckzone 42 hält jedoch in Verbindung mit der Funktion der Vorspanneinrichtung 104 das Stopfenelement 102 zwangsweise in einer Schließstellung in Kontakt mit dem Stopfensitz 103. Demzufolge tritt Gas in den Tunnel 94 aus der Hochdruckzone 42 ausschließlich über die Filteröffnungen 97 ein. Dadurch strömt während der Gasabgabe aus der Hochdruckzone das gesamte Gas durch das Filtermedium 100, bevor es in den Tunnel 94, in die erste Kammer 28, durch die Öffnung 52 und weiter zu der zweiten Kammer 27 gelangt. Dadurch erreicht Abrieb in der Hochdruckzone 42 niemals den Tunnel 94. Stattdessen wird er an der Außenseite des Filtermediums 100 und somit in der Hochdruckzone zurückgehalten. Es bläst also kein Abrieb in das Ventil 80, wo er ansonsten eine Verbrennung herbeiführen könnte. Das Bajonettfilter-Rückschlagventil 90 erlaubt deshalb, dass Abrieb in einen Behälter 15 während des Füllens geblasen wird, hält jedoch den Abrieb während der Abgabe dort, so dass stromab befindliche Bauelemente vor sich schnell bewegenden gefährlichen Teilchen geschützt werden.
17 zeigt das Bajonettfilter-Rückschlagventil 90 in einer Position auf einem Zylinder oder Behälter 15. Das Filterrückschlagventil 90 kann sich, wie in 8 bis 11 gezeigt ist, in den Innenraum 13 des Behälters 15 erstrecken. Das Filterrückschlagventil 90 kann mit bekannten herkömmlichen Ventilanordnungen 10 (1) verbunden werden und somit unabhängig von der Ventilanordnung 40, 70, 80 oder 90 nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Vorzugsweise wird jedoch das Rückschlagventil 90 in Verbindung mit der Ventilanordnung 40, 70, 80 oder 90 nach der vorliegenden Erfindung verwendet, um seine Vorzüge zu maximieren.
Die Bauelemente und die Funktion des Bajonettrückschlagventils 90 können mit den Elementen einer Unterbrechung bei Überdurchsatz integriert werden. 18A bis 18C zeigen vergrößerte Ansichten einer Kombination eines Filterrückschlagventils und eines bei Überdurchsatz wirksam werdenden Ventils. Die Elemente des Unterbrechungsmechanismus bei Überdurchsatz stehen in einer Beziehung zu den Filterrückschlagventilen 90, wie vorstehend beschrieben. Man sieht, dass der Füllkanal 96 an dem Filterrückschlagventil in Fluidverbindung mit der Hochdruckzone 42 steht, vorausgesetzt, dass sich das Stopfenelement 112 und der Arretieranschlag 116 beide in einer Offenstellung befinden, wie sie dies in 18C tun. Die bei Überdurchsatz wirksam werdende Rückschlagventilanordnung ist somit eine Vorrichtung, die zusammen mit dem Stopfenelement 112 des Filterrückschlagventils arbeitet. Die bei Überdurchsatz wirksam werdende Rückschlagventilanordnung hat weiterhin ein hohles äußeres Gehäuse 107, das insgesamt koaxial um das innere Gehäuse 91 des Filterrückschlagventils 90 herum angeordnet ist und dieses teilweise enthält. Zwischen dem äußeren Gehäuse 107 und dem inneren Gehäuse 191 wird ein ringförmiger Entlüftungsraum 108 gebildet. Durch das äußere Gehäuse 107 wird teilweise eine Druckkammer 110 für Überdurchsatz gebildet, die in Fluidverbindung mit dem Füllkanal 96 steht. In dem äußeren Gehäuse 107 ist wenigstens eine Gasöffnung 112 vorgesehen, durch welche Gas zwischen der Druckkammer 110 und der Hochdruckzone 142 strömen kann. Ferner sorgt wenigstens eine Entlüftungsöffnung 114 für eine Fluidverbindung mit dem Entlüftungsraum 108 und der Druckkammer 110 für Überdurchsatz. In der Druckkammer 110 ist zwischen der Entlüftungsöffnung 114 und der Gasöffnung 112 ein Arretieranschlag 116 vorgesehen. Der Anschlag 116 ist zwischen einer Offen stellung und einer Schließstellung bewegbar. Der Arretieranschlag 116 ist in 18A und 18C in der Offenstellung und in 18B in der Schließstellung gezeigt. Zu erwähnen ist auch, dass das Stopfenelement 102 sich in 18A und 18B in der Schließstellung und in 18C in der Offenstellung befindet. Wenn sich das Stopfenelement 102 in der Schließstellung befindet, ist der Füllkanal 96 blockiert, wodurch ein Gasstrom durch diesen Kanal verhindert wird. Die Funktion des Stopfenelements 102 hat keinen Einfluss auf das Schließen und Öffnen der Entlüftungsöffnung 114. Wenn sich der Arretieranschlag 116 in der geschlossenen Stellung befindet, wird verhindert, dass Gas durch die Entlüftungsöffnung 114 strömt, während die Bewegung des Arretieranschlags 116 zu der geschlossenen Stellung die Ventilöffnung 114 für den Gasdurchgang blockiert und verschließt.
Zum Vorspannen des Arretieranschlags 116 zur Offenstellung hin ist eine Feder 104 oder eine andere Einrichtung vorgesehen. Bei der bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorspanneinrichtung für den Arretieranschlag 116 zur Offenstellung hin auch die Vorspanneinrichtung für das Stopfenelement 102 zur geschlossenen Stellung hin. D.h., dass eine einzige Feder 104 vorzugsweise als Vorspanneinrichtung für den Arretieranschlag zur Offenstellung hin sowie als Vorspanneinrichtung für das Stopfenelement zur Schließstellung hin dienen kann. Bei alternativen Ausgestaltungen können gesonderte Einrichtungen, beispielsweise gesonderte, jedoch koaxial angeordnete Schraubenfedern, als getrennte Vorspanneinrichtungen wirken.
Wenn er sich in der geschlossenen Stellung befindet, verhindert der Arretieranschlag 116, dass Gas zwischen dem Entlüftungsraum 108 und der Druckkammer 110 durch die Entlüftungsöffnung strömt. Wenn sich der Arretieranschlag 116 in der Offenstellung befindet, kann Gas aus der Gasöffnung 112 in den Tunnel 94 über die Druckkammer 110, die Entlüftungsöffnung 114, den Entlüftungsraum 108 und die Filteröffnungen 97 in das innere Gehäuse 91 (und somit auch durch das Filtermedium 100) strömen. Wenn sich der Arretieranschlag 116 in der Offenstellung befindet und wenn der Gasdruck in der ersten Kammer 28 (und somit auch in dem Tunnel 94) abrupt abnimmt, stellt sich eine Druckdifferenz zwischen der Druckkammer 110 für Überdurchsatz und der ersten Kammer 28 ein, die den Arretieranschlag 116 automatisch in die geschlossene Stellung zum Abdichten der Entlüftungsöffnung 114 gegen einen Gasdurchstrom bewegt.
Der Gesamtbetrieb der bei Überdurchsatz wirksam werdenden Rückschlagventil-Unterbrechungsventilanordnung ist in Zusammenwirken mit der Erfindung angeordnet. Zunächst wird auf 18C Bezug genommen, wo der Zustand der Vorrichtung während eines normalen Füllvorgangs gezeigt ist. Während des Befüllens, beispielsweise des Füllens eines tragbaren Behälters, an dem die Vorrichtung befestigt ist, strömt Gas nach unten durch den Tunnel 94 über den Verbindungskanal 95 aus der ersten Kammer 28 (in 18A bis 18C nicht zu sehen), was durch den einzelnen Richtungspfeil in 18C veranschaulicht ist. Der Durchstrom des sich nach unten bewegenden Füllgases und die daraus resultierende Druckdifferenz über dem Stopfenelement 102 drückt gegen das Stopfenelement und drückt es nach unten entgegen der Kraft der Feder 104. Die Feder 104 ist in einem zusammengedrückten Zustand angeordnet. Gleichzeitig drückt die zusammengedrückte Feder 104 auch den Arretieranschlag 116 nach unten zum Anliegen an der Oberseite einer inneren Zylinderwand 118 oder dergleichen. Das einströmende Gas hält das Stopfenelement 102 in der Offenstellung, so dass Gas durch den Füllkanal 96 in die Druckkammer 110 für Überdurchsatz und aus der Gasöffnung bzw. den Gasöffnungen 112 in die Hochdruckzone 42 strömen kann, um in ihr Druck aufzubauen. Wenn die Hochdruckzone gefüllt ist, beispielsweise wenn ein zylindrischer Behälter wie gewünscht gefüllt ist, dreht die Bedienungsperson den Handgriff 17 (in 18A bis 18C nicht zu sehen), um das Hauptventil zu schließen und um den Gasstrom zu unterbrechen, wobei zu diesem Zeitpunkt die Druckfeder 104 so wirkt, dass sie das Stopfenelement in die Schließposition drückt, um den Füllkanal 96 dicht zu machen. Weiterhin ist zu sehen, dass, wenn die Hochdruckzone voll mit Druckgas gefüllt ist, die Druckdifferenz über dem Stopfenelement 102 abnimmt und die Feder 104 das Stopfenelement nach oben in Kontakt mit dem distalen Ende des inneren Gehäuses 91 vorspannt, um den Füllkanal 96 zu schließen.
Wenn kein durch die Vorrichtung strömendes Gas mehr vorhanden ist, nehmen das Stopfenelement 102 und der Arretieranschlag 116 die in 18A zu sehenden Positionen ein. Das Stopfenelement 102 liegt an dem inneren Gehäuse 91 an, während die Feder 104 gegen das sich nicht bewegende Stopfenelement drückt und den Arretieranschlag 117 nach unten presst, um ihn in der Offenstellung an der Wand 118 zu halten, wie es in 18A zu sehen ist.
Um den Gasstrom aus der Hochdruckzone 42 zu ermöglichen, betätigt der Benutzer den Handgriff 17, um das Hauptventil (beispielsweise das Ventil 80), wie vorstehend erläutert, zu öffnen. Das behutsame Öffnen des Hauptventils ermöglicht einen Gasstrom aus der Hochdruckzone 42 durch die Gasöffnungen 112 in die Kammer 110, wie es durch die Richtungspfeile in 18A angezeigt ist. Da die Feder 104 das Stopfenelement 102 in der geschlossenen Stellung und den Arretieranschlag in der offenen Stellung, wie in 18A zu sehen ist, hält, kann das Gas frei aus der Kammer 110 in den Entlüftungsraum 108 über die Entlüftungsöffnung 114 strömen. Aus dem Entlüftungsraum 108 strömt das Abgabegas durch das Filtermedium 100, durch die Filterkanäle 97 in das innere Gehäuse 91 und in den Tunnel 94, wie durch die Richtungspfeile in 18A gezeigt ist. Das Filtermedium 100 verhindert, dass schädlicher Abrieb aus dem Entlüftungsraum 108 in den Tunnel 94 gelangt, wo er eine Verbrennung verursachen könnte, weil er ansonsten mit hoher Geschwindigkeit zu den stromab befindlichen Komponenten transportiert würde.
Das Gas strömt somit aus der Hochdruckzone 42 zum Verbindungskanal 95 und in die Hauptventilanordnung für die Abgabe zu der stromabseitigen Zone mit niedrigerem Druck, bis die Hauptventilanordnung behutsam geschlossen oder bis ein gefüllter Behälter entleert ist. Während dieses normalen Abgabeprozesses und -zustands werden die Anordnungselemente in den in 18A zu sehenden Relativstellungen gehalten.
Im Falle eines abrupten, beispielsweise eines durch einen Katastrophenfall bedingten Druckabfalls im Tunnel 94 (begleitet von einem Druckabfall in der ersten Kammer 28 des Hauptventils) entwickelt sich über dem Arretieranschlag 116 eine extreme Druckdifferenz. Die abrupte Druckabnahme im Tunnel 94 führt bei fortgesetzt erhöhtem Druck in der Druckkammer 110 zu einer Aufwärtskraft gegen den Arretieranschlag 116. Diese nach oben gerichtete Druckkraft überwindet die Kraft der Feder 104 und drückt sie zusammen. Der Arretieranschlag 116 verschiebt sich automatisch und nahezu sofort axial nach oben in die in 18 gezeigte geschlossene Stellung. Der relativ höhere Druck in der Kammer 110 hält den Arretieranschlag in der Schließstellung und lässt nur einen "Sicker"-(geringen)Strom in den Tunnel 94 zu, solange der Druck stromab von dem Ventil an einer Erhöhung durch einen Bruch gehindert wird. Die beibehaltene Schließstellung des Arretieranschlags 116 hält auch das Stopfenelement geschlossen. Wenn somit das Stopfenelement und der Arretieranschlag so positioniert sind, wie es in 18B zu sehen ist, wird der Gasstrom in den Tunnel 94 stark minimiert. Das Stopfenelement 102 und der Arretieranschlag 116 bleiben unter dem Druck der Zone 42 mit höherem Druck geschlossen, bis die Ursache des abrupten stromabseitigen Druckabfalls erkannt und beseitigt ist. Die Federkonstante der Feder 104 kann so gewählt werden, dass die gewünschte Empfindlichkeit für den Unterbrechungsmechanismus bei Überdurchsatz bestimmt wird. Je "steifer" die Feder ist, desto stärker ist die Abruptheit des Druckabfalls, die zur Betätigung der Unterbrechung erforderlich ist. Natürlich muss die Feder 104 auch ausreichend weich sein, um den Einwärtsstrom von Gas zum Zusammendrücken der Feder zu ermöglichen, damit sich das Stopfenelement 102 axial entgegen der Kraft der Feder in die Offenstellung von 18C verschiebt, so dass der "Füll"-Betrieb, wenn gewünscht, erreicht werden kann.
Obwohl die Erfindung im Einzelnen unter speziellem Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, können andere Ausführungsformen die gleichen Ergebnisse erzielen. Änderungen und Modifizierungen der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann offensichtlich, wobei die beiliegenden Ansprüche alle derartigen Modifizierungen und Äquivalente abdecken sollen.

Claims

Ventilvorrichtung (40) zum Steuern des Gasstroms zwischen einer Hochdruckzone (42) und einer Zone (43) mit niedrigerem Druck, wobei – die Vorrichtung einen Hohlkörper (20) mit einer Achse, einem Gewindeteil (19) für den Eingriff mit einem Handgriff und mit einem Hauptteil (22) sowie eine erste Kammer (28) und eine zweite Kammer (27) aufweist, die in dem Körper (20) ausgebildet sind, – die erste Kammer (28) in Fluidverbindung mit der Hochdruckzone (42) steht, – die zweite Kammer (27) in Fluidverbindung mit der Zone (43) mit niedrigerem Druck steht, – eine Düse (30) in dem Körper die Kammern (27, 28) trennt und – ein drehbarer Gewindehandgriff (17) in Schraubeingriff mit dem Teil (19) des Körpers für den Eingriff mit dem Handgriff bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Düse (30) eine Wand (62) hat, die einen zylindrischen Hals und eine Öffnung (52) für den Durchgang von Gas zwischen den Kammern (27, 28) bildet, und – dass ein Schaft (21) drehbar mit dem Handgriff (17) verbunden ist, der sich dadurch bezüglich des Schafts drehen kann, wobei der Schaft – einen im Wesentlichen zylindrischen distalen Abschnitt (73), – einen verengten Drosselabschnitt (75), der koaxial in dem Hals positionierbar ist und eine in Bezug zur Achse schräge Ringfläche (76) hat, wobei eine Axialbewegung des Schafts (21) die Position des Drosselabschnitts (75) bezogen auf die Düse (30) ändert, – einen Sitz (24) an seinem distalen Abschnitt (73), der mit der Düse (30) kontaktierbar ist, um die Öffnung (52) für den Gasdurchgang dicht zu machen, und – wenigstens ein Dichtungselement (57, 58) aufweist, das axial zwischen dem Gewindeteil (19) für den Eingriff mit dem Handgriff und der zweiten Kammer (27) angeordnet ist, und – wobei eine Drehung des Handgriffs (17) in dem Teil (19) für den Eingriff mit dem Handgriff den Schaft (21) axial verschiebt, wodurch der Sitz (24) in Kontakt und außer Kontakt mit der Düse (30) und der distale Abschnitt (73) in Kontakt und außer Kontakt mit der Wand (62) des Halses gebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Düse (30) angrenzend an die erste Kammer (28) eine Hochdruckseite (71) und angrenzend an die zweite Kammer (27) eine Niederdruckseite (72) aufweist und – dass der Schaft (21) in der zweiten Kammer (27) angeordnet ist und sich durch die Öffnung (52) erstreckt, – wobei der distale Abschnitt (73) des Schafts (21) in die erste Kammer (28) vorsteht und eine Axialverschiebung des Schaftes den Sitz (24) in und außer Kontakt mit der Hochdruckseite (71) der Düse (30) bringt, um die Öffnung (52) für den Gasdurchgang dicht bzw. offen zu machen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass der Sitz (24) ein elastischer O-Ring ist und – dass, wenn der Sitz in Kontakt mit Düse (30) steht, der Gasdruck in der ersten Kammer (28) den Sitz (24) zur Düse (30) hin vorspannt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die Düse (30) eine ringförmige abgeschrägte Fläche (63) hat, die einen Umfang der Öffnung (52) bildet, der koaxial zur schrägen Fläche (76) des Drosselabschnitts (75) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass der Drosselabschnitt (75) und die Düse (30) jeweils aus Metall bestehen und – dass die gesamte Drosselung des Gases bei Vorliegen eines Befüllstroms oder eines Entleerungsstroms zwischen dem Drosselabschnitt (75) und der Düse (30) stattfindet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Axialbewegung des distalen Abschnitts (73) des Schaftes (21) in die erste Kammer (28) die Entfernung zwischen der schrägen Fläche (76) und der Düse (30) vergrößert, – wobei die Erweiterungsrate des Abstands zwischen der schrägen Fläche (76) und der Düse (30) mit fortlaufender Drehung des Handgriffs (17) zunimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, – dass der Schaft (21) in Gleitkontakt mit dem Körper (20) steht und – dass wenigstens ein Dichtungselement (57) radial zwischen dem Schaft (21) und dem Körper (20) und axial zwischen dem Gewindeteil (19) für den Eingriff mit dem Handgriff und der zweiten Kammer (27) angeordnet ist, – wobei durch die Drehung des Handgriffs (17) in dem Teil für den Eingriff mit dem Handgriff erzeugter Abrieb von dem Schaft (21) und dem Dichtungselement (57) daran gehindert wird, in die zweite Kammer (27) zu gelangen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass der Handgriff (17) drehbar ist, um den Schaft (21) zwischen einer Schließstellung, in der der Sitz mit der Düse (30) in Kontakt steht, und einer Offenstellung zu bewegen, in der der Sitz (24) keinen Kontakt mit der Düse (30) hat, – dass der Schaft (21) bezüglich des Handgriffs (17) axial beweglich ist und – dass Einrichtungen (54, 78) zum Vorspannen des Schafts (21) axial vom Handgriff (17) weg vorgesehen sind, – so dass, wenn der Schaft (21) sich in der Offenstellung befindet, in welcher der Sitz (24) von der Düse (30) getrennt ist, bei einer abrupten Abnahme des Gasdrucks in der zweiten Kammer (27) die sich einstellende schnelle Änderung im Druckgradienten über dem distalen Abschnitt (73) des Schaftes (21) die Druckkraft der Einrichtungen (78) zum Vorspannen überwindet, wodurch der Schaft (21) automatisch in die Schließstellung bewegt wird und die Öffnung (52) für den fortgesetzten Gasdurchlass dicht macht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein Filterrückschlagventil (90), das ein einen axialen inneren Tunnel (94) bildendes hohles Gehäuse (91) aufweist und sich auszeichnet durch – ein an dem Körper (20) befestigbares proximales Ende, – wenigstens einen Verbindungskanal (95) am proximalen Ende, der in Fluidverbindung mit der ersten Kammer (28) steht, wenn das proximale Ende an dem Körper (20) befestigt ist, wodurch Gas zwischen der ersten Kammer (28) und dem Tunnel (24) strömen kann, – ein distales Ende mit wenigstens einem Befüllungskanal (96) in ihm, der in Fluidverbindung mit dem Tunnel (94) steht, – wenigstens eine zwischen dem Verbindungskanal (95) und dem Befüllungskanal (96) vorgesehene Filteröffnung (97), durch die Gas zwischen dem inneren Tunnel (94) und dem Außenraum des inneren Gehäuses (91) strömen kann, – durch Filtermedien (100), die in der wenigstens einen Filteröffnung (97) angeordnet sind, – durch ein Verschlusselement (102), das angrenzend an den Befüllungskanal (96) angeordnet und axial zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung bewegbar ist, und – durch Einrichtungen (104) zum Vorspannen des Verschlusselements (102) in die Schließstellung, so dass das Verschlusselement (102) in der Schließstellung einen Gasstrom in dem Tunnel (94) direkt von dem Befüllungskanal (96) zu dem Verbindungskanal (95) verhindert, wodurch alles durch den Tunnel (94) strömende Gas zwangsweise durch die Filtermedien (100) geführt wird, und dass, wenn das Verschlusselement (102) sich in der Offenstellung befindet, Gas durch den Tunnel (94) direkt von dem Verbindungskanal (95) zu dem Befüllungskanal (96) strömen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, – dass der Befüllungskanal (96) in Fluidverbindung mit der Hochdruckzone (42) steht und – dass weiterhin ein hohles äußeres Gehäuse (107) insgesamt koaxial um das innere Gehäuse (91) herum und dieses teilweise aufnehmend angeordnet ist, wodurch ein Entlüftungsraum (108) zwischen dem äußeren Gehäuse und dem inneren Gehäuse gebildet wird, – dass eine Druckkammer (110) für Überdurchsatz teilweise von dem äußeren Gehäuse (107) begrenzt wird und in Fluidverbindung mit dem Befüllungskanal (96) steht, – dass durch wenigstens eine Gasöffnung (112) in dem äußeren Gehäuse (107) Gas zwischen der Druckkammer (110) und der Hochdruckzone (42) strömen kann, – dass wenigstens eine Entlüftungsöffnung (114) für eine Fluidverbindung zwischen dem Entlüftungsraum (108) und der Druckkammer (110) für Überdurchsatz sorgt, – dass ein Arretieranschlag (116) in der Druckkammer (110) zwischen der Abführöffnung (111) und der Gasöffnung (112) angeordnet und zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung axial beweglich ist und – dass Einrichtungen (104) zum Vorspannen des Arretieranschlags (116) in die Offenstellung vorgesehen sind, – so dass der Arretieranschlag (116), wenn er sich in der Schließstellung befindet, einen Gasstrom zwischen dem Entlüftungsraum (108) und der Druckkammer (110) durch die Entlüftungsöffnung (114) verhindert und, wenn er sich in der Offenstellung befindet, Gas aus der Gasöffnung (112) zu dem Tunnel (94) über die Druckkammer (110), die Entlüftungsöffnung (114), den Entlüftungsraum (108) und den Filterkanal (97) strömen kann, – wobei, wenn sich der Arretieranschlag in der Offenstellung befindet und der Gasdruck in der ersten Kammer (28) abrupt abnimmt, zwischen der Druckkammer (110) für Überdurchsatz und der ersten Kammer (28) eine Druckdifferenz auftritt, die den Arretieranschlag automatisch in die Schließstellung bewegt, um die Entlüftungsöffnung (114) für den Durchgang von Gas im Wesentlichen zu schließen.