WO1998055784A1

WO1998055784A1 - Druckbalanciertes universalventil

Info

Publication number: WO1998055784A1
Application number: PCT/EP1998/003382
Authority: WO
Inventors: Klaus-Dieter Lehmann
Original assignee: Lehmann Klaus Dieter
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 1998-12-10
Also published as: DE29823995U1; DE19723694A1

Abstract

Druckbalanciertes Universalventil, bestehend aus einem Ventilgehäuse (18) mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung und einem sich von der Eintritts- zur Austrittsöffnung erstreckenden, gegenüber der Umgebung abgedichteten Strömungskanal für das Strömungsmedium, aus einem im Strömungskanal ortsfest insbesondere über Rippen (3.1) angeordneten, bei geöffneter Ventilstellung vom Strömungsmedium umströmten Ventilkörper (1.2) und einer relativ zum Ventilkörper im Gehäuse verschiebbar angeordneten, den Ventilkörper auf dessen Außenseite umgebenden und einen Teil des Strömungskanals bildenden Hülse (5), wobei das Ventil durch Verschieben der Hülse zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung verstellbar ist, wobei die Hülse in Richtung der Eintrittsöffnung gegenüber dem ortsfesten Abschnitt des Strömungskanals in einem zur Herstellung der Druckbalance dienenden Ausgleichsbereich (6, 9) abgedichtet ist und wobei die Hülse in der Geschlossenstellung mediumdicht in einem Abdichtbereich (4/8) am Ventilkörper anliegt. Hierbei ist der Abdichtungsquerschnitt (4/8) zwischen Hülse und Ventilkörper größer als der abgedichtete Ausgleichsquerschnitt (6, 9) zwischen Hülse und ortsfestem Abschnitt des Strömungskanals.

Description

Druckbalanciertes Universalventil

Die Erfindung betrifft ein druckbalanciertes Ventil, bestehend aus einem Ventilgehäuse mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung und einem sich von der Eintritts- zur Austrittsöffnung erstreckenden, gegenüber der Umgebung abgedichteten Strömungskanal für das Strömungsmedium, aus einem im Strömungskanal ortsfest insbesondere über Rippen angeordneten, bei geöffneter Ventilstellung vom Strömungsmedium umströmten Ventilkörper und einer relativ zum Ventilkörper im Gehäuse verschiebbar angeordneten, den Ventilkörper auf dessen Außenseite umgebenden und einen Teil des Strömungskanals bildenden Hülse, wobei das Ventil durch Verschieben der Hülse zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung verstellbar ist, wobei die Hülse in Richtung der Eintrittsöffnung gegenüber dem ortsfesten Abschnitt des Strömungskanals in einem zur Hersteilung der Druckbalance dienenden Ausgleichsbereich abgedichtet ist und wobei die Hülse in der Geschlossenstellung mediumdicht in einem Abdichtbereich am Ventilkörper anliegt.

Druckbalancierte Ventile zeichnen sich dadurch aus, daß der Druck des Strömungsmediums in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen auf das zu verstellende Ventilteil, also im vorliegenden Fall auf die verschiebbare Hülse einwirkt und sich hierdurch die Kraftkomponenten in den beiden Richtungen aufheben. Hieraus resultiert ein Ventil, bei dem für die Betätigung der verschiebbaren Hülse erforderliche Kraft nahezu unabhängig vom Druck des Strömungsmediums ist und nur geringe Verstellkräfte für die Öffnungs- bzw. Schließbewegung erforderlich sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte druckbalancierte Ventile der eingangs genannten Art weiter und insbesondere hinsichtlich ihres Abdichtverhaltens in der Geschlossenstellung weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Ventil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abdichtungsquerschnitt zwischen Ventilkörper und Hülse größer ist als der abgedichtete Ausgieichsquer- schnitt zwischen Hülse und Strömungskanal. Hierdurch ergibt sich der bewußte Effekt einer nur teilweisen Balanciertheit des Ventils in Geschlossenstellung, durch die die Hülse und der Ventilkörper aufgrund der verbleibenden resultierenden Kraftkomponente gegeneinander gedrückt werden und woraus eine verbesserte Abdichtung resultiert. Denn während bei den voll ausbalancierten Ventilen der Nachteil darin besteht, daß die Abdichtung manuell durch Relativbewegung von Hülse und Ventilkörper durch den Ventilbediener hergestellt werden muß, erfolgt die Abdichtung beim erfindungsgemäßen Ventil dadurch, daß ein Teil des Mediumdrucks dazu verwendet wird, die gegenseitige Anlage von Hülse und Ventilkörper im Abdichtbereich zu steuern. Weist das Strömungsmedium einen nur geringen Druck auf, so sind auch nur geringe Anlagekräfte zwischen Ventilkörper und Hülse erforderlich, um eine ausreichende Abdichtung zu erzielen, während bei großen Mediumdrücken die Anlagekräfte entsprechend groß sein müssen.

Dies wird in erfindungsgemäßer Weise durch einen Unterschied im Querschnitt derjenigen Bereich erzielt, die vom Strömungsmedium in zueinander entgegengesetzter Richtung beaufschlagt werden, nämlich dem Abdichtungsbereich zwischen Hülse und Ventilkörper einerseits und dem Ausgieichsbereich zwischen Hülse und Strömungskanal andererseits. Dadurch daß der Abdichtungsquerschnitt größer als der Ausgleichsquerschnitt gewählt ist, wirkt auf die im Vergleich geringere für das Strömungsmedium zur Verfügung stehende Dichtungsfläche bei gleichem Me- diumdruck ein größerer Reiativdruck, der dazu führt, daß der Ausgleichsbereich größeren Kräften ausgesetzt ist und eine auf die Hülse einwirkende Kraftkomponente erfährt, die die Hülse in Richtung dieses Ausgleichsquerschnittes und gleichzeitig dessen Abdichtbereich gegen den Ventilkörper drückt.

Am einfachsten läßt sich die Wirkung der Querschnittsunterschiede am Beispiel von Figur 2 erläutern, wo in der oberen Hälfte eine am Ventilkörper 1 .2 anliegende Hülse 5 erkennbar ist, sich also das Ventil in Geschlossenstellung befindet. Dadurch daß der Ausgleichsquerschnitt (durch d (6) angedeutet) kleiner als der Abdichtungsquerschnitt (durch D (4/8) angedeutet) ist, entsteht eine Relativkraft, die in Figur 2 nach links gerichtet ist und die Hülse im Abdichtungsbereich 4/8 gegen den ortsfesten Ventilkörper drückt.

Um das Ventil aus der Geschlossenstellung wieder zurück in die Offen- stellung überführen zu können, kann zweckmäßigerweise eine auf die Hülse einwirkende Feder vorgesehen sein, die in Öffnungsrichtung wirkt entgegen der resultierenden Kraft des Strömungsmediums.

Da der Außendurchmesser des Ventilkörpers größer als der Innendurchmesser der Hülse ist, empfiehlt es sich, die verschiebbare Hülse zweigeteilt auszuführen, um die Montage des Ventilkörpers zu vereinfachen.

Besonders relevant wird die Zweiteilung dann, wenn das Ventil in Offenstellung druckbalanciert ausgeführt sein soll, wozu der Ausgleichsquerschnitt in Richtung der Eintrittsöffnung gleich groß ausgeführt ist, wie der Querschnitt eines zweiten Ausgleichsbereichs, der zwischen dem in Strömungsrichtung hinter dem Ventilkörper liegenden ortsfesten Abschnitt des Strömungskanals und der Hülse auf ihrer der Austrittsöffnung zugewand-

BESTÄT/GUMGS OPJE ten Seite angeordnet und abgedichtet ist. In diesem Fall wären die Durchmesser beider Ausgleichsbereiche kleiner als der Außendurchmesser des Ventilkörpers, wodurch eine Montage mit einfachen Mitteln nicht mehr möglich wäre.

Die Zweiteilung der Hülse kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen; besonders vorteilhaft ist es, eine in Umfangsrichtung verlaufende Trennebene vorzusehen, also beispielsweise den einen Ventilteil mit dem axial benachbarten Ventilteil zu verschrauben.

Des weiteren empfiehlt es sich, wenn der Abdichtquerschnitt je nach Ventilgröße, Mediumdruck und Mediumart einen um mehrere Zehntel Millimeter bis einige Millimeter größeren Durchmesser aufweist als der abgedichtete Ausgleichsquerschnitt, was an folgendem groben Beispiel veranschaulicht werden soll: Ist der Durchmesser im Bereich des Abdichtquerschnitts 23 mm und im Bereich des Ausgleichsquerschnitts 22 mm, so ergibt sich bereits bei diesem Unterschied von nur einem Millimeter und bei einem Mediumdruck von 300 bar eine die Abdichtung verbessernde dauerhaft wirkende Schließkraft von 1000 N.

Zweckmäßigerweise ist der Ventilkörper an seinem Dichtungsbereich sphärisch, also kugelförmig und nicht kegelförmig ausgebildet, um hierdurch angulare Abweichungen am Ventilsitz besser kompensieren zu können. Erfolgt die Betätigung der Hülse über einen Verstellmechanismus, so ist es außerdem von Vorteil, diesen Verstellmechanismus verschiebbar am Ventilgehäuse anzuordnen, um hierdurch eine genaue Justierung relativ zu der verschiebbaren Hülse zu ermöglichen.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Das vorliegende Ventil zeichnet sich dadurch aus, daß es die Vorteile der bekannten Armaturen, wie geringer Totraum, geringer Strömungswiderstand, niedriger Geräuschpegel, Feinfühligkeit bei der Einstellung und kleiner Bauweise in sich vereinigt. Darüber hinaus werden Ventilgrundelemente zur Verfügung gestellt, welche in hohen Stückzahlen produziert werden können und nur durch entsprechende Ergänzungen für den jeweiligen Einsatzzweck, z. B. als manuell betätigtes, mit Motor- oder Magnetkraft betriebenes, pneumatisch bzw. hydraulisch betätigtes Ventil oder als Hinter-/Vordruckregler oder auch als Sicherheitsventil, ausgerüstet werden, wobei der negative Einfluß der Federkonstanten auf das Regelver- halten zu reduzieren und der Wirkungsgrad eines Magnetantriebes zu verbessern ist. Weiterhin sorgen die dynamischen Strömungsverhältnisse für eine gute Durchspülung, ohne daß die Ventildichtung mit voller Energie angeströmt wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen neben geringer Bauteilezahl, insbesondere geringer mediumberührter Bauteilezahl , in einer sehr kleinen Bauweise und niedrigem Gewicht im Vergleich zur Leistung, d.h. einer hohen Durchflußrate durch geringen Widerstand, einem geringen Geräuschpegel, geringem Totraum, geringer Stellkraft durch Druckbalance und universeller Einsatzmöglichkeit als Absperr- und Regelventil mit verschiedensten Antrieben, als Vor- und Hinterdruckregler sowie als Rückschlag- und auch Sicherheitsventil bei niedrigen Fertigungskosten durch die universelle Verwendbarkeit gleicher, in Großstückzahlen zu produzierender Bauteile.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus dem folgenden Teil der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei zeigt

Figur 1 ein Ventil mit einem Handrad und einem einfachen Exzenterantrieb im geschlossenen Zustand in räumlicher Darstellung;

^B TATIGUNG$KOPIE Figur 2 einen Schnitt durch ein Ventil in offener und geschlossener Stellung;

Figur 3 ein Ventil mit einem Handrad, wie in Figur 1 , jedoch im offenen Zustand;

Figur 4 ein Ventil mit Zusatzausrüstung als Druckregler und als Sicherheitsventil;

Figur 5 ein Ventil wie in Figur 4, jedoch mit einer neuen Federgeometrie;

Figur 6 ein Ventil, bei dem die Dichtelemente Bestandteil der Hülse sind;

Figur 7 ein Ventil mit einer inneren Auskleidung;

Figur 8 ein Ventil, welches mit Referenz- oder Steuerdrücken arbeiten kann;

Figur 9 ein Ventil, welches einseitig durch Magnetkraft gesteuert und über eine zusätzliche Entlastungsbohrung verfügt und

Figur 10 ein Ventil, weiches in beiden Richtungen mit Magnetkraft gesteuert wird.

In Figur 1 ist ein Ventil mit einem Handrad 16, einem Klemmring 17 und einem Exzenter 14 dargestellt, welcher mit einer Rolle 15 in die umlaufende Nut 5.2 der Hülse 5 eingreift. Die Welle des Exzenters 14 ist in einem Aufsatz 19 gelagert. Der Aufsatz 19 hat in seinen Bohrungen für die Befestigungsschrauben soviel Spiel, daß er zum Zweck der Justierung des Ventils bzw. des Schließpunktes auf dem Gehäuse 18 in unterschiedlichen Positionen befestigt werden kann. Der Klemmring 17 ist innen mit einem Gewinde versehen und drückt bei Anzug über eine konische Fläche ein elastisches Element gegen die Exzenterwelle, so daß diese festgestellt ist. Diese Einrichtung ist besonders sinnvoll, wenn ein derartiges Ventii auf einem vibrierenden Objekt, z.B. einem Kraftfahrzeug oder Schiff installiert ist. Die Hülse 5 ist hier mit einer Abdichtung 6 zum Schaft 1 und einer Abdichtung 9 zum Vorsprung 18.4 in Form von beispielsweise Runddichtringen versehen. Der Schaft 1 weist Wandungsdurchgänge 3, welche vorzugsweise bogenförmig in Umfangsrichtung des Schaftes 1 verlaufen, zu einer Sackbohrung 2 sowie auch eine Dichtung mit einer Dichtkante 4 auf. Die bevorzugte und in der folgenden Beschreibung zugrunde gelegte Strömungsrichtung ist A. Allerdings kann das Ventil auch von B durchströmt werden. Insbesondere bei gasförmigen Medien, die ja im ent- spannteren Zustand, also hinter der Ventilabdichtung 4/8, expandieren, ist es allerdings besonders vorteilhaft, daß sich dort keine Widerstände in Form der Rippen 3.1 befinden. Hierfür ist also in jedem Fall die Strömungsrichtung A die weitaus bessere.

Der Vorsprung 18.4 ist Bestandteil des Kopfstückes 18.3, welches von rechts in das Gehäuse 18 eingeschraubt oder andersartig befestigt ist.

Das Ventil ist hier im geschlossenen Zustand dargestellt. Die Dichtfläche/- kante 8 der Hülse 5 ist durch den nach hinten geschwenkten Exzenter 14 gegen die Dichtfläche/-kante 4 gedrückt. Der auf der Oberseite des Handrades 16 abgebildete Pfeil zeigt in eine Richtung, die quer zur Strömungsrichtung liegt. Der Anwender erkennt daran, daß das Ventii geschlossen ist.

Es ist vorteilhaft, den druckbeaufschlagten, abdichtenden Querschnitt an der Abdichtung 6 geringfügig kleiner auszubilden, als den an der Abdichtung 4/8. Dadurch wird eine geringe, jedoch mit dem Betriebsdruck steigende Schließkraft auf die Abdichtung 4/8 erzeugt, da bei höherem Betriebsdruck auch eine höhere Dichtungskraft erforderlich ist. Vorteiihafter- weise sollte der abdichtende Querschnitt 9 dem von 6 entsprechend, da das Ventil dann im geöffneten Zustand voll kräftebalanciert ist. Die Abdichtungen 6 und 4/8 sowie auch 6 und 9 sind derart ausgebildet und wirksam, daß die sich aus dem Innendruck ergebenden Kräfte in entgegengesetzter Richtung wirken, sich also in etwa ausgleichen.

Wird das Handrad 16 um 90 Grad linksherum, also in Richtung Y gedreht, ist das Ventil voll geöffnet. Dabei wirkt sich für die Einstellung kleiner Mengen bzw. einer kleinen Öffnung der Umstand positiv aus, daß der Hub der Hülse 5 bei Beginn der Drehbewegung relativ zum Drehwinkel äußerst gering ist. Durch diese Tatsache wird außerdem mit einem sehr niedrigen Drehmoment an der Welle des Exzenters 14 eine hohe Öffnungs- wie auch Schließkraft für das Ventil erzeugt.

Der Handantrieb, das Handrad 16 ist natürlich auch durch einen elektrischen, pneumatischen oder anders gearteten Dreh-Stellantrieb zu ersetzen.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch ein Ventil, wobei die untere Häifte die offene und die obere Hälfte die geschlossene Position anzeigt.

Hier ist gut erkennbar, daß durch die Anordnung des eigentlichen Ventils 4/8 innerhalb der Hülse 5 zwischen den Abdichtungen 6 bzw. 10.1 und 9 bzw. 10 eine sehr kompakte, kurze Bauweise erzieit wird, obwohl die Strömung nur mit geringer Winkeländerung umgelenkt wird. In diesem Beispiel ist die Hülse 5 zweiteilig ausgeführt und beinhaltet einen sich über den größten Teil der Hülsenlänge erstreckenden Hülsenkörper 5.8, ein sich hieran in Axialrichtung anschließendes, über ein Schraubgewinde mit dem Hülsenkörper 5.8 verbundenes Vorderteil 5.4 und eine im axialen Anlage- bereich zwischen beiden Hülsenteilen angeordnete Dichtung 5.9 mi. einer Dichtkante 8, während der als Ventilkörper fungierende und bei geschlossenem Ventil an der Dichtkante 8 anliegende vordere Teil 1.2 des Schaftes 1 eine kugelförmig ausgebildete glatte Dichtfiäche besitzt.

Darüber hinaus ist erkennbar, daß der Aufsatz 19 und das Lochspiel zu den Halteschrauben 19.2 verschiebbar auf dem Gehäuse 18 angebracht sind und die Halteschrauben 19.2 dann in Idealposition des Aufsatzes 19 bzw. des Exzenters 14 festgezogen werden können. Hierüber läßt sich z. B. das Betätigungsspiel genauso einstellen, wie der Winkel des Exzenter- armes in Schließposition des Ventils. Über eine entsprechend ausgebildete Schließfeder 1 1.5 wird hier totale Hysteresefreiheit beim Wechsel der Be- tätigungsrichtung des Ventils, z. B. von Öffnungs- und Schließbewegung, über den Exzenter 14 erhalten.

Weiterhin ist hier ein Stützring 25, vorzugsweise aus einem Polymer, mit einer neuartigen Wirkungsweise dargestellt, dessen Außendurchmesser D(24) erheblich kleiner ausgeführt ist, als der Außendurchmesser der Nut für den hier als Beispiel für die Abdichtung 6 eingesetzten Runddichtring. Die Nut für den Runddichtring 6 ist mindestens so breit ausgeführt, daß sie den Runddichtring 6 und auch den Stützring 25 nebeneinander aufnehmen kann. Der Stützring 25 ist zumindest einmal am Umfang geteilt bzw. unterbrochen, so daß er sich aufweiten läßt, bis seine Außenkontur am Außendurchmesser der Nut für den Runddichtring 6 anliegt. Eine derartige Lösung ist sinnvoll, um bei der Montage die Hülse 5 über den dickeren Schaftvorderteil 1.2 schieben zu können.

Ein weiterer Vorteil dieser Stützringausbildung liegt darin, daß der Runddichtring 6, wenn er durch den Innendruck letztendlich hauptsächlich in die untere Ecke zum Spalt hin gedrückt wird, noch gleichzeitig dichtenden Kontakt mit der hinteren Nutwand hält.

Die zweiteilige Ausbildung der Hülse 5 ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung verschiedener Armaturengattungen, z. B. auch eines Hinterdruckreglers oder Sicherheitsventils, wie zu Figur 4 beschrieben. Man könnte somit unter Verwendung vorhandener Bauteile und Austausch des vorderen Hülsenteiles 5.4 gegen eines mit z. B. der äußeren Abdichtung 10 und Einsatz eines anderen Ventilgehäuses 18 die Basis für einen Hinterdruckregler oder ein Sicherheitsventil schaffen.

Auf diese Art wird ein richtiges Baukastensystem gebildet.

BESTÄTIGUNGSKOPIt In der unteren Hälfte ist eine Winkel- bzw. dreieckförmige umlaufende Ausdrehung 1.1 des Schaftes 1 schraffiert dargestellt. Durch diese Ausdrehung wird ein größerer Freiraum ohne seitliche Wandungen 3.1 geschaffen und zusätzlich die Produktion dieses Teiles in Bezug auf die Wandungsdurchgänge 3 begünstigt, welche darin münden.

Bei entsprechend kleinem Winkel "a" ergibt sich ein äußerst strömungsgünstiger vorderer Teil 1.2 des Schaftes 1.

Der Freiraum 7 in der Hüise 5, welcher außerhalb des Schaftdurchmessers liegt, ist so ausgebildet, daß der Ringquerschnitt zum vorderen Teil des Schaftes 1 bei volier Ventilöffnung an jeder Stelle etwa dem Querschnitt der Bohrung 2 entspricht.

In Figur 3 ist ein Ventil mit den gleichen Mechanismen dargestellt, wie in Figur 1 , jedoch in offener Stellung. Hier ist erkennbar, daß der Exzenter 14 voll seitlich ausgeschwenkt ist und der Richtungspfeil auf dem Handrad 16 in Strömungsrichtung zeigt, so daß der Anwender erkennen kann, daß das Ventil voll geöffnet ist.

Bei größeren Ventilen ist es sinnvoll, den Exzenter 14 U-förmig bzw. gabelförmig auszubilden, so daß er hinten außen um die Hülse 5 herumlaufen würde und zusätzlich von unten in die umlaufende Nut 5.1 eingreift. In einem solchen Fall sollte natürlich ein zweites Drehlager, ähniich dem Aufsatz 19 oder als Einheit mit diesem ausgeführt, an der Unterseite des Ventils bzw. Gehäuses 18 installiert sein.

Mit der Schwenkbewegung des Handrades 16 in Richtung Z wird das Ventil immer mehr geschlossen.

In Figur 4 ist eine Ausführung des Ventils als Hinterdruckregler in der oberen Hälfte und als Sicherheitsventil in der unteren Hälfte dargestellt, in diesem Fall mit einer einteiligen Hülse 5. Über einen anderen Aufsatz 19.1 ist hier eine Druckfeder 11 mit einem Stellring 13 installiert, welche über das Kraftübertragungselement 20 eine in Öffnungsrichtung des Ventils wirkende Kraft auf die Hülse 5 überträgt. Das Kraftübertragungselement 20 ist dabei sinnvollerweise zweiteilig ausgeführt und wird durch einen Ring 21 zusammengehalten. Die Hülse 5 verfügt in einem solchen Einsatzfall des Ventils im vorderen Bereich nur über eine Abdichtung 10. Der sich im Ausgangsbereich des Ventils ausbildende Überdruck wirkt auf die Stirnfläche 12 der Hülse 5 und drückt diese gegen die Kraft der Feder 1 1 in Schließposition.

Unter Umständen, je nach Medium, ist es sinnvoll, den Vorsprung 18.4 des Kopfstückes 18.3 oder auch dieses zu entfernen.

Der zu regelnde Druck wird über die Vorspannung der Druckfeder 11 mit dem Stellring 13 eingestellt.

In der unteren Hälfte der Figur 4 ist die Funktion die gleiche, jedoch in Gegenrichtung. Der Unterschied liegt in der umgekehrten Montageweise und darin, daß an Stelle der Abdichtungen 6 und 10 die Abdichtungen 4/8 und 10.1 vorhanden sind. Hier wirkt der Vordruck öffnend auf den Querschnitt 12.1 gegen die Kraft der Druckfeder 11.

Das Ventil wirkt hier also als Vordruckregler bzw. als Sicherheitsventil. Als vorteilhaft und leistungssteigernd stellt sich auch hier wieder die strömungsgünstige Ausbildung des Schaftvorderteiles 1 .2 sowie der freie Ab- strömungsquerschnitt hinter der Abdichtung 4/8 heraus.

Die druckbeaufschlagten Steuerquerschnitte 12 und 12.1 ergeben sich aus der Querschnittdifferenz zwischen den Abdichtungen 4/8 und 10 einerseits sowie 4/8 und 10.1 andererseits. Daraus ergibt sich als weiterer Vorteil, daß bei einer vorgegebenen Nennweite eines Sicherheitsventils der Steuerquerschnitt nicht aus der Nennweite resultiert, da der Durchmesser z. B.

BESTÄTΪGUNGSKOPIE an 10.1 unabhängig viel größer sein kann, als der an 4/8. Man kann somit also einen kleineren Steuerquerschnitt trotz großer Nennweite erwirken, was zu kleineren und kostengünstigeren Federn mit auch geringeren Federkonstanten führen kann.

In Figur 5 ist eine Variante der Funktionen von Figur 4 dargestellt, die nicht mit einer üblichen Druckfeder 1 1 , sondern mit zumindest einer gewundenen Biegefeder 1 1.1 arbeitet.

Die Behaftung von Federn mit der Federkonstanten führt bei Ventilen derartiger Funktionen häufig zu sehr großen Bauweisen, da versucht wird, mit einer langen und oft gewundenen Feder die Federkonstante möglichst klein zu halten. Die Änderung der Federkraft mit dem Ventilhub ist dadurch geringer und verringert gleichermaßen die Abweichung des Regeldruckes bei größerer Ventilöffnung.

Es wäre also grundsätzlich vorteilhaft, eine Feder so einzusetzen, daß ihre Kraft durch eine Hebelgeometrie übertragen wird bzw. daß die Geometrie der Feder an sich oder deren Wirkungsweise derart ist, daß die Änderung der Federkraft mit dem Federhub durch eine Änderung des Krafthebels kompensiert wird.

Die in Figur 5 mehr schematisch dargestellte Ausführung zeigt an, wie das Problem auf einfache Art gelöst werden kann. Mit dünner, strichpunktierter Linie ist eine gewundene Biegefeder 1 1.1 in der Schließstellung des Ventils dargestellt. Es wirkt eine Federkraft F1 in horizontaler Richtung. Die Größe der Kraft F1 wird bestimmt durch das Drehmoment der Feder und den Winkel "a1" bzw. den Abstand R1.

Wird nun der Hub S ausgeführt, verringert sich das Drehmoment der Biegefeder 1 1.1 , wobei sich gleichzeitig durch Veränderung des Winkels "a1 " in den größeren Winkel "a2" der Abstand R1 als wirksamer Hebelarm in den kleineren Abstand R2 ändert. Die Folge ist, daß die in horizontaler Richtung wirkende Kraft F2 bei richtiger Bemessung der gesamten Dimensionen gleich der Kraft F1 ist. Die Wirkung der Kräfte und Momente entspricht in etwa dem System eines Kurbeltriebes einer Kolbenkraftmaschine und ist im Prinzip auf die gleiche Weise zu berechnen.

Die in horizontaler Richtung wirkende Kraft ist nicht über den gesamten Ventilhub vollkommen gleich, da die Schenkel der Biegefeder 11.1 eine etwa kreisende Bewegung um den Windungsmittelpunkt ausführen, kommt dem Ideal jedoch sehr nahe.

In der Praxis wird eine derartige Federinstallation so vorgenommen, daß die Feder flach neben dem Ventii liegt, also um eine Achse durch die Punkte 1 1.3 um 90 Grad geschwenkt ist. Es ist auch sinnvoll, mit zwei Federn oder Federhälften dieser Art zu arbeiten, von denen die eine links und die andere rechts vom Ventil angeordnet ist.

Grundsätzlich erfolgt die Einstellung der Federkraft über einen Stellring 13. Zur Optimierung und universellen Einsatzmöglichkeit der gleichen Feder für sehr unterschiedliche Regeldrücke ist die wirksame Schenkellänge bzw. Hebellänge über z.B. die Verschiebung von Anschlußelementen 1 1.2 auf den Federschenkeln veränderbar und ein Stellring 13 vorhanden. Die Anschlußelemente 1 1.2 weisen an ihrem Ende 1 1.3 eine in Abhängigkeit von der Materialhärte kleinstmögliche Verrundung auf, mit der sie sich auf der Gegenfläche reibungsarm abwälzen.

Anstelle der gewundenen Biegefeder 11.1 können auch andere geeignete Federarten, z. B. eine Torsionsfeder eingesetzt werden.

Figur 6 zeigt eine Ausführung der Hülse 5 aus einem für Dichtzwecke geeigneten Material, z. B. einem Polymer. Die Abdichtungen 6 und 9 beispielsweise werden hier durch einstückig mit angeformte Dichtlippen oder - kanten 5.3 vorgenommen. Im Bereich niedriger Drücke können auch die im Bedarfsfall vorhandenen äußeren Abdichtungen 10 und 10.1 in der glei- chen Art ausgebildet werden. Im Fall höherer Betriebsdrücke ist es sinnvoll, die Hülse 5 mit einer äußeren Verstärkung 5.1 auszurüsten.

Ebenso können natürlich auch die anderen Elemente, wie z. B. der Schaft 1 zumindest im Bereich der Dichtfläche/-kante 4 aus einem derartigen Material gefertigt sein.

Eine solche Ausführung senkt die Zahl der Bauteile und die Montagezeiten, im Niederdruckbereich werden auch die Herstellungskosten der Hülse 5 gesenkt.

in Figur 7 ist eine Ausführung mit einer Auskleidung 24 des Innenraumes aus einem elastischen Material dargestellt. Dabei wird diese Auskleidung 24 gleichzeitig zur Abdichtung an allen erforderlichen Stellen verwendet. Die Funktion ist derart, daß die Hülse 5 durch ihre Verschiebung über die Auskleidung 24 gleitet und diese verformt.

Eine solche Ausführung ist besonders interessant für die chemische und auch Lebensmittelindustrie sowie generell für alle Bereiche, die gänzlich frei von Toträumen arbeiten müssen.

Bei gefährlichen Medien ist es sinnvoll, die Abdichtungen 6 und 9 z.B. in Form von Runddichtringen zusätzlich zu installieren. Es ist vorteilhaft, die Hülse 5 in einem Kunststoff mit niedrigen Reibungswerten auszuführen oder mit einer die Reibung mindernde Beschichtung oder auch Schmierung zu versehen.

Figur 8 zeigt eine einfache Lösung eines Ventils, welches mit Fremd- oder auch Referenzdrücken arbeiten kann. Hier wird über die Anschlußbohrungen 18.1 und/oder 18.2 ein Steuerdruck eingegeben. Diese Bauart ist durchaus auch mit den Ausführungen der Figuren 4, 5, 6 und 7 zu kombinieren. Die dargestellte Ausführung weist eine extrem niedrige Bauteile- zahi auf.

BESTÄTIGUNGSKOPJE In Figur 9 ist mit Hilfe eines Aufsatzes 19.1 ein Magnet 22 installiert, der gegen die Kraft einer Druckfeder 11.4 ein Kraftübertragungselement 20 anzieht und somit das Ventil schließt. Es ist sinnvoll, den Magneten 22 als Permanentmagneten auszubilden und mit einer zusätzlichen Spule 22.1 zu versehen. Die Spule 22.1 kann einmal so mit Strom beschickt v/erden, daß sie ein Magnetfeld erzeugt, welches die Anzugkraft des Permanentmagneten verstärkt und einmal in der Art, daß die Anzugkraft des Permanentmagneten aufgehoben wird. Dabei ist die Kraft der Feder 1 1.4 so zu bemessen, daß das Ventii ohne die Zusatzwirkung der Spule in Offen- und auch in Schiießstellung bleibt. Ein Magnetantrieb dieser Art spart Energie durch zwei Umstände:

1 . Es ist jeweils nur für die Ventilschaltung, aber nicht für die Haltung, ein Stromfluß erforderlich, und dieser ist praktisch nur impulsartig.

2. Ein Magnet bringt an seiner Stirnseite mit Wirkung auf eine Platte bei gleicher vorhandener oder zugeführter Energie erheblich mehr Kraft auf, als wenn er z.B. einen Bolzen in sein Zentrum zieht, was bei den bekannten Magnetantrieben der Fall ist. Das bedeutet, daß man hier bei gleicher Stellkraft für das Ventil bzw. die Hülse 5, falls nur eine Ausführung als Elektromagnet gewählt wird, mit weniger zugeführter Leistung arbeiten kann.

Die Position des Magneten ist justierbar.

In diesem Beispiel weist der Vorsprung 18.4 eine außen umlaufende Nut mit schrägen Wänden und, von dieser nach innen führend, eine Entlastungsbohrung 18.5 auf. Dabei ist die Position der Nut derart, daß sie von der Abdichtung 9 überdeckt wird, wenn das Ventil voll geöffnet ist. In der unteren Darstellung der Figur 9 ist das Ventil geschlossen, und die Nut mit der Entlastungsbohrung 18.5 befindet sich außerhalb der Abdichtung 9. Der über das offene Ventil versorgte Bereich wird somit druckentlastet. Eine derartige Funktion ist z.B. sehr sinnvoll bei Füllventilen für Druckgasflaschen. Dazu wird in das Kopfstück 18.3 ein Füllanschluß für ein Gasflaschenventil eingesetzt oder mit diesem verbunden. Hat die Druckgasflasche ihren maximalen Fülldruck erreicht, wird zunächst das Gasflaschenventil und anschließend das hier abgebildete Füllventil geschlossen. Automatisch wird dann der Raum zwischen den zwei Ventilen entlüftet, so daß man das Gasflaschenventil wieder vom Füllanschluß lösen kann. Das Kopfstück 18.3 mit der Entlastungsbohrung 18.5 ist natürlich auch mit jeder anderen Ventiiantriebsversion zu kombinieren.

Figur 10 zeigt ein Beispiel mit zwei Magneten 22 und 23. Auch diese Magnete wirken wieder mit ihrer Stirnseite auf eine Platte, nämlich das Kraftübertragungselement 20. Jeder der Magneten ist wahlweise als reiner Elektromagnet oder auch als Permanentmagnet mit einer zusätzlichen Spule 22.1 und/oder 23.1 auszuführen. Die Wahl hängt von den Betriebsbedingungen bzw. Sicherheitsbestimmungen des jeweiligen Einsatzfalles ab.

Hierzu zwei Beispiele:

1 . In einer Anlage mit gefährlichen Gasen als Betriebsmedium besteht die Vorschrift, daß bei Stromausfall das Ventil automatisch geschlossen wird. In diesem Fall wird der Magnet 23 als reiner Elektromagnet und der Magnet 22 als Permanentmagnet mit einer umschaltbaren Spule 22.1 ausgeführt.

2. Ist das Ventii in einer Atemgasversorgung installiert, z.B. bei einer Druckkammer für Taucher, muß es bei Stromausfal! offen bleiben. Hierbei könnte man beide Magnete 22 und 23 als Permanentmagnete mit den vorbeschriebenen Spulen 22.1 und 23.1 ausführen. Es käme allerdings auch die preiswertere Version der Figur 9 mit umgekehrter Wirkungsweise in Frage.

BESTÄTIGUNGSKÖPlf

Claims

Pate nta ns p rü ch e

1. Druckbalanciertes Universalventil, bestehend aus einem Ventilgehäuse (18) mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung und einem sich von der Eintritts- zur Austrittsöffnung erstreckenden, gegenüber der Umgebung abgedichteten Strömungskanal für das Strömungsmedium, aus einem im Strömungskanal ortsfest insbesondere über Rippen (3.1 ) angeordneten, bei geöffneter Ventilstellung vom Strömungsmedium umströmten Ventilkörper (1.2) und einer relativ zum Ventilkörper im Gehäuse verschiebbar angeordneten, den Ventilkörper auf dessen Außenseite umgebenden und einen Teil des Strömungskanals bildenden Hülse (5), wobei das Ventil durch Verschieben der Hülse zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung verstellbar ist, wobei die Hülse in Richtung der Eintrittsöffnung gegenüber dem ortsfesten Abschnitt des Strömungskanals in einem zur Herstellung der Druckbalance dienenden Ausgieichsbereich (6, 9) abgedichtet ist und wobei die Hülse in der Geschiossenstellung mediumdicht in einem Abdichtbereich (4/8) am Ventilkörper anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdichtungsquerschnitt (4/8) zwischen Hülse und Ventilkörper größer ist als der abgedichtete Ausgleichsquerschnitt (6, 9) zwischen Hülse und ortsfestem Abschnitt des Strömungskanals.

2. Druckbalanciertes Ventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die verschiebbare Hülse (5) geteilt ausgeführt ist und insbesondere eine in Umfangsrichtung verlaufende Trennebene zwischen den Hülsenteilen (5.4, 5.8) aufweist.

3. Druckbalanciertes Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsquerschnitt (6, 9) in Richtung der Eintrittsöffnung gleich groß ausgeführt ist wie der Querschnitt eines zweiten Ausgleichsbereichs (9, 6), der zwischen dem in Strömungsrichtung hinter dem Ventilkörper (1.2) liegenden ortsfesten Abschnitt des Strömungskanals und der Hülse (5) auf ihrer der Austrittsöffnung zugewandten Seite angeordnet und abgedichtet ist.

4. Druckbalanciertes Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdichtquerschnitt (4, 8) je nach Ventilgröße, Mediumdruck und Mediumart einen um mehrere Zehntel Millimeter bis einige Millimeter größeren Durchmesser aufweist als der abgedichtete Ausgleichsquerschnitt (6, 9).

5. Druckbalanciertes Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (1.2) an seinem Abdichtbereich (4) sphärisch ausgebildet ist.

6. Druckbalanciertes Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung des Ventils zwischen der Offensteilung und der Geschlossenstellung über einen auf die Hülse (5) einwirkenden Verstellmechanismus ( 14, 15, 16) insbesondere in Form eines Exzenters erfolgt, und daß der Exzenter in einem Aufsatz (19) gelagert ist, der seinerseits verstellbar am Ventilgehäuse (18) angeordnet ist.

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7. Druckbalanciertes Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (1.2) einen gegenüber der Achse des Strömungskanals schräg gestellten An- und/oder Abstromungsbereich aufweist, daß der An- und/oder Abstromungsbereich zur Achse des Strömungskanals rotationssymmetrisch ausgebildet ist und einen Winkel (a, b) gegenüber der Achse des Strömungskanais aufweist, der kleiner ais 90° ist.

8. Druckbalanciertes Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsfeste Abschnitt des Strömungskanals zumindest teilweise gebildet ist durch einen Vorsprung (18.4), daß auf der Außenseite des Vorsprungs der Ausgleichsbereich (9) angeordnet ist, und daß im Vorsprung eine Entlastungsbohrung ( 18.5) derart angeordnet ist, daß sie sich bei Offenstellung des Ventils im abgedichteten Bereich zwischen dem Abdichtbereich (4/8) und Ausgleichsbereich (9) befindet, und daß sie sich bei Geschlossenstellung des Ventils außerhalb des abgedichteten Bereichs befindet und eine Verbindung zur Umgebung herstellt.

9. Druckbalanciertes Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (5) auf ihrer Außenseite zumindest eine weitere Abdichtung (10, 10.1 ) aufweist und mit dieser Abdichtung am Gehäuse (18) mediumdicht anliegt.

10. Druckbalanciertes Ventii nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Hülse (5) gebildete Bereich des Strömungskanals an die Form des von ihm umgebenen Ventilkörpers (1.2) derart angepaßt ist, daß der zwischen der Hülse und dem Ventilkörper gebildete Strömungsquerschnitt bei Offenstellung des Ventils zumindest etwa dem Strömungsquerschnitt im Bereich der ortsfesten Abschnitte des Strömungskanals entspricht.

1 1 . Druckbalanciertes Ventii nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Strömungsmedium beaufschlagte Strömungskanal und/oder der Ventilkörper (1.2) mit einer Auskleidung (24) aus elastischem Material versehen ist, und daß insbesondere die Abdichtungen (4/8, 6, 9) durch die Auskleidung gebildet sind.

12. Druckbalanciertes Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungen (6, 9, 10, 10.1 ) als Balg, Axial- oder Radialkompen- satoren oder als Rollmembraπe ausgebildet sind.

13. Druckbalanciertes Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (5) in ihrem äußeren Bereich zumindest einen von einem

Kraftübertragungselement (20) und/oder von einem Verstellmechanismus

BESTÄTIGUNGSKOPi (14, 15, 16) beaufschlagbaren Bereich (5.2) aufweist, und daß dieser beaufschlagbare Bereich insbesondere in Form einer Ringnut ausgebildet ist.

14. Druckbalanciertes Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiebbare Hülse (5) über stirnseitige, gegenüber dem Strömungskanal abgedichtete Betätigungsanschlüsse (18.1 , 18.2) durch ein Steuermedium, insbesondere in Form von Hydraulik, Druckluft oder dergleichen zur Betätigung des Ventils beaufschlagbar ist, und daß insbesondere der Ventilschließ- und -Öffnungshub durch Druck des Steuermediums auf den Differenzquerschnitt zwischen den auf der Innenseite der Hülse (5) vorgesehenen Abdichtungen (6, 9) und den auf der Außenseite der Hülse angeordneten und am Gehäuse (18) anliegenden Abdichtungen (10, 10.1 , 9) erfolgt.

15. Druckbalanciertes Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (5) zumindest mittelbar von einer in Öffnungs- und/oder

Schließrichtung wirkenden Feder (1 1 , 1 1.1 , 1 1.5) beaufschlagt ist.

16. Druckbalanciertes Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil modular aufgebaut ist derart, daß bei Herstellung eines anderen Ventils mit unterschiedlichen Eigenschaften eine Vielzahl der Bestandteile bei Austausch nur einiger Bestandteile verwendbar sind.

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