DE69716007T2 - Knebelbetägtigtes Ventil - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Toggleventil (Hochdruckventil), in dem eine Betätigungskraft erhöht und auf einen Ventilschaft übertragen wird, der einen Ventilkörper betätigt.
- Es gibt verschiedene bekannte Typen von Toggleventilen. Jedoch sind bekannte Toggleventile groß und ihre Elemente müssen mit einer extrem großen Präzision hergestellt werden. Darüber hinaus ist es bei bekannten Toggleventilen schwierig, einen stabilen Betrieb für lange Zeiträume beizubehalten.
- US 4,549,719 zeigt mechanische Verstärkungsmittel für Ventile und andere Vorrichtungen, die dazu dienen, eine kleine Kraft, die entlang eines langen Weges wirkt, in eine große Kraft, die entlang eines kleinen Weges wirkt, umzuwandeln. Die mechanischen Verstärkuhgsmittel bestehen aus zwei oberen Kugellagern, die von einem mit einem Profil versehenen Stößel tangential auseinandergekeilt werden, was wiederum eine kosinusförmige geringfügige Verschiebung eines unteren Paares von Kugellagern bewirkt.
- US 4,270,398 zeigt eine mechanische Verstärkungsvorrichtung mit einem primären keilförmigen Glied, das zwischen zwei Paaren von Walzen, die bezüglich einer Symmetrieebene spiegelbildlich angeordnet sind, verschiebbar ist. Die Achsen der Walzen sind zueinander parallel und senkrecht zur Bewegungsrichtung des primären Gliedes. Alle Walzen sind frei beweglich und liegen am keilförmigen primären Glied an. Zwei Walzen, die gegeneinander liegen, sind auf jeder Seite des keilförmigen Gliedes vorgesehen, wobei eine der Walzen gegen eine stationäre Anschlagsfläche drückt und die andere gegen eine kooperierende Stützfläche eines sekundären Gliedes drückt.
- Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Toggleventil anzugeben, das für eine lange Zeitdauer stabil funktioniert.
- Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß ein Toggleventil gemäß Anspruch 1 angegeben, das einen Ventilschaft umfasst, der verschiebbar in einem Gehäuse gehalten ist und der einen Ventilkörper weg von und hin zu einem Ventilsitz bewegt, ein von dem Ventilschaft getrenntes Betätigungselement, das in dem Gehäuse gehalten ist, um sich in einer zur Achse des Ventilschaftes parallelen Richtung zu verschieben, ein Ventilschaft-Rollenelement, das an dem Ventilschaft gehalten ist und eine Welle hat, deren Achse sich in einer Richtung senkrecht zu der Schieberichtung des Ventilschaftes erstreckt, ohne die Achse des Ventilschaftes zu schneiden, eine Schrägfläche, die an dem Ende des Betätigungselementes, das dem Ventilschaft benachbart ist, vorgesehen ist und ein Zwischenrollenelement, das eine Welle hat, die sich parallel zur Achse des Ventilschaft-Rollenelementes erstreckt und das zwischen der Schrägfläche des Betätigungselementes und des Ventilschaft-Rollenelementes vorgesehen ist, um mit der Schrägfläche und dem Ventilschaft-Rollenelement in Kontakt zu kommen.
- Die oben genannte Schrägfläche, das Zwischenrollenelement und das Ventilschaft-Rollenelement sind derart angeordnet, dass bei Bewegung des Betätigungselementes um eine Verstelleinheit hin zum Ventilschaft, um den Ventilschaft über die Schrägfläche, das Zwischenrollenelement und das Ventilschaft- Rollenelement zum Ventilsitz hin zu bewegen, der Ventilschaft in geringerem Maße verstellt wird, als das Betätigungselement.
- Das Toggleventil umfasst ferner eine Mehrzahl von Ventilschaft-Rollenelementen und Zwischenrollenelementen, die rotationssymmetrisch bezüglich der Achse des Ventilelementes angeordnet sind.
- Der Ventilschaft und die Ventilschaft-Rollenelemente bilden eine Ventilschaftanordnung und der Ventilschaft ist mit dem Betätigungselement koaxial.
- Die Kraft zum Bewegen des Betätigungselementes in Richtung auf den Ventilschaft kann von einer Feder erzeugt werden, und die Kraft zum Bewegen des Betätigungselementes weg von dem Ventilschaft durch Fluiddruck erzeugt werden, oder die Kraft zum Bewegen des Betätigungselementes zum Ventilschaft kann durch Fluiddruck erzeugt werden, und die Kraft zum Bewegen des Betätigungselementes weg von dem Ventilschaft kann durch eine Feder erzeugt werden.
- Die Schrägfläche kann durch eine konische Fläche oder eine keilförmige Fläche gebildet werden.
- Die Erfindung wird unten im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
- Fig. 1 ein Längsschnitt eines im Normalfall geschlossenen Toggleventils ist, das in einer geschlossenen Stellung gezeigt ist, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 2 ein Längsschnitt eines im Normalfall geschlossenen Toggleventils ist, das in einer offenen Stellung gezeigt ist, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 1 und 2 gezeigten Toggleventils ist, um einen Zusammenhang der Position einer Schrägfläche, der Zwischenrollenelemente und der Ventilschaft- Rollenelemente zu zeigen;
- Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Toggleventils ist, das eine Schrägfläche hat, die unterschiedlich von der in Fig. 3 gezeigten ist; und
- Fig. 5 ein Längsschnitt eines im Normalfall offenen Toggleventils ist, das in offener Stellung gezeigt ist, gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung.
- Fig. 6 ist ein Längsschnitt eines im Normalfall geschlossenen Toggleventils, das in einer geschlossenen Stellung gezeigt ist, gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 7 ist ein Längsschnitt eines im Normalfall geschlossenen Toggleventils, das in einer offenen Stellung gezeigt ist, gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung;
- In einer in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform, die auf ein im Normalfall geschlossenes Ventil angewendet ist, umfasst ein Block 11 zum Durchführen eines Fluides, der aus einem Paar von Leitungsanschlüssen 12 und 13, die entlang der gleichen Achse angeordnet sind und aus einem Ventilanschluss 14 besteht, der sich senkrecht zu der Achse der Leitungsanschlüsse 12 und 13 erstreckt. Die Leitungsanschlüsse 12 und 13 sind in ihrem Inneren mit Fluidleitungen 12a und 13a versehen, die sich in den Ventilanschluss 14 öffnen. Ein ringförmiger Ventilsitz 15 ist an dem offenen Ende der Fluidleitung 12a vorgesehen.
- Der Ventilanschluss 14 ist mit einer kreisförmigen Metallmembran 16 versehen, die den kreisförmigen Ventilsitz 15 und das offene Ende der Fluidleitung 13a bedeckt, einem Befestigungselement 17, das die Metallmembran 16 an ihrer Umfangskante festhält, und einem öffnenden und verschließenden Ventilkörper 18, der verschiebbar von dem Befestigungselement 17 gehalten wird.
- Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Fluidleitung 12a geeignet, ein Hochdruckfluid zuzuführen, und der ringförmige Ventilsitz 15 ist in der Mitte der Metallmembran 16 angeordnet. Der Ventilkörper 18 kann hinzu und weg von dem Mittelabschnitt der Metallmembran 16 bewegt werden. Wenn der Ventilkörper 18 gegen den ringförmigen Ventilsitz 15 und somit gegen das Hochdruckfluid in der Fluidleitung 12a gedrückt wird, wird die Fluidverbindung zwischen den Fluidleitungen 12a und 13a durch die Metallmembran 16 unterbrochen.
- Ein unteres Gehäuse 21a eines Gehäuses 21 eines Toggleventils 20 ist mit der äußeren Umfangsfläche des Ventilanschlusses 14 über ein äußeres Gewinde 14a, das an der äußeren Umfangsfläche des Ventilanschlusses 14 ausgebildet ist, verbunden. Das Gehäuse 21 besteht aus dem unteren Gehäuse 21a und einem oberen Gehäuse 21b, das mit Hilfe eines Sperrringes 21c mit dem unteren Gehäuse 21a verbunden ist.
- Eine Ventilschaftanordnung 24, ein Paar Zwischenrollen 25 und ein Betätigungselement 26 sind in dieser Reihenfolge von dem in Fig. 1 und 2 unteren Ende in das Gehäuse 21 eingesetzt und als bewegliche Komponenten darin gehalten. Die Ventilschaftanordnung 24 umfasst einen Ventilschaft 22, der den Ventilkörper 18 weg von und hin zu dem ringförmigen Ventilsitz 15 bewegt, und ein Paar von Ventilschaft-Rollenelementen 23. Die Ventilschaft-Rollenelemente 23 sind jeweils mit einer Rolle 23a versehen, die eine in ihre Mitte eingesetzte Welle 23b hat. Die Welle 23b wird von einer Halteplatte 22a gehalten, die mit dem Ventilschaft 22 integral und zu diesem senkrecht ist. Die Ventilschaft-Rollenelemente 23 (die Wellen 23b) sind zueinander parallel und bezüglich der Achse des Ventilschaftes 22 rotationssymmetrisch angeordnet. Die Achsen der Ventilschaft-Rollenelemente 23 (die Wellen 23b) erstrecken sich senkrecht zur Achse des Ventilschaftes 22, ohne diese zu schneiden. Die Ventilschaftanordnung 24 ist durch eine zusammengedrückte Feder 24a vorgespannt, um den Ventilschaft 22 von der Metallmembran 16 weg zu bewegen.
- Das Betätigungselement 26 besteht aus einem mit dem Ventilschaft 22 koaxialen Betätigungsschaft 27, einem Kolbenelement 28, das integral mit einem mittleren Abschnitt des Betätigungsschaftes 27 verbunden ist, und einem eine Feder aufnehmenden Kolbenelement 29, das integral mit einem oberen Ende des Betätigungsschaftes 27 verbunden ist. Das Kolbenelement 28 definiert eine Ventilöffnungsdruckkammer 31a zwischen dem Kolbenelement 28 und einer stationären Trennwand 30 im Gehäuse 21. Die eine Feder aufnehmende Kolbenkammer 29 definiert eine andere Ventilöffnungsdruckkammer 31b zwischen dem Kolbenelement 29 und einem stationären Anschlagsplättchen 32. Das sich bewegende obere Ende des Kolbenelementes 28 in Fig. 1 ist durch das stationäre Anschlagsplättchen 32 im Gehäuse 21 beschränkt, wenn das Kolbenelement 28 am Anschlagsplättchen 32 anstößt. Ein Vorsteuerdruck P wird von einer Vorsteuerdruckquelle 36 durch eine radiale Leitung 33b und eine axiale Leitung 33a, die im Betätigungsschaft 27 ausgebildet sind, einen Vorsteuerdruckzuführungsanschluss 34 des oberen Gehäuses 21b und ein öffnendes und schließendes Steuerungsventil 35 auf die Ventilöffnungsdruckkammern 31a und 31b ausgeübt.
- Eine Druckfeder 37 ist zwischen dem eine Feder aufnehmenden Kolbenelement 29 und dem oberen Gehäuse 21b vorgesehen, um das Betätigungselement 26 fortwährend in Richtung auf die Ventilschaftanordnung 24 vorzuspannen. Ein Schrägflächenabschnitt 27a ist am Vorderende (unteren Ende in Fig. 1) des Betätigungsschaftes 27 des Betätigungselementes 26 vorgesehen. Das Paar von Zwischenrollen 25 ist zwischen der Schrägfläche 27a und den Ventilschaft- Rollenelementen 23 der Ventilschaftanordnung 24 vorgesehen. Die Schrägfläche 27a kann durch eine in Fig. 3 gezeigte konische Fläche 27a1 gebildet werden, oder durch eine keilförmige Fläche, die aus einem Paar von geneigten flachen Flächen 27a2 besteht, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Druckfeder 37 ist in ausreichendem Maße stärker als die Druckfeder 24a.
- Die Zwischenrollen (passiven Rollenelemente) 25 sind jeweils mit einer Rolle 25a versehen, die eine darin eingesetzte Welle 25b haben. Die Rollen 25a sind in Ausnehmungen 30a, die am unteren Ende der stationären Wand 30 ausgebildet sind, aufgenommen, so dass sie sich drehen, sich aber nicht in axialer Richtung bewegen. Die Wellen 25b sind drehbar und verschiebbar auf einer unteren Führungsfläche 30b der stationären Trennwand 30 gehalten. Die passiven Rollenelemente 25 sind zu den Ventilschaftrollen 23 parallel und zwischen der Schrägfläche 27a des Betätigungsschaftes 27 und den Ventilschaft-Rollenelementen 23 angeordnet. Der das Ventil schließende nach unten gerichtete Druck, der auf das Betätigungselement 26 wirkt, wird auf den Ventilschaft 22 über die Schrägfläche 27a, die Zwischenrollen 25, die Ventilschaft-Rollenelemente 23 und die Halteplatte 22a übertragen. Die Ventilschaft-Rollenelemente 23 und die Zwischenrollen 25 können z. B. aus kommerziell erhältlichen Nadellagern hergestellt werden, die preiswert und von hoher Präzision sind.
- Der Neigungswinkel der Schrägfläche 27a des Betätigungsschaftes 27 und die Außendurchmesser und Ausgangspositionen der Zwischenrollen 25 und der Ventilschaft-Rollenelemente 23 (d. h., die Positionen, wenn der Ventilkörper 18 vom ringförmigen Ventilsitz 15 entfernt ist) werden wie folgt bestimmt. Wenn das Betätigungselement 26 um eine Verstelleinheit in Richtung auf die Ventilschaftanordnung 24 bewegt wird, wodurch der Ventilschaft 22 über die Schrägfläche 27a, die Zwischenrollen 25 und die Ventilschaft-Rollenelemente 23 in Richtung auf den ringförmigen Ventilsitz 15 bewegt wird, wird der Ventilschaft 22 um eine kleinere Verstellung bewegt, als die Verstelleinheit des Betätigungselementes 26. In einer Ausführungsform gilt beispielsweise (Verstellung des Betätigungselementes 26 in axialer Richtung): (Verstellung des Ventilschaftes 22 in axialer Richtung) = 1 : 0,2 oder 1 : 0,1. Die Zwischenrollen 25 sind während des Betriebes jederzeit in Kontakt mit der Schrägfläche 27a und den Ventilschaft-Rollenelementen 23, und wenn das Betätigungselement 26 zur niedrigsten Position in Richtung auf die Ventilschaftanordnung 24 bewegt wird, befindet sich die Achse der Zwischenrollen 25 in radialer Richtung vom Ventilschaft 22 aus betrachtet niemals außerhalb der Achse der Ventilschaft-Rollenelemente 23.
- Das wie oben aufgebaute Toggleventil wird wie folgt betrieben.
- Wenn kein Vorsteuerdruck in die Ventilöffnungsdruckkammern 31a und 31b eingeführt wird, wird das Betätigungselement 26 von der Druckfeder 37 in Richtung auf die Ventilschaftanordnung 24 bewegt. Die durch die Bewegung des Betätigungselementes 26 hervorgerufene Ventilverschlusskraft wird über die Schrägfläche 27a des Betätigungsschaftes 27, die Zwischenrollen 25 und die Ventilschaft-Rollenelemente 23 auf den Ventilschaft 22 übertragen, so dass der Ventilschaft 22 den Ventilkörper 18 veranlasst, sich in Richtung auf den ringförmigen Ventilsitz 15 zu bewegen. Folglich ist die Fluidleitung 12a von der Fluidleitung 13a durch die Metallmembran 16 getrennt, wie in Fig. 1 gezeigt. Mit anderen Worten ist das Ventil im Normalfall geschlossen. Da die Verstellung des Ventilschaftes 22 geringer ist als die Einheitsverstellung des Betätigungselementes 26, wenn die Ventilverschlusskraft des Betätigungselementes 26 über die Schrägfläche 25, die Zwischenrollen 25 und die Ventilschaft-Rollenelemente 23 auf den Ventilschaft 22 übertragen wird, ist es möglich, eine starke Ventilverschlusskraft aus einer geringen Federkraft der Druckfeder 37 zu erhalten. In den oben erwähnten Beispielen wird eine Ventilverschlusskraft erhalten, die fünf oder zehn mal so groß ist wie die Federkraft der Druckfeder.
- Um das Ventil zu öffnen, wird das öffnende und verschließende Steuerungsventil 35 geöffnet, um den Vorsteuerdruck von der Vorsteuerdruckquelle 36 durch die axiale Leitung 33a und die radiale Leitung 33b des Betätigungsschaftes 27 in die Ventilöffnungskammern 31a und 31b einzuführen. Wenn der Vorsteuerdruck die Federkraft der Druckfeder 37 übersteigt, findet eine Aufwärtsbewegung des Betätigungselementes 26 statt und folglich verschwindet die Kraft zum Halten des Ventilkörpers 18 in der geschlossenen Stellung. Daher tritt eine Verformung der Metallmembran 16 infolge des Druckes innerhalb der Fluidleitung 12a auf, so dass eine Fluidverbindung zwischen den Fluidleitungen 12a und 13a (Fig. 2) hergestellt werden kann.
- Die oben beschriebene Ausführungsform ist auf ein im Normalfall offenes Ventil angewandt, bei dem die Ventilverschlusskraft durch die Druckfeder hervorgerufen wird. Die vorliegende Erfindung kann auf ein im Normalfall offenes Ventil angewendet werden, bei dem die Ventilverschlusskraft durch den Vorsteuerdruck erzeugt wird, wie in Fig. 5 gezeigt. In Fig. 5 ist die in Fig. 1 und 2 gezeigte Druckfeder 37 nicht vorhanden, und die Kammer 31', in der die Druckfeder 37 in Fig. 1 und 2 untergebracht war, dient als Vorsteuerdruckkammer. Wenn der Vorsteuerdruck in die Vorsteuerdruckkammer 31' und 31" eingeführt wird, wird das Betätigungselement 26 in Richtung auf den Ventilschaft 22 bewegt, um das Ventil zu schließen. In der in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsform ist die Druckfeder 37R beispielsweise in der Vorsteuerdruckkammer 31a von Fig. 1 und 2 untergebracht, um eine Ventilöffnungskraft zu erhalten.
- Obwohl der Ventilschaft 22 und der Ventilkörper 18 in den gezeigten Ausführungsformen aus getrennten Teilen besteht, ist es möglich, diese zu einem einzigen Teil zu machen. Das Vorliegen oder Fehlen eines Zwischengliedes wie der Metallmembran 16 zwischen dem Ventilkörper 18 und dem ringförmigen Ventilsitz 15 wird in Abhängigkeit von der Art oder der Eigenschaften des Fluides bestimmt, das durch die Fluidleitungen 12a und 13a zu leiten ist. Obwohl die Ventilanordnung 24 in den gezeigten Ausführungsformen mit einem Paar von Ventilschaft- Rollenelementen 23 versehen ist, ist es darüber hinaus möglich, mehr als zwei Ventilschaft-Rollenelemente vorzusehen, die in Umfangsrichtung um den Schaft 22 voneinander beabstandet sind, vorzugsweise unter einheitlichen Winkelabständen.
- Fig. 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die weitere Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform von Fig. 1 bis 4 durch die folgenden Punkte. An Stelle der Doppelkolben in der Ausführungsform von Fig. 1 und 2 wird ein einziger Kolben 29 verwendet. Das heißt, der Kolben 28 in Fig. 1 und 2 ist weggelassen. Der Neigungswinkel der Fläche 27a des Betätigungsschaftes ist kleiner als der in Fig. 1 bis 4 gezeigte. Mit anderen Worten ist die Schrägfläche 27a derart angeordnet, dass eine größere Verstellung des Betätigungselementes 27 eine proportional kleinere Verstellung des Ventilschaft- Rollenelementes 23 verursacht, und somit eine größere Kraft zum Schließen des Ventils erhalten wird.
- Wie den obenstehenden Erläuterungen zu entnehmen, wird erfindungsgemäß der Togglemechanismus durch die Schrägfläche des Betätigungselementes, die Zwischenrollen und die Ventilschaftrollen verwirklicht. Als Rollen können kommerziell erhältliche Nadellager verwendet werden, die preiswert sind und präzise hergestellt werden können. Somit kann ein preiswertes, verlässliches und haltbares Toggleventil bereitgestellt werden.
Claims (8)
1. Toggle-Ventil umfassend:
einen Ventilschaft (24), der verschiebbar in einem Gehäuse (21) gehalten ist
und einen Ventilkörper (18) weg von und hin zu einem Ventilsitz (15) bewegt,
ein von dem Ventilschaft (22) getrenntes Betätigungselement (26), das in
dem Gehäuse (21) gehalten ist, um sich in einer zur Achse des
Ventilschaftes (22) parallelen Richtung zu verschieben,
ein Ventilschaft-Rollenelement (23), das an dem Ventilschaft (22) gehalten
ist und eine Welle (23b) hat, die bezüglich der Achse des Ventilschaftes (22)
in einer ortsfesten Position angebracht ist, wobei die Welle (23b) des
Ventilschaft-Rollenelements (23) eine Achse hat, die senkrecht zur
Schieberichtung des Ventilschafts (22) verläuft, ohne dabei die Achse des
Ventilschafts (23) zu schneiden,
eine Schrägfläche (27a), die an dem Ende des Betätigungselements (26)
vorgesehen ist, das dem Ventilschaft (22) benachbart ist, und
ein Zwischenrollenelement (25), das zwischen der Schrägfläche (27a) des
Betätigungselements (26) und dem Ventilschaft-Rollenelement (23) in
rollendem Eingriff mit dem Ventilschaft-Rollenelement (23) und der
Schrägfläche (27a) angebracht ist und eine Welle hat, die sich parallel zur Achse
des Ventilschaft-Rollenelements (23) erstreckt,
wobei die Schrägfläche (27a), das Zwischenrollenelement (25) und das
Ventilschaft-Rollenelement (23) so angeordnet sind, daß bei Bewegung des
Betätigungselements (26) um eine Verstelleinheit hin zum Ventilschaft, um
diesen über die Schrägfläche (27a), das Zwischenrollenelement (25) und das
Ventilschaft-Rollenelement (23) zum Ventilsitz hin zu bewegen, der
Ventilschaft (22) um eine gegenüber der Verstelleinheit des Betätigungselements
(26) kleinere Verstelleinheit bewegt wird.
2. Toggle-Ventil nach Anspruch 1, bei dem mehrere
Ventilschaft-Rollenelemente (23) und mehrere Zwischenrollenelemente (25)
rotationssymmetrisch zur Achse des Ventilschafts (22) vorgesehen sind.
3. Toggle-Ventil nach Anspruch 2, bei dem der Ventilschaft (22) und die
Ventilschaft-Rollenelemente (23) eine Ventilschaftanordnung (24) bilden.
4. Toggle-Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Ventilschaft
(22) koaxial zu dem Betätigungselement (26) ist.
5. Toggle-Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kraft zum
Bewegen des Betätigungselements (26) zum Ventilschaft (22) hin durch eine
Feder (37) und die Kraft zum Entfernen des Betätigungselements (26) von
dem Ventilschaft (22) durch Fluiddruck erzeugt wird.
6. Toggle-Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kraft zum
Bewegen des Betätigungselements (26) zum Ventilschaft (22) hin durch
Fluiddruck und die Kraft zum Entfernen des Betätigungselements von dem
Ventilschaft (22) durch eine Feder (37R) erzeugt wird.
7. Toggle-Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
Schrägfläche (27a) eine konische Fläche (27a1) ist.
8. Toggle-Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Schrägfläche
(27a) eine keilförmige Fläche (27a2) ist.
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