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Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Regulieren einer Strömung eines Fluids zwischen einem Einlassraum und einem Auslassraum. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Element, welcher Bestandteil des Ventils ist.
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Im Stand der Technik sind Ventile bekannt. Ein solches Ventil weist in der Regel eine Einlassraum und einem Auslassraum auf, sowie ein bewegliches Element, wie beispielsweise einen Ventilkörper, der den Durchfluss durch das Ventil, d.h. von dem Einlassraum hin zu dem Auslassraum, variiert.
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Ein solches Ventil 1*, bekannt aus dem Stand der Technik, wird beispielsweise in den 5a und 5b gezeigt. Das Ventil 1* weist einen Schieber 7 zum Betätigen eines Ventilkörpers 4 auf. Der Schieber 7 wird durch ein Führungs- und Überströmelement 6 in Form einer Buchse geführt. Die Buchse weist Öffnungen auf, um eine fluidische Verbindung zwischen einem Auslassraum 3 und einem Balgraum 5 herzustellen. Der Schieber 7 wird innerhalb des Balgraums 5 durch einen Balg 8 umgeben, um den Balgraum 5 gegenüber der Umgebung abzudichten. Die Öffnungen in der Buchse zum Herstellen der fluidischen Verbindung zwischen Auslassraum 3 und Balgraum 5 sind dazu vorgesehen, um die Volumenänderung innerhalb des Balgraums 5 bei einer Betätigung des Schiebers 7 auszugleichen. Falls der Schieber 7 bezüglich der Ansicht in den 5a oder 5b nach unten bewegt wird, dehnt sich der Balg 8 aus und verdrängt ein größeres Gasvolumen innerhalb des Balgraums 5. In diesem Fall strömt Gas aus dem Balgraum 5 durch die Öffnungen innerhalb der Buchse hindurch in den Auslassraum 3. Falls der Schieber 7 bezüglich der Ansicht in den 5a oder 5b nach oben bewegt wird, verkleinert sich der Balg 8 und verdrängt ein geringeres Gasvolumen innerhalb des Balgraums 5. In diesem Fall strömt Gas aus dem Auslassraum 3 durch die Öffnungen innerhalb der Buchse hindurch in den Balgraum 5.
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Konstruktionen gemäß des Standes der Technik, insbesondere Konstruktionen wie in den 5a und 5b gezeigt, haben folgende Nachteile:
- In 5a wird eine Stromlinie a gezeigt. Diese Stromlinie a kennzeichnet die Flugbahn eines Partikels, welcher sich aus dem Einlassraum 2, am geöffneten Ventilkörper 4 vorbei, in den Auslassraum 3 bewegt. Aufgrund der ballistischen Bahn des Partikels bewegt sich dieser durch die Öffnungen innerhalb der Buchse (Führungs- und Überströmelement 6) hindurch in den Balgraum 5 und schlägt auf der Oberfläche des Balgs 8 ein. Hierdurch können sich Balg 8 und/oder Partikel entzünden, insbesondere in einer sauerstoffreichen Atmosphäre. Unabhängig hiervon entsteht am Balg 8 mechanischer Verschleiß.
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In 5b wird eine Stromlinie b gezeigt. Diese Stromlinie b kennzeichnet den Strömungsverlauf einer Gasströmung, die bei einem geöffneten Ventilkörper 4 auftritt. Bei einem geöffneten Ventilkörper 4 strömt im Allgemeinen eine Gasströmung aus dem Einlassraum 2 in den Auslassraum 3. Auf Grund der Vertikalkomponente (bezüglich der Darstellung in 5b) der Strömung bewegt sich ein Teil der Strömung durch die Öffnungen innerhalb der Buchse (Führungs- und Überströmelement 6) hindurch in den Balgraum 5 hinein (durch die links dargestellte Öffnung), und strömt entlang der Stromlinie b wieder durch die Buchse hindurch (durch die rechts dargestellte Öffnung) in den Auslassraum 3.
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In 5b ist ein Bereich M dargestellt, innerhalb welchem die Strömung entlang der Stromlinie b einen Richtungswechsel vollzieht, und hierbei eine Druckkraft auf den Balg 8 (in der Darstellung der 5b von links nach rechts) ausübt. Hierdurch wird das Material des Balgs 8 belastet, insbesondere eine Schweißverbindung, welche den Balg 8 an dem Schieber 7 befestigt (im unteren Bereich des Balgs 8, bezogen auf die Darstellung in 5b.
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Des Weiteren ist in 5b ein Bereich T dargestellt, innerhalb welchem die Strömung entlang der Stromlinie b wieder in den Auslassraum 3 einströmt. Die Strömung trifft hierbei auf eine „Hauptströmung“ des Fluids, welches aus dem Einlassraum 2 in den Auslassraum 3 strömt. Durch das Zusammentreffen der Strömungen entsteht ein turbulenter Bereich bzw. ein Wirbel, welcher die Leistung des Ventils 1* (den Durchflussfaktor) reduziert.
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Generell ist jegliche Strömung von Fluid zwischen dem Einlassraum 2 und dem Balgraum 5, wenn keine Volumenänderung innerhalb des Balgraums 5 aufgrund einer Bewegung des Schiebers 7 stattfindet, unerwünscht. Durch solche Strömungen werden beispielsweise unerwünschte Bedingungen, die innerhalb des Einlassraums 2 vorherrschen (z.B. hohe Temperaturen), auf den Balgraum 5 übertragen, und wirken somit auf den empfindlichen Balg 8 ein.
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Um die obigen Probleme zu lösen, wird ein Ventil sowie ein Element gemäß den nebengeordneten Ansprüchen bereitgestellt.
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Es wird ein Ventil offenbart, zum Regulieren einer Strömung eines Fluids zwischen einem Einlassraum und einem Auslassraum, aufweisend einen Ventilkörper, der mittels eines Schiebers zwischen einer geschlossenen Position und einer geöffneten Position bewegbar ist, wobei der Ventilkörper dazu vorgesehen ist, die Strömung in der geschlossenen Position zu unterbinden und in der geöffneten Position zu ermöglichen, wobei sich der Schieber vom Inneren des Ventils durch eine Öffnung hindurch nach außerhalb des Ventils erstreckt, um von dort betätigbar zu sein, einen Balgraum zum Aufnehmen eines Balgs, der zum Abdichten zwischen dem Schieber und der Öffnung vorgesehen ist, wobei zwischen Balgraum und Auslassraum eine fluidische Verbindung hergestellt ist, zum Ermöglichen einer Ausgleichsströmung in den Balgraum hinein und aus dem Balgraum hinaus, verursacht durch eine Volumenänderung innerhalb des Balgraums aufgrund einer Betätigung des Schiebers, wobei die fluidische Verbindung mittels eines Überströmelements hergestellt ist.
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Erfindungsgemäß ist die Geometrie des Ventils so ausgestaltet ist, dass ein direktes Auftreffen von Partikeln, welche mittels der Ausgleichsströmung in den Balgraum hineingelangen, auf den Balg unterbunden wird.
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Hierdurch wird verhindert, dass Partikels, welcher sich aus dem Einlassraum, am geöffneten Ventilkörper vorbei, in den Auslassraum bewegen, aufgrund ihrer ballistischen Flugbahn in den Balgraum hinein bewegen, und in den Balg einschlagen. Entweder werden die Partikel durch die Geometrie des Ventils daran gehindert, in den Balgraum vorzudringen. Alternativ werden die Partikel verlangsamt, sodass deren kinetische Energie reduziert wird. Hierdurch werden Entzündungen des Partikels und/oder des Balgs verhindert, insbesondere in einer sauerstoffreichen Atmosphäre. Des Weiteren wird mechanischer Verschleiß an dem Balg durch Partikeleinschläge reduziert.
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Des Weiteren wird durch das erfindungsgemäße Merkmal eine Strömung von Fluid zwischen dem Auslassraum und dem Balgraum, wenn keine Volumenänderung innerhalb des Balgraums aufgrund einer Bewegung des Schiebers stattfindet, unterbunden oder zumindest reduziert.
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Hierdurch werden Wirbel innerhalb des Auslassraums reduziert (am Ort eines potenziellen Aufeinandertreffens einer Strömung von dem Balgraum in den Auslassraum hinein und einer „Hauptströmung“ von dem Einlassraum in den Auslassraum hinein), wodurch die Leistung des Ventils (der Durchflussfaktor) verbessert wird.
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Des Weiteren werden unerwünschte Einflüsse innerhalb des Einlassraums und/oder Auslassraums (z.B. hohe Temperaturen) nicht oder zumindest verzögert auf den Balgraum und damit auf den empfindlichen Balg übertragen.
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Des Weiteren werden Fluidströmungen innerhalb des Balgraums, welche auf den Balg einwirken und auf diesen Kräfte und/oder (Biege-)Momente ausüben und den Balg hierdurch mechanisch belasten, unterbunden oder zumindest reduziert.
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Darüber hinaus wird ein Ventil offenbart, wobei die Geometrie zum Verhindern des direkten Auftreffens von Partikeln auf den Balg durch wenigstens eine Umlenkung innerhalb des Überströmelements umgesetzt ist, und/oder dadurch umgesetzt ist, dass der Übergang zwischen Überströmelement und Balgraum zu dem Balg nicht fluchtend ausgerichtet ist.
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Außerdem wird ein Ventil offenbart, wobei die Umlenkung durch ein Überströmelement innerhalb eines Elements ausgebildet ist, welches den Schieber führt.
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Durch die zuletzt genannten Merkmale kann das Überströmelement kostengünstig und einfach hergestellt werden. Außerdem kann ein Ventil im Baukastenprinzip bereitgestellt werden, bei welchem das Element beliebig an die individuellen Anforderungen des Ventils anpassbar und austauschbar ist.
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Des Weiteren wird ein Ventil offenbart, wobei die nicht fluchtende Ausrichtung des Übergangs durch ein Überströmelement ermöglicht wird, welches außerhalb eines Führungselement, das zum Führen des Schiebers vorgesehen ist, angeordnet ist.
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Hierdurch wird eine alternative Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt.
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Des Weiteren wird ein Ventil offenbart, wobei zwischen Überströmelement und Balg ein Abschirmelement angeordnet ist, um ein direktes Auftreffen von Partikeln, welche mittels der Ausgleichsströmung in den Balgraum hineingelangen, auf den Balg zu verhindern.
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Hierdurch wird eine alternative Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt.
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Des Weiteren wird ein Ventil offenbart, wobei das Überströmelement mittels eines einzigen Kanals ausgebildet wird, welcher vorzugsweise wenigstens zwei Mal umgelenkt wird, weiter vorzugsweise jeweils im rechten Winkel.
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Hierdurch wird eine einfache und kostengünstige Fertigung des Ventils und insbesondere des Überströmelements bzw. des Elements ermöglicht.
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Des Weiteren wird ein Ventil offenbart, wobei das Überströmelement mit einem Längen- zu Öffnungsquerschnittsverhältnis größer 1 ausgebildet ist.
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Hierdurch wird eine optimale Funktion der Konstruktion erreicht.
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Des Weiteren wird ein Ventil offenbart, wobei das Überströmelement labyrinthartig ausgebildet ist.
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Hierdurch wird eine optimale Funktion der Konstruktion erreicht, sowie eine alternative Ausgestaltung bereitgestellt.
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Des Weiteren wird ein Ventil offenbart, wobei das Elements mittels eines additiven Verfahrens hergestellt ist.
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Hierdurch werden vielfältige Alternativen in der Ausgestaltung sowie eine technisch optimierte Form des Elements ermöglicht.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Figuren dargestellt und im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ventils 1.
- 2a Eine Detailansicht eines erfindungsgemäßen Elements 61.
- 2b Eine weitere Detailansicht des erfindungsgemäßen Elements 61 aus 2a.
- 3 Eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ventils 1 in einer alternativen Ausführungsform.
- 4 Eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ventils 1 in einer alternativen Ausführungsform.
- 5a Eine Schnittansicht eines Ventils 1* gemäß des Stands der Technik.
- 5b Eine Schnittansicht eines Ventils 1* gemäß des Stands der Technik.
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Die Figuren enthalten teilweise vereinfachte, schematische Darstellungen.
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Zum Teil werden für gleiche, aber gegebenenfalls nicht identische Elemente identische Bezugszeichen verwendet. Verschiedene Ansichten gleicher Elemente könnten unterschiedlich skaliert sein. Richtungsangaben wie beispielsweise „links“, „rechts“, „oben“ und „unten“ sind mit Bezug auf die jeweilige Figur zu verstehen und können in den einzelnen Darstellungen gegenüber dem dargestellten Objekt variieren.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ventil 1. Das Ventil weist einen Einlassraum 2 und einen Auslassraum 3 auf. Im Einlassraum 2 herrscht ein Druck p1, im Auslassraum herrscht ein Druck p2, wobei p1 >p2 ist. Zwischen Einlassraum 2 und Auslassraum 3 ist ein Ventilkörper 4 angeordnet, der dazu vorgesehen ist, ein fluidische Verbindung zwischen Einlassraum 2 und Auslassraum 3 reversibel herzustellen und zu unterbrechen. Hierzu wird der Ventilkörper 4 mittels eines Schiebers 7 nach oben und unten bewegt. Der Schieber 7 wird durch ein Element 61 axial geführt und tritt im oberen Bereich des Ventils 1 aus diesem heraus, um aus der Umgebung des Ventils 1 betätigbar zu sein.
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Um das Innere des Ventils 1 am Übergang des Schiebers 7 von dem Inneren des Ventils 1 in die Umgebung des Ventils 1 (siehe den oberen Bereich der Darstellung in 1) nach außen hin abzudichten, ist ein Balg 8 vorgesehen. Bei einer Betätigung des Schiebers 7 verändert der Balg 8 seine Gestalt dahingehend, dass er sich in axialer (vertikaler) Richtung ausdehnt und zusammenzieht. Der Balg 8 ist innerhalb eines Balgraums 5 angeordnet, und verändert durch das o.g. Ausdehnen und Zusammenziehen das innerhalb des Balgraums 5 verdrängte Volumen. Falls hierdurch ein Unter- oder Überdruck innerhalb des Balgraums 5 entsteht, wirkt dieser Druck der Betätigung des Schiebers 7 entgegen, was unerwünscht ist. Aus diesem Grund wird für einen Druckausgleich des Balgraums 5 gesorgt, mittels einer fluidischen Verbindung zwischen Balgraum 5 und Auslassraum 3, hergestellt durch das Element 61. Auf die konkrete Ausgestaltung des Elements 61 wird in den 2a und 2b eingegangen. Allerdings ist in 1 bereits zu erkennen, dass innerhalb des Elements 61 ein verbindender Kanal zwischen Balgraum 5 und Auslassraum 3 vorgesehen ist. Dieser verbindende Kanal verläuft nicht geradlinig, sondern hat (bezogen auf 1) jeweils einen vertikalen Abschnitt, um jeweils mit dem Balgraum 5 und dem Auslassraum 3 in fluidischem Kontakt zu stehen, und einen horizontalen Abschnitt, um die beiden vertikalen Abschnitte zu verbinden.
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Durch diese Ausgestaltung wird eine Ausgleichsströmung zwischen Balgraum 5 und Auslassraum 3 doppelt umgelenkt, was verschiedene Vorteile mit sich bringt. Es wird u.a. verhindert, dass Partikel innerhalb der Strömung zwischen Einlassraum 2 und Auslassraum 3 ungebremst in den Balgraum 5 vordringen, und dort auf die Oberfläche des Balgs 8 einschlagen. Des Weiteren wird eine Strömung zwischen Balgraum 5 und Auslassraum 3 unterbunden, wenn keine Betätigung 7 des Schiebers stattfindet. Hierdurch werden Wirbel innerhalb des Auslassraums 3 reduziert (weiter oben erläutert), außerdem werden unerwünschte Einflüsse innerhalb des Einlassraums 2 und/oder des Auslassraums 3 nicht oder zumindest verzögert auf den Balgraum 5 übertragen (ebenfalls weiter oben erläutert), und eine mechanische Belastung des Balgs 8 auf Grund von Fluidströmungen innerhalb des Balgraums 5 wird vermindert (ebenfalls weiter oben erläutert).
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2a und 2b zeigen das Element 61 aus 1 im Detail, wobei 2b das Bauteil aus 2a von der Seite gesehen (geklappt) darstellt.
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Die fluidische Verbindung zwischen Balgraum 5 und Auslassraum 3 wird durch ein Überströmelement 61 d in Form eines Kanals mit drei Abschnitten ausgebildet. Der Kanal ist durch Bohrungen ausgebildet, wobei bezogen auf 2a eine Durchgangsbohrung in horizontaler Richtung ausgeführt ist, und jeweils eine Sachlochbohrung, welche die Durchgangsbohrung jeweils mit dem Balgraum 5 und dem Auslassraum 3 fluidisch verbindet.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Diese unterscheidet sich dadurch von der Ausführungsform in 1, dass anstelle des Elements 61 nun ein Führungselement 62 vorgesehen ist, welches den Schieber 7 axial führt, aber keine Überströmmöglichkeit zwischen Auslassraum 3 und Balgraum 5 vorsieht. Die Überströmmöglichkeit wird in dieser Ausführungsform dadurch ausgebildet, dass in einem Gehäuseabschnitt des Ventils 1 ein Überströmelement 63 in Form einer Durchgangsbohrung vorgesehen ist. Diese Bohrung ist so ausgerichtet, dass die Bohrungsachse so angeordnet ist, dass diese nicht auf den Balg 8 gerichtet ist. Hierdurch wird verhindert, dass sich Partikel aus dem Auslassraum 3 in den Balgraum 5 hinein bewegen, und ungebremst auf die Oberfläche des Balgs 8 einschlagen.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Diese unterscheidet sich dadurch von der Ausführungsform in 1, dass ein Führungs- und Überströmelement 6 gemäß des Stands der Technik vorgesehen ist, zum axialen Führen des Schiebers 7 und zum Herstellen einer Überströmmöglichkeit zwischen Auslassraum 3 und Balgraum 5.
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Zum Schützen des Balgs 8 ist in dieser Ausführungsform ein Abschirmelement 64 radial umlaufend um die Schieberachse vorgesehen, welches örtlich zwischen Führungs- und Überströmelement 6 sowie dem Balg 8 angeordnet ist. Das Abschirmelement 64 ist bezüglich des Schiebers 7 unbeweglich ausgebildet und an diesem befestigt.
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5a und 5b zeigen Ventile 1* gemäß des Stands der Technik. Diese wurden in der Beschreibungsanleitung gewürdigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil
- 1*
- Ventil (Stand der Technik)
- 2
- Einlassraum
- 3
- Auslassraum
- 4
- Ventilkörper
- 5
- Balgraum
- 6
- Führungs- und Überströmelement
- 61
- Element
- 61 d
- Überströmelement
- 62
- Führungselement
- 63
- Überströmelement
- 64
- Abschirmelement
- 7
- Schieber
- 8
- Balg
- a
- Stromlinie zur Darstellung eines Partikeleinschlags
- b
- Stromlinie zur Darstellung eines Drehmoment-Bereichs M und eines Turbulenz-Bereichs T
- M
- Drehmoment-Bereich
- T
- Turbulenz-Bereich