DE69636679T2

DE69636679T2 - Inline-Steuerventil

Info

Publication number: DE69636679T2
Application number: DE1996636679
Authority: DE
Inventors: Elhanan Tavor
Original assignee: C Valves Ltd
Current assignee: C Valves Ltd
Priority date: 1995-10-19
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2016-09-13
Also published as: CN1219225A; CN1114779C; EP0854992B1; ES2275609T3; AU718337B2; EP1205697B1; EP0854992A1; JP2001525908A; DE69627876T2; EP1205697A3; AU6942196A; US6220272B1; DE69627876D1; ES2198499T3; KR19990064345A; EP1205697A2; EP0854992A4; US6029691A; WO1997014898A1; DE69636679D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ventile zur Steuerung der Strömung eines Fluid (Flüssigkeiten oder Gase) durch ein Rohr. Die Erfindung ist insbesondere nützlich in Bezug auf die Type von Inline-Steuerventilen, wie sie in unserer älteren US-Patentschrift 4,681,130 beschrieben ist, und die Erfindung wird deshalb im Folgenden unter Bezugnahme auf jene Type von Steuerventilen erläutert.
Die oben erwähnte Patentschrift beschreibt ein Inline-Steuerventil, das normalerweise offen ist und durch Anwendung eines Flüssigkeitsdruckes in eine Schließstellung überführt wird, beispielsweise durch Anwendung eines Einlassdruckes in zwei Steuerkammern innerhalb des Ventils, die beide gegeneinander arbeiten, um eine kombinierte Schließkraft zu erzeugen, die beträchtlich größer ist als die Öffnungskraft, die durch den Einlassdruck erzeugt wird, der auf die stromoberseitige Fläche eines Ventilkörpers ausgeübt wird, wodurch ein schnelles und sicheres Schließen des Ventils gegen den Einlassdruck besser gewährleistet wird.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Inline-Steuerventile zu schaffen, die in ihrer Konstruktion ähnlich sind, wie dies in dem obengenannten Patent beschrieben ist, die jedoch eine Reihe von Verbesserungen und Änderungen aufweisen, wodurch die Ventile für einen weiten Bereich unterschiedlicher Anwendungen benutzbar werden.
Die DE-A-1161732 beschreibt ein Inline-Ventil, das einen beweglichen Ventilkörper aufweist, der benachbart zum engsten Punkt eines Venturi-Rohres angeordnet ist. Es ist durch den Ventilkörper ein Kanal geführt, der die Fluidströmung in Verbindung mit einer stromaufwärtigen Kammer bringt. Die Änderung im Druck, die durch die Form des Venturi-Rohres verursacht wird, zieht das Fluid aus der Kammer durch den Ventilkörper ab, wodurch ein Vakuum in der Kammer erzeugt wird. So wird der Ventilkörper in die Kammer eingezogen und das Ventil wird in seiner Öffnungsstellung gehalten. Es ist ein Handgriff vorgesehen, um ein Schließen zu bewirken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Inline-Steuerventil zur Steuerung der Strömung eines unter Druck stehenden Fluid die folgenden Teile auf:
ein Gehäuse mit einer Einlassöffnung, mit einer Auslassöffnung stromab der Einlassöffnung und mit einem Ventilsitz zwischen den beiden Öffnungen;
einen Ventilkörper, der gegenüber dem Ventilsitz in eine Öffnungsstellung und eine Schließstellung beweglich ist;
und einen Antrieb, um den Ventilkörper in seine Öffnungsstellung und seine Schließstellung zu überführen,
wobei das Gehäuse außerdem Oberflächen aufweist, die zusammen mit den Oberflächen des Ventilkörpers eine Steuerkammer definieren und wobei ein Kanal durch den Ventilkörper definiert ist und in Verbindung mit der Steuerkammer steht;
und wobei der Ventilkörper einen Ventilkörper und einen am Ventilkörper fixierten Ventilschaft aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper eine nach dem Ventilsitz weisende stromaufwärtige Stirnfläche und eine nach der Auslassöffnung weisende stromabwärtige Stirnfläche aufweist;
dass die Steuerkammer stromab des Ventilkörpers definiert ist und eine erste Steuerkammer aufweist, die durch eine erste Oberfläche des Gehäuses und eine stromabwärtige Oberfläche des Ventilschaftes definiert ist;
dass der Ventilkörper eine elastische Dichtung um seinen äußeren Umfang herum trägt, die in Schließstellung des Ventilkörpers am Ventilsitz angreift;
dass der Ventilschaft sich stromab des Ventilkörpers erstreckt;
und dass der Kanal durch den Ventilkörper von dessen stromaufwärtiger Stirnfläche nach seiner stromabwärtigen Stirnfläche definiert ist und eine Axialbohrung aufweist, die durch den Ventilkörper und den Ventilschaft verläuft und nach der ersten Steuerkammer führt, derart, dass ein Einlassdruck eines Fluid an der Einlassöffnung der Steuerkammer über den Kanal zugeführt wird, um eine erste Schließkraft zu erzeugen, die den Ventilkörper in seine Schließstellung zu bewegen sucht und die einer Öffnungskraft entgegenwirkt, die den Ventilkörper in seine Öffnungsstellung zu bewegen sucht, was durch den Einlassdruck bewirkt wird, der auf die stromaufwärtige Stirnfläche des Ventilkörpers wirkt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Diese Beschreibung erläutert lediglich ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 ist ein Längsschnitt einer Ausführungsform eines normalerweise offenen Steuerventils, wobei der Ventilkörper in seiner normalerweise offenen Stellung gezeigt ist, die er bei Vorhandensein eines Fluideinlassdruckes einnimmt;
2 ist eine der 1 entsprechende Schnittansicht, die jedoch den Ventilkörper in seiner Schließstellung zeigt, wenn ein Steuerdruck auf seine Steueröffnung ausgeübt wird;
3 ist eine der 2 entsprechende Schnittansicht, jedoch um die Schnittlinie um 45° gedreht, um den Innenaufbau besser erkennen zu lassen;
4 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine Teilansicht, die die Konstruktion der Einwegeentlüftung der Pufferkammer im Steuerventil gemäß 1 bis 3 zeigt;
5 veranschaulicht schematisch eine Gruppe von Steuerventilen gemäß 1 und die Art und Weise, auf die diese Ventile gesteuert werden können;
6 ist ein Längsschnitt, der eine Form eines normalerweise geschlossenen Steuerventils veranschaulicht, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
6a ist ein Querschnitt längs der Linie 6a-6a gemäß 6;
7 ist eine der 6 entsprechende Schnittansicht, jedoch um 45° um die Schnittlinie gedreht, um den Innenaufbau besser erkennen zu lassen;
8 veranschaulicht das Steuerventil gemäß 6 und 7 in Öffnungsstellung;
9 ist ein Längsschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels eines normalerweise geschlossenen Steuerventils, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
10 ist eine Schnittansicht des Ventils gemäß 9 in seiner betätigten Öffnungsstellung;
11 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine Teilansicht, die im Einzelnen die Konstruktion der elastischen Dichtung im Ventilaufbau veranschaulicht;
11a bis 11c veranschaulichen verschiedene Stellungen der elastischen Dichtung gemäß 11;
12 ist eine perspektivische teilweise aufgebrochene Ansicht eines durch einen Innenmotor angetriebenen Steuerventils, das gemäß der Erfindung ausgebildet ist, wobei der Innenaufbau erkennbar ist;
13 ist ein Längsschnitt des Steuerventils gemäß 12, wobei das Ventil in seiner Schließstellung dargestellt ist;
14 ist eine der 13 entsprechende Ansicht, die das Ventil jedoch in seiner Öffnungsstellung zeigt;
15 ist ein Längsschnitt entsprechend 14, jedoch um 45° um die Schnittlinie gegenüber 14 gedreht;
16 ist ein Längsschnitt, der ein durch einen äußeren Motor angetriebenes Steuerventil zeigt, das gemäß der Erfindung ausgebildet und in seiner Schließstellung dargestellt ist;
17 ist eine der 16 entsprechende Schnittansicht, wobei jedoch das Ventil in seiner Öffnungsstellung dargestellt ist.
Das normalerweise offene Steuerventil gemäß 1 bis 4 umfasst ein allgemein mit 10 bezeichnetes Gehäuse, bestehend aus einem äußeren zylindrischen Teil 11, vorzugsweise aus Metall, einem inneren zylindrischen Teil 12, vorzugsweise aus Plastik, einem Einlasskupplungskanal 13 am stromaufwärtigen Ende des Gehäuses und einem Auslasskupplungskanal 14 am stromabwärtigen Ende des Gehäuses.
Die beiden Kupplungskanäle 13 und 14, die ebenfalls vorzugsweise aus Metall bestehen, sind konisch ausgebildet und an der äußeren Metallseitenwand 11 angeschweißt. Flanschaufbauten 15 verstärken die Schweißverbindungen der beiden Kupplungskanäle 13, 14 mit dem äußeren zylindrischen Teil 11, und Dichtungen 16 dichten den inneren zylindrischen Teil 12 in Bezug auf die Kupplungskanäle 13, 14 ab.
Der Einlasskupplungskanal 13 umfasst eine Einlassöffnung 17 zum Einleiten des Fluid in das Gehäuse, und der Auslasskupplungskanal 14 umfasst eine Auslassöffnung 18 zum Ausleiten des Fluid. Der Einlasskupplungskanal 13 ist an seiner inneren Oberfläche mit einem konischen Ventilsitz 19 ausgerüstet, der mit einem Ventilkörper innerhalb des Gehäuses zusammenwirkt, um die Strömung des Fluid von der Einlassöffnung 17 nach der Auslassöffnung 18 zu steuern.
Der Ventilaufbau innerhalb des Gehäuses 10 ist allgemein mit dem Bezugszeichen 20 versehen. Dieser Aufbau umfasst einen hydrodynamisch gestalteten Ventilkörper 21, der von einer konischen Ventilabdeckung 21a und einem Ventilkörper 21b gebildet wird, die eine elastische ringförmige Dichtung 22 sichern, die um den äußeren Umfang der Ventilabdeckung herum verläuft und nach dem konischen Ventilsitz 19 und von diesem weg beweglich ist. Der Ventilkörper 21 ist mit einem Antrieb versehen, der einen Ventilschaft 23 umfasst, der in den Ventilkörper 21 eingeschraubt ist und sich stromab von diesem erstreckt. Das stromabwärtige Ende des Ventilschaftes 23 trägt einen Kolbenkopf 24 mit einem Dichtungsring 24a, der in einem Zylinder 25 in Form einer zylindrischen Auskleidung im Gehäuseteil 12 beweglich ist.
Der Ventilkörper 21 wird in die aus 1 ersichtliche Ventilschließstellung durch eine Feder 26 gedrückt, die zwischen dem Kolbenkopf 24 und einer Radialwand angeordnet ist, die durch eine rückwärtige Endkappe 27 am stromabwärtigen Ende des Gehäuses 10 benachbart zur Auslassöffnung 18 definiert wird. Die Kappe 27 besitzt eine Armkonfiguration, die von mehreren radial verlaufenden Rippen 27a (1) gebildet wird, um dazwischen mehrere axial verlaufende Kanäle 27b (3) zu bilden, die nach der Auslassöffnung 18 verlaufen. Die äußeren Oberflächen der Rippen 27a sind komplementär zu der inneren konischen Oberfläche 14a des Auslasskupplungskanals 14 derart gestaltet, dass die Feder 26 die Kappe 27 fest gegen den Kupplungskanal 14 drückt, wobei die Kanäle 27b zwischen den Rippen 27a große axiale Kanäle für die Fluidströmung nach der Auslassöffnung 18 bilden.
Der Gehäuseteil 12 ist in gleicher Weise mit einer Mehrzahl von radial verlaufenden Rippen 12a (1) versehen, die auf die Rippen 27a der Kappe 27 ausgerichtet sind und mehrere axial verlaufende Kanäle 12b (3) bilden, die auf die Kanäle 27b der Kappe 27 für die Fluidströmung durch das Steuerventil ausgerichtet sind, wenn der Ventilaufbau 20 in seiner Öffnungsstellung (3) befindlich ist.
Der Ventilaufbau 20 umfasst außerdem einen zylindrischen Mantel 28, der einstückig mit dem Teil 21b des Ventilkörpers 21 hergestellt ist und sich stromab von diesem erstreckt und die jeweiligen Teile des Ventilschaftes 23 umschließt. Der zylindrische Mantel 28 ist innerhalb der zylindrischen Ausnehmung 29 verschiebbar, die axial durch die Rippen 12a des Gehäuseteils 12 ausgeformt ist. Die innere Oberfläche des zylindrischen Mantels 28 ist gegenüber dem Gehäuse durch einen Dichtungsring 30 abgedichtet, während die äußere Oberfläche des Mantels nicht abgedichtet ist und eine freie Fluidströmung durch die Axialkanäle 12b im Gehäuseteil 12 zulässt.
Der Ventilschaft 23 ist mit einem von dem Mantel 28 des Ventilkörpers 21 umschlossenen stromaufwärtigen Teil 23a und einem stromabwärtigen Teil 23b benachbart zum Kolbenkopf 24 versehen. Der stromabwärtige Teil 23b hat einen größeren äußeren Durchmesser als der stromaufwärtige Teil 23a, um eine Ringwand 23c zwischen den beiden Teilen zu bilden. Der stromaufwärtige Teil 23a ist gegenüber dem Gehäuse durch einen Dichtungsring 31 abgedichtet, und der stromabwärtige Teil 23b ist gegenüber dem Gehäuse durch einen Dichtungsring 32 abgedichtet. Die Dichtungsringe 30 und 31 werden von einer radial verlaufenden Wand 12c des Gehäuseteils 12 getragen und an Ort und Stelle durch eine Rückhalteplatte 33 gehalten, die daran durch Befestigungsmittel 34 festgelegt ist.
Es ist ersichtlich, dass die Konstruktion des Steuerventils, insoweit sie oben beschrieben wurde, verschiedene Kammern innerhalb des Gehäuses 10 definiert, und zwar insbesondere in Verbindung mit dem Gehäuseteil 12, wie folgt:

(1) Eine Kammer C1 wird definiert durch die stromabwärtige Stirnseite des Kolbenkopfes 24, die Oberfläche 10a des Gehäusezylinders 25 und die gegenüberliegende Stirnseite der Kappe 27. Wie im Einzelnen weiter unten beschrieben, dient die Kammer C1 als eine erste Steuerkammer und erzeugt eine Kraft, die den Ventilkörper 21 von seiner normalen Öffnungsstellung in die Schließstellung zu bewegen sucht, wenn ein Druckfluid über eine Steueröffnung CP1 zugeführt wird, die mit der Kammer C1 über einen Kanal in einer der Gehäuserippen 12a in Verbindung steht. Die Kammer C1 umfasst einen Abzug 35 nach der Atmosphäre, aber dieser Abzug ist verstöpselt, so dass er in der normalerweise offenen Stellung gemäß 1 bis 3 nicht wirksam wird.
(2) Eine Kammer C2 wird definiert durch die stromabwärtige Stirnseite des Ventilkörpers 21b einschließlich der Innenseite des zylindrischen Mantels 28, die Oberfläche 10b (auf der Rückhalteplatte 33 der Radialwand 12c) des Gehäuseteils 12 und die äußere Oberfläche des Ventilschaftes 23. Die Kammer C2 steht mit der Kammer C1 über einen Axialkanal 36a und einen Radialkanal 36b im Ventilschaft 23 in Verbindung. Die Kammer C2 dient auch als Steuerkammer, die eine Kraft erzeugt, welche jene intensiviert, die in der Kammer C1 erzeugt wird, um den Ventilkörper 21 aus seiner normalerweise offenen Stellung in seine Schließstellung zu überführen, wenn ein Steuerdruck über die Kanalöffnung CP1 ausgeübt wird.
(3) Eine Kammer C3 wird definiert durch die stromaufwärtige Stirnseite des Kolbenkopfes 24, durch die benachbarten Abschnitte des Ventilschaftes 23 und die Oberfläche 10c des Gehäusezylinders 25. Die Kammer C3 steht mit einer zweiten Steueröffnung CP2 über einen Kanal in einer der Gehäuserippen 12a derart in Verbindung, dass dann, wenn der Ventilkörper 21 geschlossen ist und ein Druckfluid durch die Steueröffnung CP2 geschickt wird, der Ventilkörper 21 in seine Öffnungsstellung bewegt wird, wie dies im Einzelnen weiter unten beschrieben wird.
(4) Eine Kammer C4 wird definiert durch eine Ringwand 23c des Ventilschaftes 23 und die Oberfläche 10b der Radialwand 12c des Gehäuseteils 12. Die Kammer C4 dient als Pufferkammer, um die Bewegung des Ventilkörpers 21 in seine Endschließstellung abzufedern und einen plötzlichen Schlag des Ventilkörpers gegen den Ventilsitz 19 zu verhindern. Die Pufferkammer C4 ist durch einen Dichtungsring 32 am Ventilschaft 23 und einen Dichtungsring 31 an der Radialwand 12c des Gehäuses abgedichtet.

Um das Fluid aus der Pufferkammer C4 abzuziehen, ist der Ventilschaft 23 mit einer Entlüftungsöffnung kleinen Durchmessers versehen, die eine Axialbohrung 37 umfasst, welche mit einer Ringnut 38 an einer Stelle im Kolbenschaft 23 etwas stromab von seinem Dichtungsring 32 in Verbindung steht. Wie insbesondere aus 4 ersichtlich, hat die Ringnut 38 ein inneres Ende 38a, das durch einen Dichtungsring 39 geschlossen ist. Der so erzeugte Abzug ist ein Einwegeabzug, durch den das Fluid aus den Pufferkammern C4 in Richtung der Steueröffnung CP2 abziehen kann.
Der Gehäuseteil 12 ist außerdem mit mehreren axial verlaufenden Schlitzen 40 von der Steueröffnung CP2 versehen, die jedoch kurz vor der Radialwand 12c enden.
Wie im Einzelnen weiter unten beschrieben, ist die Konstruktion derart, dass die Pufferkammer C4 die Schließbewegung des Ventilaufbaus 20 nur während der Endbewegung in die Schließstellung zurückhält oder puffert, damit der Stoß des Ventilkörpers 21 gegen den Ventilsitz 19 abgefedert wird. Die in der Kammer C4 erzeugte Kraft bewirkt auch eine Intensivierung der Endöffnungsbewegung des Ventilaufbaus.
Das in den 1 bis 4 veranschaulichte Steuerventil arbeitet wie folgt:
Wenn das Steuerventil nicht mit der Leitung verbunden ist oder wenn es verbunden ist, aber die Leitung noch nicht unter Druck gesetzt ist, dann befindet sich der Ventilaufbau in der Schließstellung, wie sie in 2 dargestellt ist, und zwar unter dem Einfluss der Feder 26. Wenn jedoch das Steuerventil in die Leitung eingeschaltet ist und die Leitung unter Druck gesetzt wird, dann wird der Einlassdruck auf die stromaufwärtige Stirnseite des Ventilkörpers 21 gerichtet, und dadurch wird der Ventilaufbau 20 in seine Öffnungsstellung überführt, wie dies in 1 dargestellt ist. Demgemäß befindet sich das dargestellte Ventil in einer normalen Öffnungsstellung, wenn die Leitung unter Druck gesetzt ist.
Wenn der Einlassdruck ausfällt, dann bewegen der stromabwärtige Druck gegen die Oberfläche 28a des Ventilmantels 28 und ebenso die durch die Feder 26 ausgeübte Kraft den Ventilaufbau 20 in seine Schließstellung (1), wodurch ein Rückfluss des Fluid von dem nicht dargestellten stromabwärtigen Rohr über die Auslassöffnung 18, die Einlassöffnung 17 und das nicht dargestellte stromaufwärtige Rohr, das mit der Einlassöffnung verbunden ist, verhindert wird.
Wenn es erforderlich ist, das Ventil zu schließen, dann wird ein Druckfluid an die Steueröffnung CP1 angeschlossen. Normalerweise wird dies durch Benutzung eines Pilotventils bewirkt (z.B. das Pilotventil 45 gemäß 5), das die Steueröffnung CP1 mit dem Einlassdruck verbindet. Wenn dies geschieht, dann wird der Einlassdruck der Steuerkammer C1 und außerdem über die Kanäle 36a und 36b über den Ventilschaft 23 in die Steuerkammer C2 geleitet.
Der Druck innerhalb der Steuerkammer C1 erzeugt eine Kraft gegen den Kolbenkopf 24, wodurch der Ventilaufbau 20 nach der Schließstellung (gemäß 3 nach rechts) überführt wird. Die Größe dieser Kraft ist gleich dem Druck innerhalb der Kammer C1, multipliziert mit der Fläche des äußeren Durchmessers (D1) des Kolbenkopfes 24. Der Druck innerhalb der Kammer C2 erzeugt außerdem eine Kraft, die in Richtung zur Bewegung des Ventilaufbaus 20 nach der Schließstellung wirkt, d.h. es wird die Kraft verstärkt, die in der Kammer C1 erzeugt wird. Die in der Kammer C2 erzeugte Kraft wirkt jedoch auf die stromabwärtige Stirnseite des Ventilkörpers 21, und sie hat eine Größe entsprechend dem inneren Durchmesser (D2) des zylindrischen Mantels 28, vermindert um den äußeren Durchmesser (D3) des Ventilschaftteils 23a.
Wenn der Ventilaufbau sich in der Öffnungsstellung gemäß 1 befindet, dann ist die Kraft, die den Ventilaufbau in seiner Öffnungsstellung hält, gleich dem Einlassdruck, multipliziert mit der Fläche entsprechend dem äußeren Durchmesser (D4) des zylindrischen Mantels 28. Diese Kraft, die das Ventil in der Öffnungsstellung hält, ist kleiner als die Summe der Kräfte, die durch den Druck erzeugt werden, der über die Steueröffnung CP1 den Kammern C1 und C2 zugeführt wird und durch den stromab gerichteten Druck, der auf die Oberfläche 28a des Mantels 28 trifft, welche Kräfte sämtlich ein Schließen des Ventilaufbaus bewirken. Daher beginnt sich der Ventilaufbau in seine Schließstellung zu bewegen.
Während der Anfangsbewegung des Ventilaufbaus 20 in die Schließstellung steht die Kammer C4 mit der Atmosphäre über Schlitze 40 und die Steueröffnung CP2 in Verbindung, so dass sich kein Druck innerhalb der Kammer C4 aufbauen kann, der die Bewegung des Ventilaufbaus in die Schließstellung verzögern könnte. Wenn der Ventilaufbau sich der Schließstellung nähert, wobei die Dichtung 32 das rechte Ende der Schlitze 40 durchläuft, wird die Kammer C4 abgedichtet und sie wirkt daher als Puffer während der Schließbewegung des Ventilaufbaus. Das Ausmaß der Pufferung, insbesondere wenn eine Flüssigkeitsströmung gesteuert wird (nicht kompressibel), hängt von der Strömungsrate ab, die von der Entlüftungsbohrung 37 und der Ringnut 38 zugelassen wird.
Die Oberfläche 28a des Mantels 28 wirkt ebenfalls als Abfederung der Endschließbewegung des Ventilaufbaus. Wie weiter oben beschrieben, wirkt der stromabwärtige Druck gegen die Manteloberfläche 28a in einer solchen Richtung, dass der Ventilaufbau in die Schließstellung überführt wird. Wenn der Ventilaufbau sich seiner Schließstellung nähert, dann steigt wegen des höheren Strömungswiderstandes der Differenzdruck über dem Ventilaufbau an, und dadurch wird der Auslassdruck vermindert, der der Manteloberfläche 28a zugeführt wird, wenn sich der Ventilaufbau seiner Endschließstellung nähert.
Die Wiederöffnung des Steuerventils kann einfach dadurch bewirkt werden, dass der Druck nach der Steueröffnung CP1 unterbrochen wird, und in diesem Fall bewegt der Einlassdruck, der auf den Ventilkörper 21 wirkt, den Ventilaufbau in die Öffnungsstellung gemäß 1.
Das Ventil kann auch dadurch geöffnet werden, dass der Druck nach der Steueröffnung CP1 unterbrochen wird und indem ein Druck an die Steueröffnung CP2 angelegt wird. Wenn dies geschieht, erzeugt das Druckfluid innerhalb der Kammer C3 eine Öffnungskraft, die gegen die stromaufwärtige Stirnseite des Kolbenkopfes 24 wirkt, was zusammen mit der durch den Einlassdruck gegen den Ventilkörper 21 erzeugten Kraft den Ventilaufbau in die Öffnungsstellung gemäß 3 überführt.
Die Steueröffnung CP2 kann allein benutzt werden, um das Ventil wieder zu öffnen, wenn der Einlassdruck niedrig ist oder wenn ein Vakuum an dem Einlass anliegt. Diese Einlassöffnung kann auch zusammen mit der Steueröffnung CP1 benutzt werden, um die Bewegungen des Ventilaufbaus zu dämpfen.
Wenn das Ventil geschlossen ist und ein Fluid unter Druck der Steueröffnung CP2 zugeführt wird, um das Ventil zu öffnen, verhindert der Dichtungsring 39, dass dieses Druckfluid durch die Entlüftungsbohrung 37 und die Ringnut 38 in die Pufferkammer C4 gelangt. Demgemäß ist zu Beginn der Ventilöffnung nur die Oberfläche der Kammer C3 (definiert durch den Durchmesser D1 minus D5) zusammen mit dem Einlassdruck, der dem Ventilkörper 21 zugeführt wird, wirksam, um den Ventilaufbau zu öffnen. Sobald jedoch die Dichtung 32 des Ventilschaftes 23 das rechte Ende der Schlitze 40 durchläuft, dann wird auch der Druck innerhalb der Kammer C3 an die Kammer C4 angelegt, wodurch die Öffnungskraft vergrößert wird.
Das Vorhandensein des Dichtungsringes 39 ermöglicht es außerdem, eine Batterie von Ventilen selektiv auf eine einfachere Weise zu steuern, wenn die Ventile sämtlich geschlossen sind. Demgemäß können, wie aus 5 ersichtlich, die Ventile 41 bis 43 einer Batterie von Ventilen, die parallel zueinander an eine gemeinsame Speiseleitung 44 angeschlossen sind, individuell durch jeweils ein getrenntes Pilotventil 45 bis 47 gesteuert werden, das jeweils mit der Einlassöffnung CP1 des entsprechenden Ventils verbunden ist, wobei ein gemeinsames Pilotventil 48 mit der Steueröffnung CP2 sämtlicher Ventile verbunden ist. Demgemäß kann durch Anlegen eines Druckes (z.B. des Einlassdruckes) an alle Steueröffnungen CP2 über das gemeinsame Pilotventil 48 jedes der Ventile 41 bis 43 selektiv in Bezug auf die stromabwärtige Leitung 49 geschlossen werden, indem das Anlegen des Druckfluid an die jeweilige Steueröffnung CP1 über das jeweilige Pilotventil 45 bis 47 unterbrochen wird.
Die 6 bis 8 veranschaulichen ein Ventil, das allgemein die gleiche Konstruktion hat wie vorstehend unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben, wobei jedoch verschiedene Abwandlungen getroffen wurden, um es zu einem normalerweise geschlossenen Ventil umzuwandeln (wenn der Einlassdruck angelegt wird), statt der Ausbildung eines normalerweise offenen Ventils, wie dies in Verbindung mit den 1 bis 4 beschrieben wurde. Ein wichtiger Vorteil eines normalerweise geschlossenen Ventils besteht darin, dass ein Sicherheitsschließen des Ventils erfolgt, wenn ein Fehler im Steuerdrucksystem auftritt. Um das Verständnis zu erleichtern, wurden jene Elemente, die allgemein die gleichen sind wie bei dem Ventil gemäß 1 bis 4 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Änderung der Konstruktion besteht darin, dass das normalerweise geschlossene Ventil gemäß 6 bis 8 mit einem Axialkanal 50 durch den Ventilkörper 21 versehen ist, wodurch eine Verbindung mit dem Axialkanal 36a im Ventilschaft zustandekommt, so dass der Einlassdruck auch der Kammer C1 zugeführt wird, die auf die stromabwärtige Stirnseite des Kolbenkopfes 24 wirkt, und dieser Einlassdruck auch auf die Kammer C2 ausgeübt wird, der auf die stromabwärtige Stirnseite des Ventilkörpers 21b wirkt, wobei die beiden erzeugten Kräfte den Ventilaufbau 20 in seine Schließstellung zu überführen trachten, wie dies in den 6 und 7 dargestellt ist. Eine weitere Abwandlung besteht darin, dass die Steueröffnung CP1 durch den Gehäuseteil 12 nicht erforderlich ist, die mit den Kammern C1 und C2 in Verbindung steht, und deshalb wird die Steueröffnung CP1 abgesperrt und es verbleibt eine einzige Steueröffnung CP2, die mit der Kammer C3 in Verbindung steht. Eine weitere Abwandlung besteht darin, dass die Kammer C3 ständig mit der Kammer C4 über einen Schlitz 40 und eine Bohrung 51 in Verbindung steht, deren Durchmesser größer ist als jener der Entlüftungsbohrung 37 gemäß 1 bis 3, wobei die Dichtungsringe 32 und 39 der Ausführung nach 1 bis 3 ebenfalls wegfallen.
Die Konstruktion gemäß 6 bis 8 umfasst einen Kolben 52, der mit mehreren radial vorstehenden Lagerzungen 53 versehen ist, die in Umfangsrichtung verteilt sind, um am stromabwärtigen Ende des Kolbens 24 angebracht zu werden. Der Kolben 52 wird an seinem stromaufwärtigen Ende durch eine Stirnwand 55 geschlossen. Sein stromabwärtiges Ende ist gleitbar innerhalb eines zylindrischen Hohlraumes 56 in der Kappe 27 angeordnet und weist einen Dichtungsring 56a auf, um dadurch eine weitere Kammer C5 zu definieren. Diese letztere Kammer umfasst die Feder 26, und sie ist nach der Atmosphäre über einen Abzug 35 entlüftet. Daher wird der Abzug 35 bei der Konstruktion nach 6 bis 8 nicht durch einen Stopfen geschlossen, wie dies bei der Konstruktion nach 1 bis 3 der Fall ist.
Die Stirnwand 55 des Kolbens 52 ist vom axialen Kanal 36a durch den Ventilschaft 23 distanziert, so dass dieser Axialkanal nicht blockiert ist. Dieser Raum 57 steht mit der Kammer C1 über die Räume 58 (6a, 7) zwischen den Lagerzungen 53 in Verbindung. Demgemäß wird der Einlassdruck an die Kammer C1 über die Axialkanäle 50 und 36a und die Räume 57 und 58 angelegt. Wie bei der Konstruktion nach 1 bis 3 wird auch der in der Kammer C1 erzeugte Druck der Kammer C2 zugeführt und die in beiden Kammern erzeugte Kraft sucht das Ventil zu schließen, und zwar gegen die Kraft, die durch den Einlassdruck gegen den Ventilkörper 21 wirkt und das Ventil zu öffnen trachtet. Im Unterschied zur Konstruktion nach 1 bis 3 wird jedoch die Schließkraft, die in der Kammer C1 erzeugt wird, durch die äußere Querschnittsfläche des Kolbens 52 vermindert (da die Kammer C5 nach der Atmosphäre entlüftet wird). Der Schließkraft wirkt die Öffnungskraft entgegen, die in den Kammern C3 und C4 erzeugt wird, wenn ein Steuerdruck über die Steueröffnung CP1 angelegt wird.
Wenn das in den 6 bis 8 dargestellte Steuerventil an ein Wasserzuführungsrohr angeschlossen wird, dann wird der Einlassdruck an die stromaufwärtige Stirnseite des Ventilkörpers 21 angelegt, wodurch eine Kraft erzeugt wird, die das Ventil zu öffnen sucht. Der Einlassdruck wird jedoch auch über die Kanäle 50 und 36a der Kammer C1 zugeführt, und über den Kanal 36b wird der Einlassdruck der Kammer C2 zugeführt, und beide erzeugen Kräfte, die das Ventil zu schließen trachten. Die letztgenannten Kräfte sind zusammen mit der Kraft, die durch den stromabwärtigen Druck (bei nicht geschlossenem Ventil) gegen die Oberfläche 28a erzeugt wird und die Kraft, die durch die Feder 26 ausgeübt wird, beträchtlich größer als die Öffnungskraft, so dass das Ventil in einer normalerweise geschlossenen Stellung befindlich ist, wie dies in 6 dargestellt ist.
Wenn das Ventil gemäß 6 bis 8 geöffnet werden soll, dann wird ein Steuerdruck (z.B. der Einlassdruck) an die Steueröffnung CP2 angelegt. Der Steuerdruck wird beiden Kammern C3 und C4 zugeführt (die letztere wird über Schlitze 40 und die Bohrung 51 gespeist) und es wird dann eine Öffnungskraft erzeugt, die zusammen mit der Öffnungskraft, die durch den Einlassdruck gegen die stromaufwärtige Stirnseite des Ventilkörpers 21 wirkt, ausreicht, um den Ventilaufbau in die Öffnungsstellung zu überführen, wie dies in 8 dargestellt ist. Wenn der Druck von der Steueröffnung CP2 abgenommen wird, dann kehrt das Ventil in seine normalerweise geschlossene Stellung zurück.
In jeder anderen Beziehung ist das Steuerventil gemäß 6 bis 8 in gleicher Weise ausgebildet wie oben beschrieben und es arbeitet auf diese Weise.
9 und 10 veranschaulichen eine normalerweise geschlossene Ventilkonstruktion ähnlich jener gemäß 6 bis 8. In diesem Fall erstrecken sich jedoch die Axialkanäle 50 durch den Ventilkörper 21 und seinen Ventilschaft 23 über die Axialkanäle 36a nach der Kammer C5 zwischen dem stromabwärtigen Ende des Ventilschaftes 23 und der hinteren Kappe 27. Während bei der Konstruktion gemäß 6 bis 8 die Kammer C5 nach der Atmosphäre entlüftet wird, wird diese Kammer C5 bei der Konstruktion gemäß 9 und 10 nicht in der Weise entlüftet, sondern sie wird durch den Dichtungsring 60 zwischen der äußeren Oberfläche des stromabwärtigen Endes des Ventilschaftes 23 und der inneren Oberfläche des Hohlraumes 61 in der hinteren Kappe 27 bei dieser Konstruktion abgedichtet, und daher ist der Abzug 35 (8) abgesperrt, aber die Steueröffnung CP1 (z.B. 1) ist nach der Atmosphäre hin entlüftet.
Außerdem trägt die äußere Oberfläche des Ventilmantels 28 einen Dichtungsring 62 und die Oberfläche des Gehäuseteils 12, die mit der ringförmigen Ausnehmung 29 für den Ventilmantel ausgestattet ist, trägt eine Mehrzahl axial verlaufender Schlitze 63, wodurch eine Verbindung zwischen den Kammern C6 und C2 hergestellt wird.
Es ist ersichtlich, dass bei der Konstruktion nach 9 und 10 der der stromoberseitigen Stirnseite des Ventilkörpers 21 zugeführte Einlassdruck eine Öffnungskraft erzeugt, die im Wesentlichen durch die Summe der Schließkräfte ausgeglichen wird, die durch den Einlassdruck in den Kammern C5, C2 und C6 erzeugt werden. Die durch die Feder 26 erzeugte Schließkraft wird daher ausreichend, um den Ventilaufbau in die normalerweise geschlossene Stellung zu überführen.
Wenn es erforderlich ist, das Ventil zu öffnen, dann wird ein Steuerdruck an die Steueröffnung CP2 (8) angelegt, und dies ist gewöhnlich der Einlassdruck. Wenn der Druck der Öffnung CP2 angelegt wird, dann wird eine Öffnungskraft in den Kammer C3 und C4 erzeugt, die, wenn sie der Betätigungskraft, die durch den Einlassdruck gegen die stromoberseitige Stirnseite des Ventilkörpers 21 hinzugefügt wird, ausreichend ist, um das Ventil zu öffnen.
In jeder anderen Beziehung kann das normalerweise geschlossene Ventil gemäß 9 und 10 in der gleichen Weise konstruiert und betätigt werden, wie dies vorstehend in Verbindung mit den 6 bis 8 beschrieben wurde.
11 veranschaulicht eine bevorzugte Konstruktion, die bei jedem der oben beschriebenen Steuerventile für den Ventilkörper 21 und seine ringförmige elastische Dichtung 22 benutzt werden kann, die an dem konischen Sitz 19 des Einlasskupplungskanals 13 angreifen. 11a veranschaulicht die ringförmige elastische Dichtung in ihrer anfänglichen Schließstellung; 11b veranschaulicht die endgültige Schließstellung; und 11c veranschaulicht schematisch, wie der Ventilkörper im Wesentlichen das Flatterphänomen vermeidet.
Die ringförmige elastische Dichtung, die in 11 allgemein mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet ist, umfasst einen konischen Mantel 70 mit einem verdickten äußeren Umfang 71, der an dem konischen Ventilsitz 19 in der Schließstellung des Ventilaufbaus angreift. Der konische Mantel 70 wird durch einen Bolzen 72 zwischen der konischen Ventilabdeckung 21a auf der stromaufwärtigen Seite und dem Ventilkörper 21b auf der stromabwärtigen Seite festgeklemmt, welchletztere gegen einen Anschlagring 73 lagert und der komplementär konisch zu diesen zwei Teilen des Ventilkörpers 21 ausgebildet ist.
Die stromaufwärtige Seite des Ventilkörpers 21b weist einen Ringschlitz 75 auf, der die stromabwärtige Seite des verdickten ringförmigen Umfangs 71 der elastischen Dichtung 22 aufnimmt. Der Schlitz 75 hat einen trapezförmigen Querschnitt, und seine Unterfläche 75a liegt im Wesentlichen parallel zu der stromaufwärtigen Seite des konischen Ventilkörpers 21, und gegenüberliegende Seitenflächen 75b, 75c liegen im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Ventilaufbaus 20.
Ein Verankerungskörper 77 wird innerhalb des Schlitzes 75 aufgenommen, und dieser hat eine zum Schlitz komplementäre Ausbildung. Außerdem ist er mit einer ringförmigen Schwalbenschwanzrippe 76 versehen, die in einer komplementären Schwalbenschwanznut 78 angeordnet ist, die in der stromabwärtigen Seite des verdickten ringförmigen Umfangs 71 des Dichtungsringes 22 vorgesehen ist.
Die stromaufwärtige Seite des verdickten äußeren Umfangs 71 des Dichtungsringes 22 ist mit einem äußeren ringförmigen Abschnitt 79 versehen, der sich in der Dicke verjüngt. Die Dicke nimmt in Richtung nach außen ab. Ein ringförmiger Abschnitt 79 wird definiert durch eine innere Ringwand 79a, die einen stumpfen Winkel gegenüber der stromaufwärtigen Seite des konischen Ventilkörpers 21 einschließt und einer äußeren Ringwand 79b, die einen kleineren stumpfen Winkel gegenüber der stromaufwärtigen Seite des konischen Ventilkörpers 21 einschließt. Die äußere Fläche 79c des ringsförmigen Abschnitts 79, die in Dichtungsberührung mit dem konischen Ventilsitz 19 kommt, besitzt eine gekrümmte Form.
Das äußere Ende der Ventilabdeckung 21a endet an der Seite 79a der elastischen Dichtung 22 und ist komplementär zu dieser Seite ausgebildet. Das äußere Ende des äußeren ringförmigen Abschnitts 79 der elastischen Dichtung 22, das durch die Seite 79b definiert ist, liegt normalerweise im Abstand zu der Seite 21c des äußeren Endes des Ventilkörpers 21b.
Wenn sich der Ventilkörper 21 dem konischen Ventilsitz 19 nähert, greift die Seite 79c der elastischen Dichtung 22 zuerst an dem konischen Sitz 19 (11a) an, und dieser Abschnitt der elastischen Dichtung wird gegen die Fläche 21c des Ventilkörpers 21b in der endgültigen Schließstellung (11b) des Ventilkörpers 21 deformiert. So wird, wie aus 11b ersichtlich, die Fläche 79b der elastischen Dichtung 22 gegen die Fläche 21c des Ventilkörpers 21b gedrückt, um eine zuverlässige Abdichtung gegenüber dem konischen Sitz 19 in der Schließstellung des Ventils zu erzeugen.
Es hat sich gezeigt, dass die Konstruktion der Ventildichtung 22 gemäß 11 eine zuverlässige Befestigung der Dichtung 22 am Ventilkörper 21 gegen die sehr hohen Kräfte gewährleistet, die danach trachten, die Dichtung von dem Ventilkörper abzuheben, und zwar insbesondere bei einem Rückfluss des Fluid durch das Ventil. Außerdem ist, wie insbesondere aus 11c hervorgeht, der äußere Umfang der Dichtung 22 genügend flexibel, so dass dann, wenn das Ventil nur leicht geöffnet wird, sein äußerer Umfang durch die Strömung gegenüber dem konischen Ventilsitz 19 in Schwingungen versetzt wird, um die Strömung zu regulieren. Diese Konstruktion hat sich auch als besonders zweckmäßig im Hinblick auf eine Vemeidung des Flatterns erwiesen, wenn der Ventilkörper sich seiner endgültigen Schließstellung nähert.
Das in den 12 bis 14 dargestellte Inline-Steuerventil umfasst ein allgemein mit dem Bezugszeichen 110 versehenes Gehäuse mit einem zylindrischen Hauptteil 112, einen Einlasskupplungskanal 113 am stromaufwärtigen Ende und einen Auslasskupplungskanal 114 am stromabwärtigen Ende. Die beiden Kupplungskanäle 113 und 114 haben eine konische Gestalt, und sie sind am Hauptgehäuseteil 112 durch zwei mit Gewinde versehene Kupplungsringe 115, 116 festgelegt.
Der Einlasskupplungskanal 113 umfasst eine Einlassöffnung 117, und der Auslasskupplungskanal 114 umfasst eine Auslassöffnung 118. Der Einlasskupplungskanal 113 ist an seiner inneren Oberfläche mit einem konischen Ventilsitz 119 versehen, der mit dem Ventilkörper zusammenwirkt, der allgemein mit 120 bezeichnet ist und die Fluidströmung von der Einlassöffnung 117 nach der Auslassöffnung 118 steuert.
Der Ventilkörper 120 ist hydrodynamisch gestaltet. Er umfasst eine konische Ventilabdeckung 121 und eine ringförmige elastische Dichtung 122 um seinen äußeren Umfang und er ist nach dem Ventilsitz 119 hin und von diesem weg beweglich. Der Ventilkörper 120 weist außerdem einen Schaft 123 auf, der in die stromabwärtige Seite der Ventilabdeckung 121 eingeschraubt ist, und es ist ein Ventilkörper 124 an der stromabwärtigen Seite der Ventilabdeckung 121 vorgesehen. Ein Druckring 125 greift an dem Ventilkörper 124 derart an, dass dann, wenn der Schaft 123 in die Ventilabdeckung 121 eingeschraubt wird, die elastische ringförmige Dichtung 122 fest zwischen der Ventilabdeckung 121 und dem Ventilkörper 124 eingeklemmt wird.
Der Ventilschaft 123 erstreckt sich stromab der Ventilabdeckung 121 und wird in einem zylindrischen Hohlraum 126 aufgenommen, der in der Kappe 127 ausgeformt ist, die an dem Auslasskupplungskanal 114 angreift und eine Rückwand des Gehäuses 110 bildet.
Der Ventilkörper 120 umfasst außerdem einen zylindrischen Mantel 128, der einstückig mit dem Ventilkörper 124 hergestellt ist und sich stromab des Ventilkörpers erstreckt. Der zylindrische Mantel 128 wird von einem zylindrischen Schlitz 129 aufgenommen, der axial im Gehäuse 112 angeordnet ist.
Das Gehäuse 112 umfasst eine radial verlaufende Wand 130 am stromaufwärtigen Ende der zylindrischen Ausnehmung 129. Die Wand 130 ist mit einer Mittelöffnung ausgestattet, um den Ventilschaft 123 aufzunehmen.
Der Hauptgehäuseteil 112 ist mit mehreren radial verlaufenden Rippen 112a (13, 14) versehen, die in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind, um axial verlaufende Kanäle 112b (15) zu definieren. Die Kappe 127 ist in gleicher Weise mit mehreren radial verlaufenden Kreuzarmen 127e versehen, die in Umfangsrichtung zueinander beabstandet sind und Kanäle 127b definieren. Die Kreuzarme 127a der Kappe 127 sind auf die radialen Rippen 112a des Gehäuses 112 ausgerichtet, so dass die Axialkanäle 112b durch das Gehäuse und 127b durch die Kappe aufeinander ausgerichtet sind, um eine Fluidströmung von der Einlassöffnung 117 nach der Auslassöffnung 118 zuzulassen, wenn der Ventilkörper 120 in seiner Öffnungsstellung befindlich ist. Die innere Oberfläche des Auslasskupplungskanals 114 hat eine konische Form, und die äußere Oberfläche des Kreuzarmes 127b hat eine komplementäre konische Form wie bei 127c dargestellt, so dass die Kreuzarme dicht an dem Auslasskupplungskanal 114 ein kurzes Stück stromauf der Auslassöffnung 118 angreifen.
Das dargestellte Steuerventil umfasst die folgenden Dichtungen: Dichtungsringe 131 und 132 zwischen dem Gehäuse 112 und seinem Einlasskupplungskanal 113 und dem Auslasskupplungskanal 114; einen Dichtungsring 133 zwischen der Gehäusewand 130 und dem Ventilschaft 123; einen Dichtungsring 134 zwischen der Kappe 127 und dem Ventilschaft 123; einen Dichtungsring 135 zwischen der Kappe 127 und dem Gehäuseteil 112; und einen Dichtungsring 136 zwischen der äußeren Oberfläche des Ventilmantels 128 und der entsprechenden Oberfläche des Gehäuseteils 112, der mit dem Schlitz 129 versehen ist, welcher den Ventilmantel aufnimmt.
Die erwähnten Dichtungen definieren die folgenden Kammern: (1) eine Steuerkammer C1 zwischen der stromabwärtigen Seite 123a des Ventilschaftes 123 und den Wänden des zylindrischen Hohlraumes 126, der in der Kappe 127 ausgebildet ist; (2) eine Steuerkammer C2, die von der stromabwärtigen Seite des Ventilkörpers 124, der inneren Seite des Ventilmantels 128, der stromaufwärtigen Seite der Gehäusewand 130 und dem Teil des Ventilschaftes 123 zwischen der Gehäusewand 130 und dem Ventilkörper 124 definiert und vom Ventilmantel 128 umschlossen ist; (3) eine Steuerkammer C3, die von der stromabwärtigen Seite 128a des Ventilmantels 128 und den Wänden des zylindrischen Schlitzes 129 gebildet wird, der im Gehäuseteil 112 ausgebildet ist; und (4) eine Kammer C4, die durch die innere Oberfläche des Gehäuseteils 112, die stromabwärtige Seite der radialen Wand 130, der stromaufwärtigen Seite der Kappe 127 und der äußeren Oberfläche des Ventilschaftes 123 zwischen Wand 130 und Kappe 127 definiert ist.
Ein Axialkanal 140 führt durch den Ventilkörper 120, d.h. durch seine Abdeckung 121, durch den Ventilkörper 124 und den Ventilschaft 123 nach der Kammer C1 am stromabwärtigen Ende des Ventilschaftes. Der Einlassdruck wird demgemäß über den Axialkanal 140 geschickt, um die Kammer C1 zu steuern und eine erste Kraft zu erzeugen, die in einer Richtung wirkt, in der der Ventilkörper 20 in seine Schließstellung überführt wird.
Ein Radialkanal 141 führt durch den Ventilschaft 123 von dem Axialkanal 140 nach der Kammer C2. So wird der Einlassdruck, der über den Axialkanal 140 in die Kammer C1 eingeführt wird, auch über den Radialkanal 141 in die Kammer C2 überführt, um eine zweite Kraft zu erzeugen, die in der gleichen Richtung wirkt wie jene, die in der Kammer C1 herrscht, um den Ventilkörper 120 in seine Schließstellung zu überführen.
Die Kammer C3 ist mit der Kammer C2 über mehrere in Längsrichtung verlaufende Schlitze 142 verbunden, die im Gehäuseteil 112 längs der inneren Oberfläche des Ventilmantels 128 ausgebildet sind. So wird der der Kammer C2 zugeführte Druck auch über die Schlitze 142 in die Kammer C3 geleitet, um eine dritte Kraft zu erzeugen, die in der gleichen Richtung wirkt wie jene, die in den Kammern C1 und C2 erzeugt wird, damit der Ventilkörper 120 in seine Schließstellung überführt wird.
Die Kammer C4 wird nach der Atmosphäre hin über eine Leitung 143 entlüftet, die durch eine der Rippen 112a im Hauptgehäuseteil 112 verläuft. Daher erzeugt sie keine Kraft, die auf den Ventilkörper ausgeübt wird.
Die Kammer C4 weist jedoch einen Antrieb auf, um den Ventilkörper sowohl in die Öffnungsstellung als auch in die Schließstellung zu überführen. Bei dem in 12 bis 14 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der allgemein mit 150 bezeichnete Antrieb aus einem Elektromotor, der an seiner inneren Oberfläche mit einem Gewinde 151 in Gewindegänge 152 eingreift, die auf der äußeren Oberfläche des Ventilschaftes 123 angeordnet sind, so dass bei Drehung des Motors 150 der Schaft 123 und demgemäß der Ventilkörper 121 entweder in die Öffnungsstellung oder in die Schließstellung überführt wird, je nach Drehrichtung des Motors.
Das in den 12 bis 14 dargestellte Ventil arbeitet wie folgt: es wird angenommen, dass der Ventilkörper 121 in seiner Schließstellung gemäß 12 und 13 befindlich ist, wenn der Einlassdruck dem Einlasskanal 117 zugeführt wird und dieser Druck eine Öffnungskraft erzeugt, die gleich ist dem Einlassdruck, multipliziert mit der Oberfläche der stromaufwärtigen Seite des Ventilkörpers 120.
Andererseits wird der Einlassdruck auch (1) über den Axialkanal 140 nach der Steuerkammer C1 geleitet, (2) der Einlassdruck wird über den Radialkanal 141 der Steuerkammer C2 zugeführt, und (3) der Einlassdruck wird über die Schlitze 142 der Steuerkammer C3 zugeführt. Daher wird eine erste Kraft in der Steuerkammer C1 erzeugt, die gleich ist dem Einlassdruck, multipliziert durch den Oberflächenbereich der stromaufwärtigen Seite 123a des Ventilschaftes 123; es wird eine zweite Kraft in der Kammer C2 erzeugt, die gleich ist dem Einlassdruck, multipliziert mit dem Oberflächenbereich, der durch die innere Oberfläche des Mantels 128 und die äußere Oberfläche des Ventilschaftes 123 definiert ist; und es wird eine dritte Kraft in der Kammer C3 erzeugt, die gleich ist dem Einlassdruck, multipliziert mit dem Oberflächenbereich der stromabwärtigen Seite 128a des Mantels 128. Wie beispielsweise aus 13 ersichtlich, ist die Summe der wirksamen Oberflächenbereiche in den Kammern C1, C2 und C3 im Wesentlichen gleich dem Oberflächenbereich an der stromaufwärtigen Seite des Ventilkörpers 120, so dass die Schließkraft, die durch die drei Steuerkammern erzeugt wird, im Wesentlichen gleich wird und die Öffnungskraft ausgleicht, die an der Einlassseite des Ventilkörpers 120 erzeugt wird.
Demgemäß wird das Ventil allein durch die Arbeitsweise des Antriebs 150 geöffnet und geschlossen. Weil vorher die Kräfte ausgeglichen sind, erfordert die Betätigung des Antriebs 150 eine relativ geringe Energie, um den Ventilkörper 120 entweder in seine Schließstellung (12, 13) oder in seine Öffnungsstellung (14, 15) zu überführen.
Die 16 und 17 veranschaulichen ein Ventil, das im Wesentlichen wie in Verbindung mit 12 bis 15 beschrieben ausgebildet ist, und daher werden die gleichen Bezugszeichen benutzt, um einander entsprechende Teile zu kennzeichnen. Der Hauptunterschied des in den 16 und 17 dargestellten Ventils besteht darin, dass es nicht durch einen inneren Elektromotor angetrieben wird, sondern durch einen äußeren Elektromotor, der eine mechanische Kupplung aufweist, die sich durch das Ventilgehäuse nach dem Ventilkörper erstreckt.
Wie aus 16 und 17 ersichtlich, weist der Drehantrieb innerhalb der Kammer C4 eine Getriebeeinheit 160 auf, die ein Innengewinde 161 besitzt, das mit einem Außengewinde 162 auf dem Ventilschaft 123 kämmt. Das Zahngetriebe 160 weist seinerseits ein Kegelrad 163 auf, das mit einem Kegelrad 164 in der Kammer C4 kämmt und über eine durch den Gehäuseteil 112 verlaufende Antriebswelle 165 mit einem Elektromotor 166 gekuppelt ist, der außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und von dem Elektromotor angetrieben wird. Das Zahngetriebe 160 kann außerdem durch Drehlager 167, 168 abgestützt werden, die zwischen der äußeren Oberfläche des Zahngetriebes 160 und einer entsprechenden Oberfläche des Gehäuseteils 112 angeordnet sind.
In Bezug auf alle anderen Maßnahmen ist das Steuerventil gemäß 16 und 17 in der gleichen Weise konstruiert und es arbeitet in der gleichen Weise wie oben in Verbindung mit 12 bis 15 erläutert. So wirkt, wie oben erläutert, der den Kammern C1, C2 und C3 zugeführte Einlassdruck in der gleichen Richtung, um eine Schließkraft zu erzeugen, wobei die Öffnungskraft ausgeglichen wird, die durch den Einlassdruck ausgeübt wird, der auf die stromoberseitige Fläche des Ventilkörpers 120 wirkt, so dass nur eine geringe Energie vom Elektromotor 166 aufgebracht werden muss, um den Ventilkörper entweder in seine Öffnungsstellung oder seine Schließstellung zu überführen.
Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es ist jedoch klar, dass diese nur als Beispiele zu werten sind und dass zahlreiche Abwandlungen getroffen werden können. Beispielsweise kann die Ventildichtungskonstruktion gemäß 11 bei allen hier beschriebenen Inline-Ventilkonstruktionen benutzt werden und außerdem auch bei anderen Ventilkonstruktionen. Zahlreiche andere Modifikationen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus dem Rahmen der beiliegenden Ansprüche.

Claims

Inline-Steuerventil zur Steuerung der Strömung eines unter Druck stehenden Fluid, welches die folgenden Teile aufweist: ein Gehäuse (10) mit einer Einlassöffnung (17), mit einer Auslassöffnung (18) stromab der Einlassöffnung (17) und mit einem Ventilsitz (19) zwischen den beiden Öffnungen (17, 18); einen Ventilkörper (21), der gegenüber dem Ventilsitz (19) in eine Öffnungsstellung und eine Schließstellung beweglich ist; und einen Antrieb (CP2, 26, 150), um den Ventilkörper (21) in seine Öffnungsstellung und seine Schließstellung zu überführen, wobei das Gehäuse (10) außerdem Oberflächen aufweist, die zusammen mit den Oberflächen des Ventilkörpers (21) eine Steuerkammer (C1) definieren und wobei ein Kanal (50, 36a, 58) durch den Ventilkörper (21) definiert ist und in Verbindung mit der Steuerkammer (C1) steht; und wobei der Ventilkörper (21) einen Ventilkörper (21b) und einen am Ventilkörper fixierten Ventilschaft (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (21) eine nach dem Ventilsitz (19) weisende stromaufwärtige Stirnfläche (21a) und eine nach der Auslassöffnung (18) weisende stromabwärtige Stirnfläche (24) aufweist; dass die Steuerkammer (C1) stromab des Ventilkörpers (21) definiert ist und eine erste Steuerkammer (C1) aufweist, die durch eine erste Oberfläche des Gehäuses (10) und eine stromabwärtige Oberfläche des Ventilschaftes (23) definiert ist; dass der Ventilkörper (21b) eine elastische Dichtung (22) um seinen äußeren Umfang herum trägt, die in Schließstellung des Ventilkörpers (21) am Ventilsitz (19) angreift; dass der Ventilschaft (23) sich stromab des Ventilkörpers (21b) erstreckt; und dass der Kanal durch den Ventilkörper von dessen stromaufwärtiger Stirnfläche nach seiner stromabwärtigen Stirnfläche definiert ist und eine Axialbohrung (50) aufweist, die durch den Ventilkörper (21b) und den Ventilschaft (23) verläuft und nach der ersten Steuerkammer (C1) führt, derart, dass ein Einlassdruck eines Fluid an der Einlassöffnung (17) der Steuerkammer (C1) über den Kanal zugeführt wird, um eine erste Schließkraft zu erzeugen, die den Ventilkörper (21) in seine Schließstellung zu bewegen sucht und die einer Öffnungskraft entgegenwirkt, die den Ventilkörper (21) in seine Öffnungsstellung zu bewegen sucht, was durch den Einlassdruck bewirkt wird, der auf die stromaufwärtige Stirnfläche (21a) des Ventilkörpers (21) wirkt.
Ventil nach Anspruch 1, bei welchem der Ventilkörper (21) weiter einen Ventilmantel (28) zylindrischer Gestalt aufweist, der am Ventilkörper (21b) festgelegt ist und sich stromab vom Ventilkörper erstreckt und den Ventilschaft (23) im Abstand umschließt, wobei die Steuerkammer eine zweite Steuerkammer (C2) aufweist, die durch eine zweite Oberfläche des Gehäuses (10) durch den Ventilmantel (28), durch den umschlossenen Abschnitt des Ventilschaftes (23) und einen Abschnitt der stromabwärtigen Stirnfläche des Ventilkörpers (21b) zwischen dem Ventilschaft (23) und dem Ventilmantel (28) definiert ist; wobei der Kanal eine Radialbohrung (36b) aufweist, die am Ventilschaft (23) ausgebildet ist und von der Axialbohrung (50) nach der zweiten Steuerkammer (C2) führt, um den Einlassdruck der zweiten Steuerkammer (C2) zuzuführen und eine zweite Schließkraft zu erzeugen, die der Öffnungskraft entgegengesetzt ist.
Ventil nach Anspruch 2, bei welchem der Ventilmantel (28) von einer zylindrischen Ausnehmung aufgenommen wird, die axial im Gehäuse (10) ausgebildet ist; wobei die Steuerkammeranordnung eine dritte Steuerkammer (C3) aufweist, die von einer dritten Oberfläche des Gehäuses (10) und der stromabwärtigen Stirnfläche des Ventilmantels (28) definiert ist und mit der zweiten Steuerkammer (C2) derart in Verbindung steht, dass der Einlassdruck in der zweiten Steuerkammer (C2) auch der dritten Steuerkammer (C3) zugeführt wird und eine dritte Schließkraft erzeugt, die der Öffnungskraft entgegenwirkt.
Ventil nach Anspruch 3, bei welchem der Ventilmantel (28) innerhalb der zylindrischen Ausnehmung (29) beweglich ist, die durch axial durchgehende Rippen (12a) des Gehäuses (10) gebildet ist und wobei eine äußere Oberfläche des Ventilmantels (28) nicht abgedichtet ist, wodurch eine freie Fluidströmung durch die Axialkanäle (12b) erfolgen kann, die in dem Gehäuse (10) angeordnet sind.
Ventil nach den Ansprüchen 3 oder 4, bei welchem die erste Oberfläche des Gehäuses, die die erste Steuerkammer mit der stromabwärtigen Oberfläche des Ventilschaftes definiert, in einer Kappe (127) angeordnet ist, die mit einem zylindrischen Hohlraum (126) ausgerüstet ist, um das stromabwärtige Ende des Ventilschaftes (123) aufzunehmen und wobei mehrere radial verlaufende Sternarme (127a) Strömungskanäle zwischen den Armen und der Auslassöffnung (118) definieren.
Ventil nach Anspruch 5, bei welchem das Gehäuse (10) eine vierte Kammer (C4) mit der Kappe (127) und einem stromabwärtigen Teil des Ventilschaftes (123) definiert, wobei die vierte Kammer (C4) nach der Atmosphäre hin entlüftet ist.
Ventil nach Anspruch 6, welches weiter eine Steueröffnung (CP2) aufweist, die mit der dritten Kammer (C3) in Verbindung steht, die ihrerseits ständig mit der vierten Kammer (C4) über einen Schlitz (40) und eine Bohrung (51) in Verbindung steht und die als einzige Steueröffnung in dem Gehäuseteil (12) wirkt.
Ventil nach Anspruch 7, bei welchem ein Steuerdruck über die zweite Steueröffnung (CP2) der dritten und vierten Steuerkammer (C3, C4) zugeführt wird, wodurch eine Kraft erzeugt wird, die das Ventil zu öffnen trachtet.
Ventil nach Anspruch 8, welches weiter einen Kolben (52) aufweist, der eine äußere Querschnittsfläche besitzt, wobei der Kolben (52) an seinem stromaufwärtigen Ende durch eine Stirnwand (55) geschlossen ist und der Kolben ein stromabwärtiges Ende aufweist, das gleitbar und dichtend in einem zylindrischen Hohlraum (56) in der Kappe (27) läuft, wodurch eine fünfte Kammer (C5) geschlossen wird, die nach der Atmosphäre hin über einen Auslass (35) entlüftet ist.
Ventil nach Anspruch 9, bei welchem der Einlassdruck über Kanäle (50, 36a, 36b) einem Oberflächenbereich der ersten Kammer (C1) und einem Oberflächenbereich der zweiten Kammer (C2) zugeführt wird, die durch die äußere Querschnittsfläche des Kolbens (52) vermindert ist, wodurch die Schließkraft vermindert wird, die in der ersten Kammer (C2) erzeugt wird, wobei beide Kräfte erzeugen, die das Ventil zu schließen trachten.
Ventil nach Anspruch 10, bei welchem die Summe der Kräfte, die das Ventil zu öffnen trachten, ausreicht, um den Ventilaufbau in seine Öffnungsstellung entgegen der Schließkraft zu überführen.
Ventil nach Anspruch 10, bei welchem dann, wenn der Ventilaufbau sich in der Schließstellung befindet und die Steueröffnung (CP2) nach der Atmosphäre hin entlüftet ist, eine Summe der Kräfte, die das Ventil zu schließen trachten, zusammen mit einer Kraft, die durch einen stromabwärtigen Druck auf der Oberfläche (28a) des Ventilmantels (28) und einer Kraft, die durch eine Feder (26) erzeugt wird, größer ist als die Summe der Kräfte, die das Ventil zu öffnen trachten, so dass das Ventil sich in einer normal geschlossenen Stellung befindet.
Ventil nach Anspruch 3, bei welchem ein Dichtungsring (136) zwischen der äußeren Fläche des Ventilmantels (128) und der Ausnehmung (110) des Gehäuses vorgesehen ist, um die dritte Steuerkammer (C3) zu definieren, wobei ein Kanal (142) zwischen der inneren Fläche des Ventilmantels (128) und der Ausnehmung (110) des Gehäuses vorgesehen ist, um die Verbindung zwischen der dritten Steuerkammer (C3) und der zweiten Steuerkammer (C2) herzustellen.
Ventil nach Anspruch 13, bei welchem der letztere Kanal (142) aus mehreren axial verlaufenden in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneten Schlitzen besteht, die in der Gehäuseoberfläche der Ausnehmung ausgebildet sind und nach der inneren Fläche des Ventilmantels (128) weisen.
Ventil nach Anspruch 5, bei welchem die Kappe (127) ein getrennter Bauteil ist und seine Sternarme durch den Einlassdruck in der ersten Kammer in Eingriff mit der inneren Oberfläche des Gehäuses (110) benachbart zur Auslassöffnung (118) gepresst werden.
Ventil nach Anspruch 15, bei welchem die innere Oberfläche des Gehäuses (110) benachbart zu der Auslassöffnung (118) und die äußere Oberfläche der Sternarme (127a), die hiermit in Eingriff stehen, eine komplementäre konische Gestalt besitzen.
Ventil nach Anspruch 15, bei welchem das Gehäuse (110) mehrere radial verlaufende Rippen (112a) aufweist, die auf die Sternarme (127a) der Kappe (127) ausgerichtet sind und mit diesen Axialkanäle für die Fluidströmung von der Einlassöffnung (117) nach der Auslassöffnung (118) definieren, wenn der Ventilkörper in seiner Öffnungsstellung befindlich ist.
Ventil nach Anspruch 6, bei welchem die vierte Kammer (C4) durch einen Auslass (143) entlüftet ist, der durch eine der radial verlaufenden Rippen (112a) im Gehäuse verläuft.
Ventil nach Anspruch 6, bei welchem das Gehäuse (110) eine radial verlaufende Wand (130) aufweist, die eine Abdichtung (133) besitzt und mit einer durchgehenden Öffnung ausgestattet ist, die den Ventilschaft aufnimmt und die zweite und vierte Kammer (C2 und C4) definiert.
Ventil nach Anspruch 6, bei welchem der Antrieb einen in der vierten Kammer angeordneten Motor (150) aufweist.
Ventil nach Anspruch 20, bei welchem der Motor (150) ein rotierender Motor ist, der ein Gewinde (151) aufweist, das mit einem Gewinde (152) kämmt, das in einem stromabwärtigen Teil des Ventilschaftes (123) angeordnet ist, derart, dass eine Drehung des Motors (150) in einer Richtung den Ventilkörper (121) in seine Schließstellung bewegt und eine Drehung des Motors (150) im Gegensinn den Ventilkörper (121) in seine Öffnungsstellung überführt.
Ventil nach Anspruch 21, bei welchem der rotierende Motor (150) ein Elektromotor ist, der in der vierten Kammer (C4) des Gehäuses untergebracht ist.
Ventil nach Anspruch 21, bei welchem der rotierende Motor (150) ein Elektromotor ist, der außerhalb des Gehäuses angeordnet und mechanisch mit dem Drehantrieb in der vierten Kammer (C4) des Gehäuses gekuppelt ist.
Ventil nach Anspruch 4, bei welchem die Summe der Flächen der stromabwärtigen Oberfläche in der ersten, zweiten und dritten Steuerkammer (C1, C2, C3), die dem Einlassdruck ausgesetzt sind, im Wesentlichen flächengleich ist der stromaufwärtigen Stirnfläche des Ventilkörpers (121a), die dem Einlassdruck ausgesetzt ist, so dass die Summe von erster, zweiter und dritter Schließkraft im Wesentlichen gleich ist der Öffnungskraft.