NO169698B - Dobbeltvirkende ventilanordning, saerlig demand-pusteregulator for dykkere - Google Patents

Abstract

En ventil for regulering av gjennomstrøm-ning av et fluidum fra et innløp (10). til et utløp (11), særlig for regulering av en gasstrøm fra et sted (4) med høyere trykk enn omgivelsestrykket, idet ventilen (2) er innrettet til å åpnes av et manøv-erorgan (22) som er mekanisk koplet til en anordning som avføler trykket pa det nevnte sted (4). Ventilen omfatter et stempel (7) som er glidbart i en stempelføring (8), idet et tettende sete (12) for stempelet (7) er anordnet ved den ende av stempelføringen (8) som vender bort fra stedet (4) med høyere trykk. Stempelf©ringens (8) andre ende (14) er lukket og avgrenser et kammer (16) sammen med en tilgrensende endeflate (15) av stempelet (7). En trykkutjevningskanal (17) er anordnet mellom kammeret. (16) og ventilens utløpsside (11), og en styreventil (18, 19) er innrettet til å stenge og åpne trykkutjevningskanalen (17) ved hjelp av det nevnte manøver-organ (22) som er innrettet til å bevege stempelet (7) bort fra sitt sete (12) først etter å ha åpnet styreventilen (18, 19).

Description

Oppfinnelsen angår en dobbeltvirkende ventilanordning, særlig demand-puste-regulator for dykkere, omfattende et kammer med en i dette anordnet, fleksibel membran som utgjør en vegg av kammeret, en innåndingsventil og en utåndingsventil som står i forbindelse med kammeret, og en overføringsmekanisme som er innkoplet mellom membranen og de nevnte ventiler og er innrettet til å åpne innåndingsventilen ved bevegelse av membranen innover i kammeret fra en midtstilling, og til å åpne utåndingsventilen ved bevegelse av membranen utover i kammeret fra den nevnte midtstilling, idet ventilene er motsatt orientert i forhold til det nevnte kammer og hver er av den type som omfatter et ventillegeme i form av et hovedstempel som er glidbart anordnet i en stempelf øring, idet et tettende sete for stempelet er anordnet ved den ene ende av stempelføringen, og stempelføringens andre ende har et lukket endeparti og sammen med en endeflate av stempelet avgrenser et kammer som via en trang passasje står i forbindelse med utløpssiden, idet stempelet er forsynt med en trykkutjevningskanal mellom kammeret og utløpssiden, idet en styreventil er innrettet til å stenge og åpne kanalen ved hjelp av et manøverorgan som er koplet til den nevnte overføringsmekanisme og er innrettet til å bevege stempelet bort fra sitt sete først etter å ha åpnet styreventilen.

En ventilanordning av ovennevnte type er kjent fra US-patentskrift 3 595 226. Et aktuelt anvendelsesområde for en sådan ventilanordning er i pustesystemer for dykkere. Sådanne systemer for forsyning av pustegass er gjerne basert på regulert tilførsel fra reservoarer med gass under trykk. Gassgjennomstrømmingen er vanligvis styrt slik at den samsvarer med behovet, dvs. systemet er et såkalt demandsystem.

Fra norsk patentskrift nr. 151 447 er det kjent en gassregulatorventil som er konstruert som innåndingsventil, hvilken ventil gir nøyaktig regulering med et minimum av kraftforbruk ved åpning av ventilen. Den kjente ventil reguleres ved aksial forskyvning av et stempel, idet trykkforskjellen på stempelets to endeflater utjevnes ved hjelp av en styreventil som åpner for en trykkutjevningskanal gjennom stempelet. Stempelet er montert i en sylindrisk føring hvis ene ende har en innsnevring som fungerer som tetningsflate/sete for stempelet, og hvis andre ende er lukket. Ventilen er i lukket posisjon når stempelet med sin ene endeflate ligger mot den nevnte tetningsflate/sete og trykkutjevningskanalen er lukket. Gasstrømmen gjennom ventilen går via kanaler gjennom veggen i den sylindriske føring og videre gjennom innsnevringen i føringen.

Den sylindriske stempel føring, stempelets ene endeflate og stempelf ør ingens lukkede endeparti avgrenser et kammer som har fundamental betydning for gassreguleringen, idet kammeret sammen med trykkutjevningskanalen gjør det mulig å oppnå tilnærmet samme gasstrykk på begge sider av stempelet før dette beveges til åpen stilling, slik at gasstrømmen kan reguleres med en liten kraft. Den kraft som kreves for å bevege stempelet med utj evningskanalen lukket, kan typisk være i størrelsesorden 20 ganger større enn med kanalen åpen.

Den kjente ventil ifølge det nevnte norske patentskrift kan generelt benyttes til å opprettholde et stabilt sekundær-trykk. Dette er aktuelt f.eks. i en vanlig sportsdykkerventil hvor man ønsker at dykkeren skal tilføres gass med samme trykk som trykket i det omgivende vann. Denne ventilkonstruksjon kan imidlertid ikke brukes til å regulere utåndet gass. Man ønsker da at ventilen skal "trekke ut" gass så snart trykket i ventilhuset overstiger det omgivende trykk. I denne situasjon er primærtrykket ensbetydende med trykket i ventilhuset. Ventilen må forsøke å holde dette trykk konstant. En slik ventil kan kalles tilbaketrykks-ventil (back-pressure ventil).

En tradisjonell reguleringsventil har til oppgave å sørge for å tilføre gass når dette kreves for å opprettholde stabilt trykk i ventilhuset (=omgivelsestrykket). Tilbaketrykks-ventilen skal på sin side sørge for å slippe ut gass når dette er påkrevet for å opprettholde trykket.

Det faktum at regulatorventilen ifølge det norske patentskrift 151 447 ikke er konstruert for å kunne ta vare på utåndingsgass, er en klar ulempe ved dypdykking da pustegassen er kostbar og det er store mengder med gass som pustes inn og ut.

Det eksisterer noen pustesystemer som er konstruert for å gjenvinne utåndet gass. De typer som fungerer tilfredsstillende på større dyp, er i det vesentlige basert på at utånding skjer via en spesiell utåndingsventil som fungerer etter demandprinsip-pet. Sådanne ventiler har gjerne en stor følermembran og utgjør en forholdsvis stor og tung enhet som fortrinnsvis plasseres på siden i dykkerhjeimen. Slik som vist i det innledningsvis nevnte US-patent 3 595 226, har man også forsøkt å tillate innånding og utånding å styres av en eneste membran. Det har vist seg at sådanne ventiler i praksis er dårlig egnet for dypdykk i ngs f or mål. Disse ventiler er enten uforholdsmessig store, eller de er tungpustede og/eller har liten kapasitet.

Reguleringsprinsippet ifølge det nevnte norske patent har vist seg å være egnet for konstruksjon av dykkerventiler som er særlig lettpustede og har god kapasitet. Det ble derfor tatt utgangspunkt i denne kjente ventil for å tilveiebringe en pusteregulator som, i likhet med US-patent 3 595 226, kunne styre innåndings- og utåndingsfunksjonen ved hjelp av en eneste følermembran. Den kjente ventil ble modifisert for å kunne fungere som utåndingsregulator, hvoretter en utåndingsventil og en innåndingsventil ble koplet til et ventilhus med en standard følermembran. Det ble videre montert en overføringsmekanisme som var i stand til å styre de to ventiler eller regulatorer ut fra membranens bevegelse. Når membranen beveges fra en midtstilling og innover mot ventilhuset, åpnes innåndingsventilen. Tilsvarende åpnes utåndingsventilen når membranen beveges utover fra sin midtstilling. Med membranen i midtstillingen er begge regulator-ventiler stengt.

Det viste seg imidlertid at den kombinerte ventilanordning ikke fungerte som forventet. Så snart dykkeren trakk pusten, oppsto kraftige vibrasjoner i ventilen. Ventilen ble stabil når man skiftet til stivere servo- og stempelfjærer. Til gjengjeld ble imidlertid ventilen da meget tungpustet. Etter et nærmere studium av den kjente ventil viste det seg at problemene hadde sammenheng med spesielle trekk ved styreventilen. Gasstrømmen frembrakte således oscillasjon i styreventilen, slik at gasstrøm-men ble ustabil og hovedstempelet fikk tendens til å svinge longitudinalt. I den opprinnelige utforming av pusteventilen ble tilløp til svingninger dempet av overføringsmekanismen. I den dobbeltvirkende ventilanordning må imidlertid overføringsforhol-det mellom membranvandring og bevegelse av innåndings/utåndingsventilene endres med en faktor på 2 som følge av at bare halvparten av membranvandringen er tilgjengelig for å styre hver av regulatorventilene. Dette medfører at overføringsmekanismen

i mindre grad demper tilløp til svingninger.

To ytterligere forhold forsterker behovet for en stabil reguleringsenhet. Det ene er at endringen i overføringsmekanismen gjør at styrken på fjærer i servo- og styreventiler må reduseres betydelig dersom man ønsker samme lettpustethet som i den opprinnelige pusteventil. Samme kraftpåvirkning på stempelet vil derfor gi kraftigere svingninger og forsterke vibrasjonene. Det andre vesentlige punkt er at når ventilen først har begynt å vibrere, vil vibrasjonene eller oscillasjonen bli forsterket ved at innåndings- og utåndingsventilene åpner vekselvis og slår membranen frem og tilbake.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe en dobbeltvirkende ventilanordning med en ventil av den forannevnte "tilbaketrykks"-type, særlig en pusteventil for dykkere hvor ventilen utgjør en utåndingsventil, og hvor gassreguleringen er stabil og presis og lite kraftkrevende.

Ovennevnte formål oppnås med en dobbeltvirkende ventilanordning av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at styreventilen omfatter et stempelformet ventillegeme som er glidbart i en sylindrisk føring 1 hovedstempelet og samvirker med et sete i den nevnte endeflate av hovedstempelet, og videre er forbundet med manøverorganet, idet styreventillegemet er koplet til hovedstempelet ved hjelp av minst én utragende tapp som er i inngrep i en kort, aksial sliss i hovedstempelet.

Ventilanordningen ifølge oppfinnelsen eliminerer problemet med ustabil gasstrøm gjennom kanalen i hovedstempelet. Stivheten av de nevnte ventilfjærer kan reduseres betydelig uten at vibrasjoner opptrer. Resultatet er en kombinert innåndings/utåndingsventil som har vist meget gode egenskaper, blant annet ved bemannet dykk på 350 m dybde.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et snittriss av en utførelse av en dobbeltvirkende pusteventilanordning ifølge oppfinnelsen, og fig. 2 viser et delsnitt i hovedsaken etter linjen II-II på fig. 1.

Den på fig. 1 viste, dobbeltvirkende demand-pusteventil (demand-regulator) 1 omfatter en utåndingsventil 2 og en innåndingsventil 3 som begge er koplet til et felles ventilhus 4 i hvilket det er montert en følermembran 5 som avføler og reagerer på trykket i ventilhuset- Membranen er felles for begge ventiler 2,3 og er innrettet til å manøvrere disse via en leddkopling og ventilenes respektive manøverorganer som utgjøres av manøver- eller styrestenger, slik som nærmere beskrevet nedenfor. Med membranen 5 i midtstilling er ventilene i lukket posisjon. Som vist på fig. 2, har ventilhuset 4 en rørstuss 6 for tilkopling til dykkerens pustemunnstykke eller pustemaske (ikke vist).

Utåndingsventilen 2 omfatter et hovedstempel 7 som er aksialt forskyvbart i en hylseformet stempelføring 8 som på sin side er montert i et ytre ventilhus 9 med et innløp 10 og et utløp 11. Stempel føringens 8 ene ende har en innsnevring som danner et ventilsete 12 for en tilsvarende slipt endeflate av hovedstempelet 7. Stempelføringen er ved denne ende forsynt med porter 13 for gassgjennomstrømning i åpen stilling av ventilen. Ved sin andre ende er stempelf øringen 8 lukket ved hjelp av en påskrudd hette 14, og mellom denne hette og stempelets 7 tilgrensende endeflate 15 er det dannet et kammer 16 som står i forbindelse med ventilens utløpsside 11 via en trykkutjevningskanal 17 som er dannet gjennom stempelet 7. Trykkutjevningskanalen 17 kan åpnes og stenges ved hjelp av en styreventil som omfatter et ventillegeme i form av et i kanalen 17 forskyvbart styres tempel 18 som samvirker med et sete 19 i hovedstempelet 7. I kammeret 16 er det anordnet en svak skruefjær 20 som skyver styreventillegemet 18 mot stengt stilling i anlegg mot setet 19, og en ytterligere, svak skruefjær 21 som skyver hovedstempelet 7 mot stengt stilling i anlegg mot setet 12. Disse fjærer sikrer hurtig lukning av ventilen.

Ventilen 2 er som nevnt innrettet til å åpnes og stenges ved hjelp av en manøver- eller styrestang 22 som er ført aksialt gjennom hetten 14 som danner den høyre endeflate i kammeret 16. Stangen er med den ene ende forbundet med styreventilens ventillegeme 18, og ved sin andre ende er stangen koplet til følermembranen 5 via den nevnte leddkopling. Denne omfatter en leddarm eller bøyle 23 mellom styrestangen og en arm 24 som er festet til en tverrgående aksel 25 i ventilhuset 4. Membranen 5 er sentralt forsynt med en nedadragende arm 26 som er koplet til akselen 25 via en hovedoverføringsarm 27.

Slik det fremgår av fig. 1, er styreventilens ventillegeme 18 forsynt med to utragende tapper 28 som er innført i korte, aksiale slisser 29 i hovedstempelet 7. Dette arrangement medfører at styrestangen 22 ved bevegelse mot høyre først åpner styreventilen 18, 19, og at ventillegemet 18 deretter, ved ytterligere bevegelse av styrestangen mot høyre, medbringer hovedstempelet 7 og dermed åpner ventilen 2 når de utragende tapper 28 er brakt i inngrep med hovedstempelet ved slissenes 29 ender.

På tilsvarende måte som utåndingsventilen 2 omfatter innåndingsventilen 3 et hovedstempel 30, en stempelf øring 31, et ventilhus 32 med et innløp 33 og et utløp 34, et ventilsete 35 for hovedstempelet 30, porter 36 i stempelføringen 31 for gassgjennomstrømning, en hette 37 som lukker stempelføringen, et mellom hetten 37 og stempelets 30 tilgrensende endeflater 38 dannet kammer 39, en trykkutjevningskanal 40 gjennom stempelet 30, en styreventil som omfatter et ventillegeme 41 og et ventilsete 42, og skruefjærer 43 og 44 for påvirkning av henholdsvis styreventillegemet 41 og hovedstempelet 30 mot stengt stilling.

Innåndingsventilen 3 er innrettet til å åpnes og stenges ved hjelp av en manøver- eller styrestang 45. Denne stang er imidlertid ført aksialt gjennom hovedstempelet 30, til forskjell fra utåndingsventilens styrestang 22 som er ført gjennom stempelføringshetten 14. Dette har sammenheng med at innåndingsventilen 3 reguleres fra lavtrykkssiden, mens utåndingsventilen 2 reguleres fra høytrykkssiden. (Innløpet 33 kan f.eks. være basert på et overtrykk på 0,1 atm. i forhold til ventilhuset 4, mens utløpet 11 f.eks. kan ha et undertrykk på 0,1 atm. ) Bortsett fra gjennomføringen av styrestengene 22, 45 er utåndings- og innåndingsventilene identiske, men montert motsatt i forhold til ventilhuset 4.

Leddkoplingen mellom innåndingsventilens 3 styrestang 45 og følermembranen 5 omfatter en leddarm 46 som er innkoplet mellom styrestangen 45 og en arm 47 som er festet til den tverrgående aksel 25 i ventilhuset 4.

På tilsvarende måte som styreventillegemet 18 i utåndingsventilen 2 er styreventillegemet 41 i innåndingsventilen 3 forsynt med to utragende tapper 48 som er innført i korte,

aksiale slisser 49 i hovedstempelet 30.

På fig. 1 er demand-regulatorens 1 utåndingsventil 2 vist i åpen stilling, idet dykkeren er i ferd med å puste ut. Hans åndedrett har skapt et lite overtrykk i ventilhuset 4, slik at membranen 5 er beveget oppover. Hovedoverføringsarmen 27 har følgelig dreid akselen 25 med urviseren, slik at styrestangen 22 via armen 24 og bøylen 23 er trukket mot høyre.

Det første som skjer når dykkeren puster ut, er at styreventilens ventillegeme 18 trekkes vekk fra setet 19. Ved at ventillegemet 18 beveges bort fra setet åpnes trykkutjevningskanalen 17 mellom kammeret 16 og utløpet 11. Trykkforskjellen mellom kammeret og utløpet reduseres momentant, og utåndingsventilens hovedstempel 7 kan da beveges med et minimum av kraft, og derved regulere gassgjennomstrømningen. Kammeret 16 får en viss etterfylling av gass via en lekkasjepassasje 51 mellom hovedstempelet 7 og stempelføringen 8. Denne lekkasje er liten og klarer ikke å bygge opp trykket i kammeret 16 så lenge ventillegemet 18 er trukket mot høyre. Lekkasjen er imidlertid tilstrekkelig stor til at kammeret 16 oppnår samme trykk som ventilhuset 4 brøkdelen av et sekund etter at styreventillegemet 18 er ført tilbake til sitt sete.

Ved å trekke styreventillegemet 18 bort fra sitt sete 19 i hovedstempelet 7 elimineres (hoveddelen av) de trykk-krefter som søker å presse hovedstempelet 7 mot setet 12. Gassreguleringen krever derfor et minimum av kraft.

Det vil innses at innåndingsventilen fungerer etter nøyaktig samme prinsipp, men det er nå undertrykk i åndedrettet som bevirker at følermembranen 5 trekkes nedover og bringer akselen 25 til å rotere mot urviseren, slik at innåndingsventilens styrestang 45 skyves mot venstre, og regulerer innåndingsventilen.

På fig. 1 er det også vist en trykknappanordning 50 (utelatt på fig. 2) som ved inntrykking forårsaker at tilført gass strømmer fritt gjennom innåndingsventilen 3. Denne trykknapp kan f. eks. benyttes til å skyve gass inn i lungene til en bevisstløs dykker.

Claims (5)

1. Dobbeltvirkende ventilanordning, særlig demand-puste-regulator for dykkere, omfattende et kammer (4) med en i dette anordnet, fleksibel membran (5) som utgjør en vegg av kammeret, en innåndingsventil (3) og en utåndingsventil (2) som står i forbindelse med kammeret (4), og en overføringsmekanisme (23-27, 46-47) som er innkoplet mellom membranen (5) og de nevnte ventiler og er innrettet til å åpne innåndingsventilen ved bevegelse av membranen innover i kammeret fra en midtstilling, og til å åpne utåndingsventilen ved bevegelse av membranen utover i kammeret fra den nevnte midtstilling, idet ventilene (2, 3) er motsatt orientert i forhold til det nevnte kammer (4) og hver er av den type som omfatter et ventillegeme i form av et hovedstempel (7) som er glidbart anordnet i en stempelføring (8), idet et tettende sete (12) for stempelet (7) er anordnet ved den ene ende av stempelføringen (8), og stempelføringens (8) andre ende har et lukket endeparti (14) og sammen med en endeflate (15) av stempelet (7) avgrenser et kammer (16) som via en trang passasje (51) står i forbindelse med utløpssiden (11), idet stempelet (7) er forsynt med en trykkutjevningskanal (17) mellom kammeret (16) og utløpssiden (11), idet en styreventil (18, 19) er innrettet til å stenge og åpne kanalen (17) ved hjelp av et manøverorgan (22) som er koplet til den nevnte overf øringsmekanisme og er innrettet til å bevege stempelet (7) bort fra sitt sete (12) først etter å ha åpnet styreventilen (18, 19), KARAKTERISERT VED at styreventilen (18, 19) omfatter et stempelformet ventillegeme (18) som er glidbart i en sylindrisk føring i hovedstempelet (7) og samvirker med et sete (19) i den nevnte endeflate (15) av hovedstempelet (7), og videre er forbundet med manøverorganet (22), idet styreventillegemet (18) er koplet til hovedstempelet (7) ved hjelp av minst én utragende tapp (28) som er i inngrep i en kort, aksial sliss (29) i hovedstempelet (7).

2. Ventilanordning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at hovedstempelføringen (8) er forsynt med porter (13) som åpner for gassgjennomstrømning når hovedstempelet (7) beveges bort fra sitt sete (12).

3. Ventilanordning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at manøverorganet er en i forhold til stempelet (7) aksialt forløpende stang ( 22), og at utåndingsventilens (2 ) manøverstang (22) er ført gjennom det lukkede endeparti (14) av ventilens (2) stempelf øring (8), mens innåndingsventilens (3) manøverstang (45) er ført gjennom denne ventils hovedstempel (30).

4. Ventilanordning ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at en svak skruefjær (20) er anordnet i styreventilens (18, 19) kammer (16) for å skyve styreventillegemet (18) mot den lukkede stilling i anlegg mot sitt sete (19), og at en ytterligere, svak skruefjær (21) er anordnet for å skyve det nevnte hovedstempel (7) mot den lukkede stilling i anlegg mot dettes ventilsete (12).

5. Ventilanordning ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at styreventilens (18, 19) ventillegeme (18) er boltformet og har en kjegleformet spiss for samvirke med det nevnte sete (19) i hovedstempelets (7) endeflate, og at den nevnte trykkutjevningskanal (17) utgjøres av minst ett langsgående spor i overflaten av det boltformede ventillegeme (18).