FI123486B - Venttiili - Google Patents

Description

VENTTIILI

Keksinnön ala Tämä keksintö liittyy venttiiliin, ja erityisesti ratkaisuun, jolla venttiilin sulkuelimen liikuttamiseen tarvittava voima voidaan pitää mahdollisimman pie-5 nenä.

Tekniikan tason kuvaus

Ennestään tunnetaan venttiili, jossa akselin välityksellä voidaan liikuttaa venttiilin virtauskanavaan järjestettyä sulkuelintä virtauskanavan ensimmäisen aukon ja toisen aukon välisen virtausyhteyden sulkemiseksi ja vastaa-10 vasti avaamiseksi. Jotta venttiilistä saataisiin tiivis, on venttiilin sulkuelimen ja rungon väliseen rakoon järjestetty tiivisterengas. Käytännössä kyseinen tiivis-terengas ja sulkuelin puristuvat toisiaan vasten käytön aikana, jolloin puristu-misen ansiosta saadaan aikaan tarvittava tiiveys.

Edellä mainitun tunnetun ratkaisun heikkoutena on sulkuelimen lii-15 kuttamiseen tarvittava voima. Käytännössä sulkuelimen ja tiivisterenkaan puristuminen toisiaan vastaan johtaa siihen, että sukuelimestä ulkonevan akselin liikuttamiseen tarvittava voima on huomattavan suuri. Suuresta tarvittavasta voimasta johtuen mm. sulkuelintä akselin välityksellä liikuttava toimilaite joudutaan mitoittamaan huomattavan suureksi, jotta se kaikissa tilanteissa kykenisi 20 liikuttamaan sulkuelintä.

Jotta vastinpinnat kestäisivät tiiviinä kerrasta toiseen vaikka ne irrotetaan toisistaan suuren voiman alaisuudessa, saatetaan niissä joutua käyttämään suhteellisen kalliita materiaaleja. Edelleen suuren operointivoiman tuottavan toimilaitteen käyttö on ongelmallista operointinopeuden kannalta, joka ” 25 jää alhaiseksi suuren tarvittavan operointimomentin seurauksena, ja myös sik- o ™ si, että liian suurella operointinopeudella saatetaan vaurioittaa suuren voiman o alaisuudessa olevia vastinpintoja.

m

Keksinnön yhteenveto

CC

Tämän keksinnön tarkoitus on tarjota käyttöön edullinen, tiivis ja yk- ^ 30 sinkertainen venttiili, jossa sulkuelimen liikuttamiseen tarvittava voima voidaan o) pitää kohtuullisena. Tämä päämäärä saavutetaan oheisen itsenäisen patentti- o ° vaatimuksen 1 mukaisella venttiilillä.

Venttiilin tiiveyden varmistamiseksi hyödynnetään venttiilissä tiivis-terengasta, joka tiivistää rungon ja sulkuelimen välisen raon. Tiivisterenkaan ja 2 rungon välissä on tila johon fluidin paine pääsee vaikuttamaan kasvattaen voimaa, jolla tiivisterengas puristuu vasten sulkuelintä. Mainittuun tilaan avautuu poistokanavan ensimmäinen pää, jonka kautta tilassa vallitseva paine on alennettavissa. Täten voima, jolla tiivisterengas puristuu vasten sulkuelintä voi 5 pienentyä johtuen tilassa vallitsevan paineen alentumisesta. Ennen sulkueli-men liikettä on siten mahdollista pienentää voimaa, jolla sulkuelin ja tiivisterengas puristuvat toisinaan vasten. Näin ollen tiivisterengas ei enää vaikeuta sukuelimen liikuttamista.

Kuvioiden lyhyt kuvaus 10 Keksintöä selostetaan seuraavassa esimerkinomaisesti lähemmin viittaamalla oheisiin kuvioihin, joista: kuvio 1 esittää venttiilin ensimmäistä suoritusmuotoa, kuvio 2 esittää venttiilin toista suoritusmuotoa, kuvio 3 esittää venttiilin kolmatta suoritusmuotoa, ja 15 kuvio 4 esittää venttiilin neljättä suoritusmuotoa.

Ainakin yhden suoritusmuodon kuvaus

Kuvio 1 esittää venttiilin 1 ensimmäistä suoritusmuotoa. Venttiiliin kuuluu runko 18, jossa on ensimmäinen aukko 2 ja toinen aukko 3 sekä näitä yhdistävään virtauskanava 17 fluidivirtauksen mahdollistamiseksi ensimmäisel-20 tä aukolta 2 toiselle aukolle 3.

Virtauskanavaan on järjestetty sulkuelin 4, jonka seuraavassa esimerkinomaisesti oletetaan olevan pallon muotoinen (palloventtiili) vaikkakin on ajateltavissa, että keksintöä sovelletaan myös esimerkiksi läppäventtiilin yhteydessä, jolloin sulkuelin on levymäinen. Kuvion 1 tilanteessa venttiili 1 on esitet- ” 25 ty sulkutilanteessa, jolloin sulkuelin 4 on siihen kiinnitetyn akselin 5 välityksellä o ™ käännetty asentoon, jossa sulkuelimen 4 läpi ulottuva aukko 6 on poikittain vir- o tauskanavassa. Täten fluidi ei pääse virtaaman sulkuelimen läpi ensimmäiseltä aukolta 2 toiselle aukolle 3. Sulkuelimen 4 ja akselin 5 ei välttämättä tarvitse g muodostua erillisistä toisiinsa kiinnitetyistä osista, vaan kyse voi olla yksittäi-

CL

30 sestä osasta, joka muodostaa sekä sulkuelimen 4 että akselin 5.

CVJ

£5 Kuvion 1 tilanteessa ensimmäisen aukon 2 kautta venttiilin virtaus- co g kanavaan 17 pääsevä fluidi kohdistaa paineen P1 kohti sulkuelintä 4. Toisen ° aukon 3 puolella paine P2 on merkittävästi alempi kuin ensimmäisen aukon 2 puolella. Paine P1 vaikuttaa myös tiivisterenkaaseen 7, joka puristuu vasten 35 sulkuelintä 4 tiivistämään sulkuelimen 4 ja venttiilin rungon 18 välisen raon.

3

Tiivisterengas 7 voi olla valmistettu esimerkiksi metallista, ja sen sulkuelimen 4 kanssa kosketukseen tuleva pinta 8 voi olla pehmeämpää materiaalia. Vaihtoehtoisesti myös pinta 8 voi olla metallia. Erityisesti metallisen tiivisterenkaan 7 yhteydessä käytetään tiivisterenkaan 7 ja venttiilin rungon 18 välissä tiivistäviä 5 O-renkaita 10.

Tiivisterenkaan 7 ja rungon 18 väliin on järjestetty tila 9, johon fluidin paine P1 pääsee vaikuttamaan kasvattaen voimaa, jolla tiivisterengas 7 puristuu vasten sulkuelintä 4. Kuvion 1 esimerkkitapauksessa tiivisterengas 7 ja venttiilin 1 runko 18 rajaavat rengasmaisen tilan 9, joka sulkuelimestä 4 katsot-10 tuna sijaitsee tiivisterenkaan 7 takana. Kyseinen tila 9 mahdollistaa tiivisterenkaan 7 aksiaalisuuntaisen A liikkeen poispäin sulkuelimestä 4. Tilaan 9 on kuvioiden esittämissä esimerkeissä järjestetty joustava elin 11, joka puristaa tii-visterengasta 7 aksiaalisuunnassa A kohti sulkuelintä. Tila 9 on yhdistetty vir-tauskanavaan 17 kanavan 16 välityksellä. Täten fluidia pääsee virtaamaan en-15 simmäisestä aukosta 2 myös tilaan 9, ja tilassa olevan fluidin paine P1 puristaa tiivisterengasta vasten sulkuelintä.

Tilaan 9 avautuu poistokanavan 12 ensimmäinen pää 13. Kyseisen poistokanavan 12 kautta tilassa 9 vallitseva paine P1 on alennettavissa johtamalla fluidia poistokanavan 12 toisen pään 14 kautta mainittua painetta P1 20 alempaan paineeseen P2, jolloin voima, jolla tiivisterengas 7 puristuu vasten sulkuelintä 4 pienenee. Kuvion 1 esimerkkitapauksessa tämän toteuttamiseksi poistokanavan 12 toinen pää 14 avautuu virtauskanavaan sulkuelimen 4 vastakkaiselle puolelle, jossa vallitsee painetta P1 alhaisempi paine P2. Poisto-kanavaan 12 on järjestetty sulkuventtiili 15, jota pidetään kiinni silloin kun tiivis-25 tevoiman, eli sen voiman jolla tiivisterengas puristuu vasten sulkuelintä 4, pie-nentämiseen ei ole tarvetta. Vaikka kuviossa 1 on esimerkinomaisesti esitetty, o että poistokanava on venttiilin 1 rungon 18 ulkopuolelle ulottuva kanava (putki),

CvJ

^ voidaan se käytännössä toteuttaa myös rungon sisäisenä kanavana.

° Kun sulkuelimen liikuttaminen tulee ajankohtaiseksi avataan aluksi 30 sulkuventtiili 15 siten, että poistokanavan 12 kautta pääsee virtaamaan fluidia | tilasta 9 sulkuelimen 4 ohi poistokanavan toisen pään 14 kautta edelleen kohti c\j toista aukkoa 3. Virtauksen synnyttää ensimmäisen aukon 2 ja toisen aukon 3 g välillä vallitseva paine-ero, eli toisen aukon 3 kohdalla vallitseva paine P2 on o pienempi kuin ensimmäisen aukon 2 kohdalla vallitseva paine P1. Tällöin myös 00 35 kanavan 16 kautta pääsee virtaamaan lisää fluidia tilaan 9 ja edelleen poisto- kanavan kautta 12 edelleen kohti toista aukkoa 3. Kuitenkin poistokanavan 12 4 poikkipinta-ala on mitoitettu suuremmaksi kuin kanavan 16 poikkipinta-ala. Täten kanava 16 muodostaa kuristuskohdan, jolloin paine P1 tilassa 9 laskee. Alhaisemmasta paineesta johtuen voima jolla tiivisterengas 7 puristuu kohti sukuelintä 4 pienenee. Paineenpudotuksen kasvaessa tiivisterengas 7 voi jopa 5 liikkua aksiaalisuunnassa A poispäin sukuelimestä 4. Tässä vaiheessa sukuelintä 4 liikutetaan siihen kiinnitetyn akselin 5 välityksellä. Liikuttamiseen tarvittava voima on huomattavasti alhaisempi verrattuna siihen voimaan jota tarvittaisiin mikäli sulkuventtiiliä 15 ei olisi avattu tilassa 9 vallitsevan paineen pienentämiseksi. Tiivisterenkaan liike voi olla erittäin pieni, käytännössä sukuelin 10 4 ja tiivisterengas 7 voivat olla koko ajan kontaktissa keskenään, mutta ennen sukuelimen 9 liikuttamista tiivistevoima pienenee. Tiivisterenkaan liikesuunta voi olla myös eri kuin edellä esimerkinomaisesti esitetty aksiaalinen, eli mahdollinen liikesuunta voi myös olla esimerkiksi radiaalinen, riippuen käytännössä toteutetusta venttiiIirakenteesta.

15 Kuvion 1 venttiilin yhteydessä hyödynnetään edullisesti toimilaitteita 19, jotka automaattisesti avaavat sulkuventtiilin 15 ennen sukuelimen 4 liikuttamista akselin 5 välityksellä, ja sukuelimen liikuttamisen päätyttyä uudelleen sukevat sulkuventtiilin 15. Kuvioissa ei havainnollisuuden vuoksi ole esitetty akselia 5 käyttävää toimilaitetta.

20 Edellä olevan kuvauksen perusteella on selvää, että termillä "tila" tarkoitetaan esimerkiksi onkaloa, rakoa tai vastaavaa, jonka geometrinen muoto ja koko on vailla merkitystä. Tämä tila mahdollistaa tiivistevoiman kasvattamisen tilaan virtauskanavasta päätyvän fluidin paineen avulla, sekä tiivistevoiman pienentämisen poistamasta tilasta fluidia tilassa vallitsevan paineen pu- 25 dottamiseksi, jolloin voima, jolla tiiviste puristuu vasten sukuelintä, pienenee.

Kuvion 1 suoritusmuodossa on ajateltavissa, että käytössä on vas-5 taavanlainen kaksitoiminen tiivistysjärjestely myös sukuelimen 4 toisella puo- C\l ^ lella. Tällöin myös sukuelimen toiselle puolelle järjestetään vastaava tiivistys- ° rengas, tila ja kanavat kuin kuviossa 1 on esitetty sukuelimen oikealla puolella.

30 Kuvio 2 esittää venttiilin 21 toista suoritusmuotoa. Kuvion 2 suori- | tusmuoto vastaa erittäin pitkälle kuvion 1 suoritusmuotoa, minkä vuoksi kuvion c\j 2 suoritusmuotoa selostetaan seuraavassa ensisijaisesti tuomalla esille näiden 1^- g suoritusmuotojen välisiä eroja.

o Kuvion 2 suoritusmuodossa venttiiliin 21 kuuluu tiivisterenkaan 7 li- o ^ 35 säksi toinen tiivisterengas 27 sekä toinen tila 29 rungon 18 ja toisen tiivisteren kaan 27 välissä. Kuvion esimerkissä toinen tila 29 on järjestetty toisen tiiviste- 5 renkaan 27 taakse sukuelimestä 4 katsottuna. Vastaavasti kuin tilaan 9 avautuu poistokanavan 12 ensimmäinen pää 13, avautuu toiseen tilaan 29 toisen poistokanavan 22 ensimmäinen pää 13.

Kuvion 2 suoritusmuodossa venttiili 21 on kaksisuuntainen. Siihen 5 kuuluu sukuelimen 4 ohittava ohivirtauskanava 25, joka mahdollistaa fluidin virtauksen venttiilin ensimmäisen aukon 2 ja toisen aukon 3 välillä. Ohivirtaus-kanavassa 25 on sulkuventtiili 15, jonka asennosta riippuen virtaus ohivirtaus-kanavassa on mahdollista tai vastaavasti estetty.

Ohivirtauskanavaan 25 on järjestetty kuristuskohta 26, johon poisto-10 kanavan 12 toinen pää 14 avautuu. Kuristuskohta 26 toimii kuten ejektori, jolloin ohivirtauskanavan 25 kuristuskohdassa 26 virtaava fluidi synnyttää kuris-tuskohtaan 26 painetta P1 alhaisemman paineen P2, ja siten kuvion 2 mukaisessa tilanteessa avattaessa sulkuventtiilil 5 poistokanavan 12 kautta tilasta 9 poistuu fluidia mikä alentaa tilassa 9 vallitsevaa painetta P1. Vastaavasti on 15 ohivirtauskanavaan 25 järjestetty toinen kuristuskohta 28, johon toisen poisto-kanavan 22 toinen pää 14 avautuu. Täten tilanteessa, jossa fluidin virtaus vir-tauskanavassa 17 suuntautuu venttiilin toisen aukon 3 suunnasta ensimmäisen aukon 2 suuntaan ja sulkuventtiili 15 avataan, ohivirtauskanavan 25 toisessa kuristuskohdassa virtaava fluidi synnyttää vastaavasti toiseen poisto-20 kanavaan 22 alhaisemman paineen, jolloin toisesta tilasta 29 poistuu toisen poistokanavan 22 kautta fluidia mikä alentaa toisessa tilassa 29 vallitsevaa painetta (ei esitetty kuviossa). Vaikka kuviossa 2 on esimerkinomaisesti esitetty, että poistokanavat 12 ja 22 sekä ohivirtauskanava 25 ovat venttiilin 21 rungon 18 ulkopuolelle ulottuvia kanavia (putkia), voidaan niistä yksi tai kaikki käy-25 tännössä toteuttaa myös rungon 18 sisäisinä kanavina.

Vastaavasti kuin kuvion 1 suoritusmuodossa voidaan siten sul- co 5 kuelimen 4 liikuttamiseen tarvittavaa voimaa alentaa avaamalla ensin sulku-

C\J

^ venttiili 15, jolloin tilassa 9 vallitseva paine laskee tai vastaavasti toisessa tilas- ° sa 29 vallitseva paine laskee. Täten tiivisterengas 7 tai vastaavasti toinen tiivis- 30 terengas 27 puristuvat aikaisempaa alhaisemmalla voimalla kohti sulkuelintä 4, | tai vaihtoehtoisesti jopa liikkuvat sulkuelimestä poispäin.

c\j Kuviossa 2 on esimerkinomaisesti esitetty, että tiivisterenkaita, tilo- g ja, poistokanavia ja kuristuskohtia on kaksi. Tämä ei kuitenkaan ole välttämä- o töntä. Mikäli virtaussuunta venttiilin 21 läpi on aina sama, ja fluidin paine siten 00 35 aina kohdistuu sulkuelimeen samasta suunnasta, riittää yhden tiivisterenkaan käyttö, kuten kuvion 1 suoritusmuodossa. Tällöin vastaavasti riittää yksi sul- 6 kuelimen ja rungon välissä sijaitseva tila, yksi poistokanava sekä yksi kuristus-kohta ohivirtausputkessa.

Kuvio 3 esittää venttiilin 31 kolmatta suoritusmuotoa. Kuvion 3 suoritusmuoto vastaa erittäin pitkälle kuvion 2 suoritusmuotoa, minkä vuoksi kuvi-5 on 3 suoritusmuotoa selostetaan seuraavassa ensisijaisesti tuomalla esille näiden suoritusmuotojen välisiä eroja.

Kuvion 3 suoritusmuodossa on järjestetty tiivisterengas 7 ainoastaan sulkuelimen 4 toiselle puolelle. Kyseessä on kaksitoiminen tiivistysjärjes-tely, jolloin samaan tiivisterenkaan 7 taakse järjestettyyn tilaan 9 on järjestetty 10 myös toinen tiivisterengas 37. Kuvion 3 esimerkissä tiivisterenkaan 7 tiiviste-voima, jolla tarkoitetaan voimaa jolla tiivisterengas 7 puristuu kohti sulkuelintä 4, on alennettavissa. Seuraavassa oletetaan esimerkinomaisesti, että tiiviste-voiman pienentämisen yhteydessä tiivisterengas 7 ja toinen tiivisterengas 37 siirtyvät aksiaalisuunnassa sukuelimestä poispäin, vaikkakaan tällainen siirty-15 minen ei kaikissa tapauksissa ole välttämätöntä.

Kuten muissa suoritusmuodoissa on tiivisterengas 7 muotoiltu sulkuelintä 4 lähimpänä olevalla osuudella, jonka radiaalisuuntainen ulkonema on suurempi kuin tiivisterenkaan sukuelimestä etäämpänä olevan pään radiaalisuuntainen ulkonema. Siten toinen tiivisterengas 37 on siirrettävissä tiiviste-20 renkaan 7 sukuelimestä 4 etäämpänä olevassa päässä olevaa lieriömäistä pintaa pitkin aksiaalisuunnassa. Joustava elin 11 puristaa tässä suoritusmuodossa tiivisterengasta 7 sukuelintä 4 kohti toisen tiivisterenkaan 37 välityksellä.

Kuten kuvion 2 suoritusmuodossa on venttiiliin 31 järjestetty ohivir-25 tauskanava 25, jossa on sulkuventtiili 15 sekä kaksi kuristuskohtaa, joihin venttiilin 31 sulkutilanteessa sulkuventtiilin 15 avattaessa ohivirtauskanavassa 25

CO

5 virtaava fluidi synnyttää painetta P1 alemman paineen P2. Ohivirtausputkessa

C\J

^ virtaava fluidi synnyttää siten imun poistokanaviin 12 ja 22. Kuvion 2 suoritus- ° muodosta poiketen molemmat poistokanavat 12 ja 22 on kuitenkin järjestetty 30 siten, että niiden ensimmäinen pää avautuu samaan tilaan 9. Käytännössä | poistokanavien 12 ja 22 ensimmäiset päät on järjestetty avautumaan toisen tii- c\j visterenkaan 37 vastakkaisille puolille, kun tiivisterengas 7 ja toinen tiivisteren- g gas 37 sijaitsevat kuvion 3 esittämässä asemassa, eli mahdollisimman lähellä o sukuelintä 4. Tällaisella rakenteella tilassa 9 vallitsevan paineen pienentymi- 00 35 nen poistokanavien 12 ja 22 sekä ohivirtausputkessa kuristuskohdissa 26 ja 28 virtaavan fluidin toimesta saa aikaan sen, että voima, jolla tiivisterengas 7 pu- 7 ristuu kohti sulkuelintä 4 pienenee. Paineenpudotuksen ollessa riittävän suuri molemmat tiivisterenkaat voivat liikkua poispäin sukuelimestä 4.

Kuvion 3 suoritusmuodossa on ajateltavissa, että käytössä on vastaavanlainen kaksitoiminen tiivistysjärjestely myös sukuelimen 4 toisella puo-5 lella. Tällöin myös sukuelimen toiselle puolelle järjestetään vastaavat tiivistys-renkaat, tila, kuristuskohdat ja poistokanavat kuin kuviossa 3 on esitetty sukuelimen vasemmalla puolella.

Kuvio 4 esittää venttiilin 41 neljättä suoritusmuotoa. Kuvion 4 suoritusmuoto vastaa erittäin pitkälle kuvion 2 suoritusmuotoa, minkä vuoksi kuvion 10 4 suoritusmuotoa selostetaan seuraavassa ensisijaisesti tuomalla esille näiden suoritusmuotojen välisiä eroja.

Kuvion 4 suoritusmuodossa joustavan elimen 51 muotoilu on aikaisemmista suoritusmuodoista poikkeava. Kyse voi olla esimerkiksi sopivasta kumimateriaalista valmistetusta joustavasta elimestä 51, jonka keskiosaan on 15 järjestetty metallitappi 52, joka estää joustavan elimen 51 liiallisen kokoonpuristumisen.

Aikaisemmista suoritusmuodoista poiketen poistokanava 12 on järjestetty siten, että sen toinen pää 14 avautuu sulkuventtiiliin 45 järjestettyyn ku-ristuskohtaan 46. Täten sulkuventtiilin 45 ollessa avattuna ohivirtauskanavan 20 25 kuristuskohdassa 46 virtaava fluidi synnyttää kuristuskohtaan 46 paineen P2 joka on alhaisempi kuin paine P1, ja siten poistokanavan 12 kautta tilasta 9 poistuu fluidia alentaen tilassa vallitsevaa painetta, kuten edellisissä suoritusmuodoissa on selostettu.

On ymmärrettävä, että edellä oleva selitys ja siihen liittyvät kuviot on 25 ainoastaan tarkoitettu havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Alan ammat-timiehille tulee olemaan ilmeistä, että keksintöä voidaan muunnella ja muuttaa

CO J

5 myös muilla tavoin poikkeamatta keksinnön suojapiiristä.

C\J

i

CO

o m

X

cc

CL

C\l

CO

CD

O)

O

O

CM