NO335392B1 - Balansert ventilanordning for pusteapparat inneholdende slik ventilanordning - Google Patents

Abstract

Sammendrag Det er vist en ventilanordning, spesie lt for en pusteregulator (100) for dykkere, omfattende et innløpskammer 111) som kan forbindes til en gasskilde under superatmosfærisk trykk, og et utløpskammer (112) som er under et regulert trykk. Et sete (115) - som er bevegelig under påvirkning av det superatmosfæriske trykk og det regulerte trykk, tetter mellom innløpskammeret og utløpskammeret og har en gjennomgående kanal (115a) som sammenknytter kamrene. Det inngår også et ventillegeme (114) som er bevegelig anordnet i setet for slik å åpne og lukke kanalen i setet. Et servoelement (116, 117, 118) utøver mot ventillegemet en kraft som avhenger av posisjonen til det bevegbare setet, slik at varierende kraftpåvirkning mot ventillegemet fra det superatmosfæriske trykk vil bli kompensert for av en tilsvarende varierende kraft fra servoelementet. Dette resulterer i en stort sett konstant ventilkarakteristikk, mens det samtidig gir en mekanisk enkel løsning. (Fig. 4)

Description

Balansert ventilanordning for pusteapparat inneholdende slik ventilanordning

Foreliggende oppfinnelse vedrører ventilanordninger og da spesielt balanserte ventilanordninger for å styre strømmen av trykksatt pustbar gass til pusteregulatorer. Oppfinnelsen vedrører også en slik pusteregulator.

Dykkerutstyr innbefatter en såkalt pusteregulator som er forbundet til en eller flere dykkertanker eller deres tekniske ekvivalens og som er beregnet på å justere tanktrykket til et forutbestemt regulert trykk. Pusteregulatoren er utstyrt med en ventilanordning for dette formål. Figur 1 illustrerer skjematisk en slik ventilanordning konstruert i samsvar med kjent teknikk. Som det kan sees innbefatter ventilen en innløpsside 11, som er under tanktrykk Pinniøp, og en utløpsside 12, som er under det regulerte trykk Putiøp. Et konisk ventillegeme 14 er bevegelig i et sete 15. Utløpssiden 12 er avgrenset med et fleksibelt diafragma eller membran 16, som er forbundet til en fjær 17 som utøver en fjærkraft Ftjær mot diafragmaet 16. Således er en side av diafragmaet 16 utsatt for krefter fra det regulerte trykk Putiøp, mens den andre siden av diafragmaet er utsatt for krefter fra det omgivende trykk romgivelse. Fjærkraften sammen med, for eksempel krefter utøvet av diafragmaet 16, virker på en stang 18 forbundet til ventillegemet og dermed utøver en kraft Fstang mot legemet.

Denne kjente ventil har den følgende modus operandi. Bevegelse av ventillegemet 14 blir bestemt av kreftene for hvilke den er utsatt. Disse krefter innbefatter (som vist i figuren) en oppad rettet kraft Finniøp bestemt av tanktrykket. Denne kraft blir motvirket i hovedsak av nedad virkende krefter Futiøp, som utgjøres generelt av virkningen til det regulerte trykk Putiøp på ventillegemet og på stangkraften Fstang. Når en dykker som har et munnstykke forbundet til utløpssiden inhalerer, som dermed bevirker en minskning i det regulerte trykk, minsker trykket mot diafragmaet 16 og diafragmaet utøver da en økende kraft på stangen 18. Kraften Fstang øker så og i tilfellet av en funksjonerende ventil, vil ventillegemet bli beveget nedad som derved tillater tankgass å strømme inn gjennom setet 15 inntil det regulerte trykk har øket til en utstrekning ved hvilket ventillegeme returnerer til posisjonen vist i figur 1.

Et problem med en slik kjent ventilanordning er at bevegelsen av ventillegemet er avhengig av tanktrykket, som i tilfellet av full tank kan tilsvare et superatmosfærisk trykk på om lag 300 bar og kan falle til å lukke ved 0 bar under bruk. Dette betyr i sin tur at ventilkarakteristikken vil variere sammen med det regulerte trykk.

Flere løsninger på dette problem har vært foreslått. Ett eksempel på disse foreslåtte løsninger er illustrert i figur 2. Ventilen vist i figur 2 tilsvarer ventilen vist i figur 1 i mange henseender, skjønt i dette siste tilfellet har det homogene ventillegemet 14 blitt erstattet med et ventillegeme 14' som innbefatter en gjennomgående kanal 14a'. Denne kanal forbinder utløpet 12 med et rom 19, som er tettet mot innløpet 11 ved hjelp av en O-ring 20. Følgelig, de krefter Finniøp som virker mot ventillegemet fra innløpssiden har i hovedsak ingen aksial komponent, som derved tilveiebringer en balansert ventil som gir et regulert trykk stort sett uavhengig av Pinniøp. Et eksempel på en løsning av denne type er vist i EP 0 807 571.

Bruken av et ventillegeme av dette utseende har imidlertid den ulempe at tetningsflaten mellom ventillegemet og setet til slutt tenderer til å lekke. Det er flere årsaker til dette. Pasningen mellom hullet og konusen til ventillegemet må være perfekt - ingen uregelmessigheter kan tillates. Etter å ha vært i bruk i en lengre tidsperiode blir konusen ødelagt, i form av riper og spor i den hullavgrensende kant og konusen, idet denne skade bidrar til tetningslekkasje. Videre må ventillegemet være rett, som betyr at legemet må bli ført med ytterste presisjon. O-ringen kan begynne å lekke som et resultat av abrasjon og annen type slitasje, som derved hindrer oppnåelsen av den ønskede balanserende effekt og tettende virkning.

Disse ulemper forbundet med bruken av et konisk ventillegeme unngås når det benyttes et sfærisk tetningslegeme. Et sfærisk legeme er selvførende og unngår dermed behovet for nøyaktig føring som er nødvendig med et konisk ventillegeme.

Et styrt konisk ventillegeme og et halvt sfærisk tetningslegeme er vist i US 4,971,108.

Det vil imidlertid forstås at den balanserende løsning illustrert i figur 2 ikke kan bli benyttet når et sfærisk legeme benyttes som en ventillukkeinnretning.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en generelt balansert ventilanordning, med andre ord en ventilanordning med hvilken trykket på utløpssiden blir holdt stort sett konstant uansett trykket på innløpssiden.

Oppfinnelsen er basert på den forståelsen at balansering av ventilanordningen kan oppnås ved å bevirke at setet på hvilket ventillukkeelementet hviler beveger seg under påvirkning av trykket på både innløpssiden og utløpssiden til ventilen.

I samsvar med oppfinnelsen er det således tilveiebrakt en ventilanordning som angitt i krav 1.

Det er også i samsvar med oppfinnelsen tilveiebrakt en pusteregulator som innbefatter en slik ventilanordning.

Den oppfinneriske ventilanordning og den oppfinneriske pusteregulator gir en hovedsakelig konstant ventilkarakteristikk, mens den også gir en enkel mekanisk løsning.

I en spesielt foretrukket utførelse blir et sfærisk legeme, eller kule, benyttet som et ventillukkeelement. Ventillukkeelementet er således fordelaktig selvførende.

Andre foretrukne utførelser er angitt i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i nærmere detalj gjennom et eksempel og også med henvisning til de vedlagte tegninger hvor:

Fig. 1 er en skjematisk fremstilling av en ubalansert ventilanordning ifølge teknikkens stand, Fig. 2 er en skjematisk fremstilling av en balansert ventilanordning ifølge teknikkens stand, Fig. 3 er en skjematisk fremstilling av en ventilanordning ifølge oppfinnelsen, Fig. 4 illustrerer en pusteregulator som innbefatter en ny ventilanordning, der ventilen lukkes når høyt trykk råder på innløpssiden;

Fig. 5 viser pusteregulatoren ifølge figur 4 med ventilen åpen,

Fig. 6 viser pusteregulatoren ifølge figur 4 med ventilen lukket når lavt trykk råder på innløpssiden, og

Fig. 7 viser pusteregulatoren ifølge fig. 6 med ventilen åpen.

En foretrukket utførelse av en ny ventilanordning og en ny pusteregulator vil nå bli beskrevet, først med henvisning til fig. 3. Det vil bli bemerket at retningene nevnt i beskrivelsen, så som opp, ned, etc, kun refererer til de retninger vist i figurene og skal derfor ikke anses å begrense omfanget av oppfinnelsen når de vedlagte krav tolkes.

Fig. 3 er et prinsippskjema av en ny ventilanordning. Ventilanordningen innbefatter en innløpsside 111, en utløpsside 112, et diafragma eller membran 116, en diafragmafjær 117, og en stang 118. Disse ventilkomponenter tilsvarer ventilkomponentene vist i figur 1. ventilanordningen innbefatter også et ventillukkelegeme i form av en kule 114, som hviler over en åpning 115a i et sete 115. Til forskjell fra setet benyttet i den kjente ventilteknikk kan setet 114 bevege seg opp og ned som indikert med den dobbelthodede pil i fig. 3. Tetning mellom innløps- og utløpssidene oppnås ved hjelp av en O-ring 115b, som støter mot det bevegbare setet, og et regulatorhus (ikke vist i fig. 3). Setefjæren 119 er forbundet til setet. Således er setet i stand til å bevege seg som svar på en forskjell i trykket mellom innløpssiden 11 og utløpssiden 112, og også i samsvar med fjærkarakteristikken til fjæren 119. For å oppnå den stort sett balanserte ventilfunksjon er det nødvendig at de følgende forhold er oppfylt mellom relevante arealer og fjærkarakteristikker:

hvor:

/f(119) = stivheten til setefjæren 119;

/c(117) = stivheten til diafragmafjæren 117;

A(115a) = arealet til åpningen 115a i setet 115; og

A(115b) = arealet tettet med O-ringen 115b.

Det skal forstås at dette er et noe forenklet forhold som for eksempel ikke tar hensyn til O-ring friksjon og tetningskraft.

Fordi setet er bevegelig vil kraften til fjæren variere i samsvar med posisjonen til setet når kulen hviler i setet. Dette muliggjør endringer i gasstrykket på innløpssiden å bli kompensert for i forhold til "automatisk" endrede fjærkrefter. For eksempel, dersom tanktrykket skulle avta, som ledet til en mindre oppad rettet kraft Finniøp, ville setet 115 bevege seg nedad i figuren. Fjæren blir forlenget som et resultat av denne bevegelsen nedad av setet, som fører til en minskning i den nedad virkende kraft Fstang. Fagmannen innenfor dette spesielle tekniske området ville enkelt kunne dimensjonere regulatorkomponentene slik at endringene i oppad rettet og nedad rettede krefter mot kulen ville oppheve hverandre, og dermed oppnå balansering av ventilanordningen; se formelen ovenfor.

En utførelse av en pusteregulator 100 som innbefatter en ny ventilanordning vil nå bli beskrevet med henvisning til fig. 4-7. Regulatoren omfatter et hus 101 hvis indre er tettet mot omgivelsene ved hjelp av diafragmaet 116. Huset innbefatter et lokk eller deksel 102, som funksjonerer som en mottrykkinnretning for fjæren 117. En tankkopling 103 er også tettende forbundet til huset.

Pusteregulatoren innbefatter en innløpsside 111 som er tilpasset for forbindelse til en eller flere dykkertanker (ikke vist) og en utløpsside 112 tilpasset for forbindelse til et pustemunnstykke (ikke vist). Innløps- og utløpssidene er innbyrdes atskilt av et ventilsete 115. Ventilsetet er i stand til å bevege seg opp og ned og er tettet mot huset 101 ved hjelp av en O-ring 115b. Setet har en aksialt gjennomgående åpning 115a med sirkulært tverrsnitt, der åpningen danner en forbindende passasje mellom innløps- og utløpssidene. Bevegelse av setet reguleres av en fjær 119.

En kule 114 funksjonerer som et ventillukkelegeme. Kulen hviler i setet 115 og stenger kanalen 115a i posisjonen vist i figur 4. Kulen virker på en stang 118 som i sin tur virker på diafragmaet 116 og dermed på en trykkplate 120 som er fjærspent nedad ved hjelp av fjæren 117. Staven er montert i en holder 121 ved hjelp av et glidelager (ikke vist). Funksjonen til holderen 121 er således å føre stangen 118, blant andre ting, og også holde fjærsetet 119. Holderen er også designet til å begrense oppad bevegelse av setet til en øvre endeposisjon. Plassen i hvilke trykkplaten 120 er plassert er delt av den fleksible diafragma 116 i et nedre kammer 123a, som står i forbindelse med utløpssiden 112, og et øvre kammer 123b.

Ventilsetet utgjøres i hovedsak av metall, skjønt det har et plastbelegg på overflaten som ligger an mot kulen. Kulen er tilvirket av stål eller et keramisk materiale. I tilfellet av den foretrukne utførelsen er diafragmaet 116 et rullediafragma. Fig. 4 viser pusteregulatoren 100 i en lukket tilstand, med høyt trykk på innløpssiden, hvorved det vil sees at setet 115 har blitt forskjøvet noe oppad bort fra bunnen av kammeret 112. Dette tilsvarer situasjonen når et dykk starter. Fig. 5 viser pusteregulatoren i den samme situasjon, men med inhalering når ventilanordningen er åpen. Inhalering tømmer innløpssiden for luft og dermed også det nedre kammer 123a, som får trykket i kammeret til å falle. Dette bevirker at den fleksible diafragma 116 til å bevege seg nedad og dermed utøve kraft på stangen 118, som i sin tur virker nedad på kulen 114. Fordi de nedad virkende krefter på kulen i denne posisjon overskrider de oppad rettede krefter, vil kulen forlate sin tettende plassering i setet og tillate luft å passere gjennom kanalen 115a. Denne tilstand fortsetter inntil de oppad rettede krefter som virker på kulen overskrider de nedad virkende krefter, med andre ord når trykket på innløpssiden og dermed i det nedre kammer 123a, har økt til et ønsket regulert trykk. Diafragmaet er dermed bevirket til å returnere til posisjonen vist i figur 4. det superatmosfæriske trykk i dykkertanken faller etter å ha vært i bruk en tid og dermed også trykket på innløpssiden 111. Det regulerte trykket på utløpssiden 112 skal imidlertid forbli ved det ønskede regulerte trykk. Dette betyr at setet 115 gradvis beveger seg ned og tar til slutt den nedre endeposisjon vist i fig. 6 og 7. Dette betyr i sin tur at kreftene utøvet av stangen 118 på kulen blir mindre, som balanserer de minskende krefter som skyldes trykkfallet i dykkertanken. I andre henseender finner åpning og lukking av ventilen i posisjonen vist i fig. 6 og 7 sted presist som i situasjonen beskrevet ovenfor med henvisning til fig. 4 og 5.

Den oppfinneriske pusteregulator oppnår den samme ventilbalanserende effekt som det tidligere oppnådd med bruken av et O-ringavtettet konisk ventillegeme som en ventillukkeinnretning, se fig. 2. Samtidig er det oppnådd de fordeler som tilbys ved bruk av en kule som et ventillukkende legeme, så som en selvførende virkning.

Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet med henvisning til en foretrukket

utførelse av en ventilanordning og en foretrukket utførelse av en pusteregulator, vil fagmannen innenfor dette spesielle tekniske området være klar over at disse utførelser kan varieres eller modifiseres innenfor omfanget av de vedlagte krav. For eksempel kan ventilsetet bestå i helhet av metall, og kulen kan være tilvirket av plast. For å unngå slitasje kan kantflaten til kanalen 115a som fungerer som en anleggsflate på setet 115 mot kulen 114 bli belagt med et plastmateriale.

Under bruk hviler kulen 114 mot stangen 118. For å motvirke tyngdekraften på kulen, og dermed sikre at kulen ikke vil falle til bunnen ved en gitt stilling på regulatoren - som kunne bevirke at kulen blir galt posisjonert i setet som et resultat, for eksempel av en svært langsom eller svært hurtig økning av Pinniøp - en fjær (ikke vist) kan inkluderes mellom kulen og bunnen av regulatorhuset. I et slikt tilfelle må fjæren være tilstrekkelig svak til gjøre sitt krafttillegg neglisjerbart, eller alternativt kan dette krafttillegg bli inkludert når regulatoren dimensjoneres.

Setet har blitt vist som å være bevegelig under virkningen av trykket på innløps-og utløpssidene. For å oppnå ønskede bevegelseskarakteristikker har det blitt beskrevet en setefjær 119. Alternativt kan flere fjærer, f. eks heliske fjærer eller skålfjærer anordnes mellom setet og holderen 121. Alternativt kan setets egenspenstighet, dvs dets evne til å bøye under trykk, bli benyttet for å oppnå den ønskede bevegelse av setet. I dette tilfellet erstattes funksjonen til setefjæren 119 med et fast montert sete i hvilket utad bøyning eller kompresjon av setemateriale erstatter funksjonen til setefjæren 119.

Det har blitt vist en fjær 117 som virker på trykkplaten 120. Alternativt kan kreftene utøvet av diafragmaet 116 erstatte kreftene utøvet av fjæren, som dermed gjør det mulig å utelate fjæren.

Selv om en kule har blitt beskrevet som et ventillukkelegeme vil det forstås at et bevegbart sete også kan bli brukt sammen med et konisk legeme som en ventillukkeinnretning.

Servoanordningen kan inkludere en plunger istedenfor et fleksibelt diafragma.

Selv om den beskrevne ventilanordning primært er ment for dykkere, vil det forstås at liknende applikasjoner også er omfattet av det oppfinneriske konsept, slik som i forbindelse med utstyr for røykdykkere, medisinsk hjelpeutstyr, etc.

Claims (10)

1. Ventilanordning, spesielt for en pusteregulator (100) for dykkere, omfattende - et innløpskammer (111) forbindbart til en gasskilde under superatmosfærisk trykk (Pinniøp); - et utløpskammer (112) som er under et regulert trykk (Putiøp); - et sete (115) tettende anordnet mellom innløpskammeret og utløpskammeret, hvilket sete innbefatter en gjennomgående kanal (115a) som sammenknytter innløpskammeret og utløpskammeret; - et ventilelement (114) som er bevegelig anordnet i setet og som er tilpasset til å åpne og lukke kanalen, hvilket ventilelement er utsatt for krefter som innbefatter krefter fra de superatmosfæriske og regulerte trykk; og - et servoelement (116, 117, 118) innrettet til å regulere ventilelementet,karakterisert- ved at setet er bevegelig under påvirkning av det superatmosfæriske trykk og at det regulerte trykk; og - ved at servoelementet utøver mot ventilelementet en kraft som avhenger av posisjonen til det bevegbare setet, slik at varierende kraftpåvirket aktivisering av ventilelementet ved nevnte superatmosfæriske trykk blir kompensert for av en tilsvarende varierende kraft fra servoelementet.

2. Ventilanordning som angitt i krav 1,karakterisert vedat ventilelementet (114) er en kule.

3. Ventilanordning som angitt i krav 1,karakterisert vedat ventilelementet (114) er et konisk ventillegeme.

4. Ventilanordning som angitt i ett av kravene 1-3,karakterisert vedat servoelementet innbefatter - et fleksibelt diafragma (116) som kan bli påvirket av det regulerte trykk (Putiøp); og - en stang (118) forbundet til diafragmaet; - at stangen utøver mot ventilelementet i setet en kraft som avhenger av forskjellen mellom et omgivende trykk (Pomgiveise); og regulatortrykket (Putiøp).

5. Ventilanordning som angitt i ett av kravene 1-4,karakterisert vedat setet (115) er av metall.

6. Ventilanordning som angitt i krav 5,karakterisert vedat en kantflate av kanalen (115a), som funksjonerer som en anleggsflate på setet (115) mot ventillukkelegemet (114), er belagt med et plastmateriale.

7. Ventilanordning som angitt i ett av kravene 1-6,karakterisert vedat funksjonen til fjæren (119) er erstattet med et fast montert sete, der utad bøyning eller kompresjon av setematerialet erstatter funksjonen til fjæren (119).

8. Ventilanordning som angitt i ett av kravene 1-7,karakterisert vedat den omfatter en fjær (119) i forbindelse med setet.

9. Ventilanordning som angitt i ett av kravene 1-8,karakterisert vedat ventillukkelegemet (114) omfatter enten plast eller metall.

10. Pusteregulator (100) med et hus (101, 102) og innbefatter en ventilanordning i samsvar med ett av de foregående krav.