NL9300480A - Klep met tuimelklepelement en scheidingsmembraan. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Klep met tuimelklepelement en scheidingsmembraan.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op kleppen en meer in het bijzonder op een klep die een tuimelkleple-ment en een membraan, dat de mediumpoorten van de klep scheidt van het klepbedieningselement, omvat.

Een klep van dit type is getoond en beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 5 027 857. De in dat octrooi-schrift weergegeven klep is van het driewegtype met één mediuminlaatpoort en twee uitlaatpoorten. Het klepelement kantelt tussen twee uiterste standen, waarin het de ene of de andere uitlaatpoort afsluit, waarbij de inlaatpoort constant open is. Het klepelement is gelegen in een kamer die in het kleplichaam is gevormd, waarbij de kleppoorten in de kamer uitmonden.

Een klepbedieningsmechanisme, dat elektrisch bediend kan zijn, kantelt het klepelement tussen zijn twee uiterste standen. Een flexibel membraan binnen de kamer omringt het klepelement en strekt zich radiaal daarvanaf naar buiten uit, waarbij de radiaal buitenste rand van de membraan wordt vastgegrepen door het kleplichaam. Het membraan dient om het klepbedieningsmechanisme te scheiden van de kleppoorten, zodat het bedieningsmechanisme nooit in contact staat met het medium dat door de klep wordt verwerkt.

De klep uit het Amerikaanse octrooischrift 5 027 857 heeft bij het gebruik bepaalde problemen. De klep heeft de neiging te lekken bij vloeistofdrukken die het geacht wordt te verwerken. In het bijzonder heeft het medium de neiging uit de klepkamer, die het klepelement opneemt, te lekken via de uitlaatpoort die wordt afgesloten door het klepelement. Getracht is dit probleem op te heffen door de kracht die het klepbedieningsmechanisme uitoefent op het tuimelklepelement te vergroten. Deze oplossing heeft echter een nadelig effekt op de levensduur van de klep, aangezien het klepelement dan met grotere kracht tegen de klepzittingen wordt gedrukt die de uitlaatpoorten omringen.

De reden waarom de klep lekt, is niet direkt duidelijk of intuïtief voor de hand liggend. De uitvinder van de onderhavige verbeterde klep heeft echter de oorzaak van het probleem ontdekt. Wanneer de klep op druk wordt gebracht met medium onder druk zwelt het membraan op of buigt uit in de richting vanaf de kleppoorten. Aangezien de klep in elk van zijn uiterste standen wordt gekanteld, ligt het deel van het membraan dat dichter bij de open uitlaatpoort ligt ook dichter bij de wand van het kleplichaam, die tegenover de wand ligt die de kleppoorten bevat. Als een gevolg daarvan komt het opgezwollen gebied van het membraan, dat dichter bij de open uitlaatpoort ligt, aan te liggen tegen de wand van het kleplichaam, die tegenover de wand ligt die de poorten bevat. Dit contact van het membraan en de klep-kamerwand leidt tot een onbalans van krachten op het tui-melklepelement en membraan, en deze onbalans heeft de neiging het klepelement van de gesloten poort te tillen, waardoor lekkage door die poort mogelijk wordt.

Daarom is het een doel van de onderhavige uitvinding een klep te verschaffen met een tuimelklepelement en een scheidingsmembraan van het type dat is getoond in het Amerikaanse octrooischrift 5 027 857, waarbij het klepelement en het membraan gebalanceerd blijven ondanks de werkdruk die verwerkt wordt, en dus geen neiging heeft te lekken als de werkdruk wordt vergroot.

Een ander doel van de onderhavige uitvinding is een dergelijke klep te verschaffen die een langere levensduur heeft dan de tot nu toe bekende kleppen.

Het is een verder doel van de onderhavige uitvinding een dergelijke klep te verschaffen die kleinere op het klepelement uitgeoefende bedieningskrachten vereist om de klep succesvol te bedienen.

Andere doelen en kenmerken van de uitvinding zullen blijken uit de volgende beschrijving, onder verwijzing naar de bijgaande tekening. In de tekening toont:

Fig. 1 een langsdoorsnede door de klep die is weerge geven in het Amerikaanse octrooischrift 5 027 857;

Fig. 2 een langsdoorsnede door een klep volgens de onderhavige uitvinding, in onder druk gebrachte toestand, waarbij het klepelement zich in een van zijn uiterste standen bevindt;

Fig. 3 een aanzicht overeenkomstig figuur 2, waarbij het klepelement zich in zijn andere uiterste stand bevindt;

Fig. 4 een gedeeltelijk aanzicht van een klep volgens de onderhavige uitvinding, waarbij de klep niet onder druk is gebracht;

Fig. 5 een vooraanzicht van het klepdeksel, dat de kleppoorten toont.

Figuur 1 toont de klep uit het Amerikaanse octrooischrift 5 027 857 en is in feite gelijk aan figuur 1 in dat octrooischrift. In figuur 1 van dat octrooischrift is de klep echter niet getoond in onder druk gebrachte toestand, terwijl in figuur 1 van de onderhavige tekening de klep is getoond met een daarop aangebrachte mediumdruk.

De klep volgens de stand van de techniek uit figuur 1 omvat een kleplichaam 10 met een cilindrische boring ll. Aan het kleplichaam is, bijvoorbeeld met schroeven 12, een deksel 13 bevestigd, dat is voorzien van een mediumdruk-inlaatpoort 14 en twee uitlaatpoorten 15 en 16.

Het lichaam 10 en het deksel 13 begrenzen tussen hen in een kamer 19 waarmee de poorten 14-16 in verbinding staan. Binnen de kamer 19 is een tuimelklepelement 20 opgenomen. Het tuimelklepelement omvat een kern 21 van stijf materiaal, dat is ingekapseld in een verend, rubberachtig materiaal 22. Het klepelement 20 is kantelbaar om een as 23, zodat het tuimelt tussen een uiterste stand, getoond in figuur 1, waarin het de uitlaatpoort 16 afsluit terwijl het de uitlaatpoort 15 open laat, en een andere uiterste stand, waarin het de uitlaatpoort 15 sluit en de uitlaatpoort 16 opent.

Het bedieningsmechanisme voor de klep omvat een zuiger 26, die in langsrichting kan verschuiven binnenin de cilinder 11, en een orgaan 27 van een elektrische draadspoel.

Een steel 24 steekt vanaf het klepelement 20 uit in een vergrote boring 25 in de zuiger 26. De samenwerking van de steel 24 en de boring 25 zet de langsbeweging van de zuiger 26 om in een tuimelbeweging van het klepelement 20. Een drukveer 28 binnenin de cilinder 11 drukt de zuiger 26 constant naar rechts in figuur 1, en onder de invloed van de veer 28 bewerkstelligt de bedieningsinrichting dat het klepelement 20 de poort 16 sluit en de poort 15 opent, zoals is weergegeven. Wanneer de draadspoel wordt bekrachtigd, beweegt het orgaan 27 naar links en trekt de zuiger 26 mee tegen de kracht van de veer 28 in. Deze beweging van de zuiger 26 wordt via de steel 24 overgebracht naar het klepelement 20, waardoor het klepelement kantelt om de as 23 om de uitlaatpoort 15 te sluiten en de poort 16 te openen.

Een membraan 31 omringt het klepelement 20 volledig en strekt zich radiaal uit vanaf het klepelement naar een tussenvlak tussen het lichaam 10 en het deksel 13. De gehele omtreksrand 32 van het membraan wordt stevig vastgeklemd tussen het lichaam en het deksel. Deze opstelling dient om het membraan op zijn plaats te houden en dient ook als een vloeistofafdichting tussen het lichaam 10 en de deksel 13. Het is duidelijk dat het membraan 31 dient om de poorten 14-16 te scheiden van de cilinder 11, die het bedieningsmechanisme 26, 27 bevat, zodat het medium dat door de klep wordt geleid niet de cilinder 11 bereikt of delen van het klepbedieningsmechanisme.

Wanneer de klep zich in de toestand bevindt die is getoond in figuur 1, d.w.z., de draadspoel is niet bekrachtigd en medium onder druk wordt toegevoerd aan de inlaat-poort 14, is het deel van de kamer 19 onder het klepelement 20 en het membraan 31 gevuld met onder druk gebracht medium, terwijl het kamer 19 boven het klepelement 20 en het membraan 31 een atmosferische druk heeft. De mediumdruk bewerkstelligt dat het membraan 31 opzwelt in bovenwaartse richting, en dat het deel van het membraan 31 dat dicht bij de open uitlaatpoort 15 ligt, tegen de wand 33 van de kamer 19 aan komt te liggen. Anderzijds komt het deel van het membraan 31, dat dichter bij de gesloten uitlaatpoort 16 ligt, niet tegen de kamerwand 33 aan te liggen. De reden waarom slechts een deel van het membraan tegen de wand 33 aan komt te liggen is de gekantelde oriëntatie van het klepelement 20, die het deel van het membraan 31, dat dichter bij de open uitlaatpoort ligt, dichter bij de kamerwand 33 brengt. Omdat het deel van het membraan 31, dat dichter bij de open poort 15 ligt, wordt gesteund door de kamerwand 33 heeft het klepelement een onverwachte neiging om zich van de gesloten kleppoort omhoog te bewegen, waardoor de klep gaat lekken.

Verondersteld wordt dat de reden voor dit nadelige effekt als volgt kan worden uitgelegd. Het deel van het membraan, dat dichter bij de open uitlaatpoort 15 ligt, wordt zowel ondersteund door de kamerwand 33 als door het klepelement 20. Het deel van het membraan 31, dat dichter bij de gesloten uitlaatpoort 16 ligt, wordt echter alleen ondersteund door het klepelement 20 en niet door de wand 33. Als een gevolg daarvan wordt er meer mediumdrukkracht uitgeoefend op het deel van het klepelement, dat dichter bij de gesloten uitlaatpoort ligt, dan op het deel van het klepelement, dat dichter bij de open uitlaatpoort ligt, en deze onbalans van krachten neigt ertoe het klepelement 20 van de gesloten poort 16 te drukken.

Een andere wijze voor het analyseren van het probleem is dat wanneer het membraan 31 op druk wordt gebracht en opzwelt of uitbuigt, zodat het deel dat dichter bij de open poort 15 ligt, tegen de kamerwand 33 wordt gedrukt en de wand in dat gebied een reaktiekracht uitoefent op het membraan. Geen overeenkomstige reaktiekracht wordt uitgeoefend op het deel van het membraan 31, dat dichter bij de gesloten poort 16 ligt. Aldus is er een onbalans van krachten op het membraan, waarbij de kracht aan de zijde, die dichter bij de gesloten poort 16 ligt, die ertoe neigt die poort te openen, groter is dan de resultante van de krachten op het membraandeel, dat dichter bij de open poort 15 ligt.

Vanwege de neiging van het tuimelklepelement 20 om van de gesloten poort omhoog te bewegen, hetgeen tot lekkage leidt, moeten de veer 28 en de draadspoeltrekkracht betrekkelijk sterk worden gemaakt om de lekkage te minimaliseren. Indien de vereiste draadspoeltrekkracht groter is, verbruikt de klep meer energie. Bovendien bewerkstelligen de sterkere veer- en draadspoelkrachten dat het verende materiaal 22 met grotere kracht tegen de zittingen van de uitlaatpoorten 15 en 16 wordt gedrukt, waardoor de levensduur van de klep vermindert.

De klep volgens de onderhavige uitvinding, die is getoond in de figuren 2 en 3, heft de bovengenoemde problemen op die aanwezig zijn in de klep volgens de stand van de techniek. De onderhavige klep is gelijksoortig aan de klep volgens de stand van de techniek en omvat een kleplichaam 38, dat is voorzien van een inwendige cilinder 39. Een deksel 40 is aan het kleplichaam bevestigd door middel van vier bouten (niet getoond), die door vier gaten 41 (figuur 5) in het deksel steken en in van schroefdraad voorziene gaten in het kleplichaam zijn geschroefd.

Het deksel 40 is voorzien van een inlaatpoort 42 voor medium onder druk en twee uitlaatpoorten 43 en 44 (fig. 2-5). Het binnenste einde van de poort 43 wordt omringd door een klepzitting 45 en het binnenste einde van de uitlaat-poort 44 wordt omringd door een klepzitting 46.

Alle drie de poorten monden uit in een klepkamer 49, die is begrensd tussen het kleplichaam 38 en het deksel 40. Binnen de kamer 49 is een tuimelklepelement 50 opgenomen, dat kantelbaar is aangebracht voor een tuimelbeweging om een as 51, die zich loodrecht op de lengterichting van de cilinder 38 uitstrekt. Het tuimelklepelement 50 omvat een kern 52 van stijf materiaal, die is ingekapseld in een verend, rubberachtig materiaal 53.

Een membraan 56 van slap, flexibel en rubberachtig materiaal omringt het klepelement 50 en strekt zich radiaal tussen het klepelement en het kleplichaam uit. Bij voorkeur vormt het membraan één geheel met de inkapseling 53 van het klepelement. De radiaal buitenste rand 57 van het membraan 56 is stevig vastgeklemd tussen het kleplichaam 38 en het deksel 40. Om een stevige grip op de membraanrand te waarborgen omringt een doorlopende smalle rand 55 (fig. 5) van het deksel de poorten en steekt uit in de richting van het kleplichaam. Op deze wijze wordt de rand van het membraan op zijn plaats gehouden en dient het als een afdichting tussen het kleplichaam en het deksel.

Het bedieningsmechanisme voor het bedienen van de klep omvat een zuiger 58, die in langsrichting verschuifbaar is binnen de cilinder 39, die in het kleplichaam 38 is gevormd. De zuiger 58 is voorzien van een dwarsboring 59, die een starre steel 60 opneemt, die uitsteekt vanaf de kern 52 van het klepelement 50. Een drukveer 61 binnen de cilinder 39 omringt een pen 62, die uitsteekt vanaf de zuiger 58, en drukt de zuiger 58 constant naar rechts in figuur 2, welke beweging door middel van de boring 59 en de steel 60 naar het klepelement 50 wordt overgebracht, teneinde het klepelement te kantelen in de richting van de klok en te bewerkstelligen dat het komt aan te liggen tegen de klepzitting 46 en daardoor de uitlaatpoort 44 afsluit. De gekantelde oriëntatie van het klepelement 50 bewerkstelligt dat het klepelement op een afstand ligt van de klepzitting 45 om de uitlaatpoort 43 te openen.

Op het einde van het kleplichaam 38, tegenover het einde waar de veer 61 is gelegen, is een cilindrisch huis 71 aangebracht, dat een draadspoel 64 bevat waarbinnen een kernhuis 65 zich axiaal uitstrekt. In het uiteinde van de buis 65, op een afstand van de zuiger 58, is een stationair orgaan 66 aangebracht. Verschuifbaar binnen de buis 65, naar en van het stationaire orgaan 66 is een beweegbaar orgaan 67 aangebracht. Een drukveer 68 is opgenomen in een axiale boring in het beweegbare orgaan 67, waarbij één einde van de veer tegen het stationaire orgaan 66 aanligt.

Wanneer de draadspoel 64 niet bekrachtigd is, zoals is getoond in figuur 3, drukt de veer 68, die sterker is dan de veer 61, het beweegbare orgaan 67 en de zuiger 58 naar links, waardoor het klepelement 50 tegen de richting van de klok in om de as 51 kantelt. Op deze wijze wordt het klepelement 50 in contact gebracht met de klepzitting 45 en buiten contact gebracht met de klepzitting 46, om de uit-laatpoort 43 te sluiten en de uitlaatpoort 44 te openen. Wanneer de draadspoel 64 is bekrachtigd, wordt het beweegbare orgaan 67 tegen het stationaire orgaan 66 getrokken, waardoor de veer 68 wordt samengedrukt en het de veer 61 mogelijk wordt gemaakt de zuiger 58 naar rechts (figuur 2) te bewegen, waardoor het klepelement 50 wordt gekanteld om in contact te komen met de klepzitting 46 en van de klepzitting 45 vandaan te bewegen. Op deze wijze wordt de uitlaatpoort 43 geopend en de uitlaatpoort 44 gesloten.

Wanneer de klep niet op druk is gebracht, bevindt het membraan 56 zich in zijn niet opgeblazen toestand, die is getoond in figuur 4. Wanneer een medium onder druk wordt toegevoerd aan de inlaatpoort 42, wordt druk aangebracht op de zijde van het klepelement 50 en membraan 56, dat naar de poorten is gericht, d.w.z. de benedenzijde in fig. 2 en 3. Als een gevolg van de mediumdruk zwelt het membraan 56 op of buigt uit naar de wand 69 van de klepkamer 49, d.w.z. de wand tegenover de wand van de kamer waarin de poorten 42-44 uitmonden. Een bepalend verschil tussen de onderhavige uitvinding en de stand van de techniek kan worden gezien door het vergelijken van de figuren 2 en 3 met figuur 1. Het is duidelijk dat het opgezwollen of opgeblazen membraan 56 volgens de onderhavige uitvinding niet in contact komt met de wand 69 op de wijze waarop het membraan 31 volgens de stand van de techniek in contact komt met de wand 33. In feite blijft het membraan 56 buiten contact met de wand 69 bij alle werkdrukken van de klep.

Aangezien het membraan 56 nooit tegen de kamerwand 69 aan komt te liggen, treden de onbalanstoestanden die bij het klepelement 20 van de klep volgens de stand van de techniek worden ondervonden, nooit op in de klep volgens de onderhavige uitvinding. Als een gevolg daarvan treedt de neiging van het klepelement 20 bij de klep volgens de stand van de techniek om omhoog te bewegen van de gesloten poort, waardoor lekkage wordt veroorzaakt, niet op bij de onderhavige klep. Daarom behoeft voor het verwerken van vergelijkbare mediumdrukken minder kracht te worden aangebracht tussen het klepelement en de klepzitting om de poorten te sluiten en dus kunnen lichtere veren en een minder sterke draadspoel worden gebruikt. Een minder sterke draadspoel verbruikt uiteraard minder energie. Bovendien wordt, omdat een lichtere veer en een minder sterke draadspoel worden gebruikt, het klepelement 50 niet tegen klepzittingen 45 en 46 gedrukt met een zodanige hoge kracht als bij de klep volgens de stand van de techniek, en dus wordt de levensduur van het klepelement verlengd.

De hierboven beschreven klep is van het driewegtype. De uitvinding is echter ook toepasbaar op een tweewegklep. De hierboven beschreven klep zou kunnen worden veranderd in een tweewegklep door eenvoudigweg één van de uitlaatpoorten 43 en 44 permanent af te sluiten. Bovendien zou de poort 42, alhoewel de poort 42 is aangeduid als een inlaatpoort, en de poorten 43 en 44 als uitlaatpoorten, een uitlaatpoort kunnen zijn, en zou een of beide van de poorten 43 en 44 een inlaatpoort kunnen zijn.

De uitvinding is slechts getoond en beschreven aan de hand van een voorkeursuitvoeringsvorm en bij wijze van voorbeeld, en vele variaties kunnen worden gemaakt in het kader van de uitvinding.

Claims (6)

1. Klep omvattende: - een kleplichaam met een kamer, - een aantal poorten in het kleplichaam die in verbinding staan met de kamer, waarbij ten minste één van de poorten is ingericht om te worden verbonden met een bron voor een medium onder druk, - een tuimelklepelement binnen de kamer, waarbij het tuimelkleplichaam kantelbaar is om ten minste één van de poorten te openen en te sluiten, - een membraan binnen de kamer, dat zich uitstrekt tussen de omtrek van het tuimelklepelement en het kleplichaam, waarbij de rand van het membraan is vastgezet in het kleplichaam en alle poorten aan één zijde van het membraan liggen, - bedieningsmiddelen voor het kantelen van het tuimelklepelement, waarbij de bedieningsmiddelen op het tuimelklepelement aangrijpen aan de zijde van het membraan dat tegenover de naar de poorten gerichte zijde ligt, waardoor het membraan dient om de poorten van de bedieningsmiddelen te scheiden, en waarbij het kleplichaam is ontdaan van middelen voor het steunen van het membraan tussen de omtrek van het tuimelklepelement en het kleplichaam, bij alle werkdrukken van de klep.

2. Klep volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de kamer gedeeltelijk wordt begrensd door een wand, die naar de zijde van het membraan is gericht, die tegenover de zijde van het membraan, die naar de poorten is gericht, ligt, waarbij de wand ver genoeg van het membraan is gelegen, zodat, wanneer het deel van de kamer tussen het membraan en de poorten onder druk wordt gebracht, waardoor het membraan in de richting van de wand opzwelt, het membraan niet tegen de wand komt te liggen.

3. Klep volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de klep een opening naar de kamer omvat waardoorheen de bedienings-middelen in verbinding staan met het tuimelklepelement, waarbij de opening is gericht naar de zijde van het membraan, die tegenover de zijde van het membraan, die naar de poorten is gericht, ligt.

4. Klep volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de klep een cilinder omvat binnenin het kleplichaam, en dat de bedieningsmiddelen een zuiger omvatten, die in langsrich-ting verschuifbaar is binnenin de cilinder, een opening in het kleplichaam tussen de kamer en de cilinder, en middelen die zich door de opening uitstrekken en reageren op de heen- en weergaande langsbeweging van de zuiger om het tuimelklepelement te kantelen.

5. Klep volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het tuimelklepelement een kern van stijf materiaal omvat, die is ingekapseld in een buitenlaag van veerkrachtig materiaal, waarbij het membraan een integraal deel en een ringvormige verlenging van het veerkrachtige inkapselingsmate-riaal vormt.

6. Klep volgens conclusie l, met het kenmerk, dat het kleplichaam een inlaatpoort en twee uitlaatpoorten heeft, en het tuimelklepelement kantelbaar is tussen een uiterste stand, waarin het één van de uitlaatpoorten afsluit en de andere opent en een andere uiterste stand, waarin het de ene uitlaatpoort opent en de andere uitlaatpoort sluit.