DE2852369A1 - Ventil - Google Patents

Description

TER meer · Müller · Steinmeister Seetru Ltd.

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Kolben, der in Bezug auf einen ringförmigen Ventilsitz beweglich ist/ der einen Einlaß umgibt.

Die Erfindung betrifft im einzelnen ein Ventil gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit einem Ventil zur Verwendung als Sicherheits- oder Überdruckventil. Das erfindungsgemäße Ventil ist jedoch nicht nur für Sicherheitsventile, sondern auch für andere Fluidventile verwendbar, bei denen ein Kolben in Eingriff mit einem ringförmigen Ventilsitz zur Schließung des Ventils gebracht wird.

Es ist beispielsweise bekannt, für die Verschlußeinrichtung eines Ventils einen elastomeren Dichtring zu verwenden, der als sogenannte hydrostatische Dichtung wirkt, bei der der Fluiddruck, der auf die Dichtung einwirkt, den durch die Dichtung auf den Ventilsitz ausgeübten Druck verstärkt. Ein bekannter Typ einer derartigen hydrostatischen Dichtung ist ein O-Ring, bei der der Dichtungsdruck, der durch den Ring ausgeübt wird, nicht nur mit zunehmendem Fluiddruck erhöht wird, sondern der Ring sich in ei-• ner Aussparung an einem Kolben befindet, der bei metallischer Berührung zwischen Kolben und Ventilsitz den größten Teil des Ringes einschließt und eine Beschädigung oder ein Austreten des Ringes auch unter erhöhten Drücken verhindert.

Bei der Anwendung von hydrostatischen, elastomeren Dichtringen für Sicherheitsventile ergeben SiCh₁ in zweierlei Hinsicht Probleme ■ ■: _:

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einer ringförmigen Dichtung, die notwendigerweise etwas mehr elastomere Masse enthalten muß, als es für eine Linienberührung mit dem Ventilsitz notwendig ist, führt zu einer kreisförmigen Dichtfläche relativ großer radialer Breite. Dadurch wird die effektive Dichtfläche in gewissem Maße unbestimmt, und es ist schwierig, sie zu messen oder vorherzubestimmen. Folglich können der Schließdruck und die Arbeitsweise von Sicherheitsventilen nach einiger Betriebsdauer fehlerhaft werden.

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(2) Die Dichtung selbst muß in einer Konstruktion aus Ventilsitz und Kolben verwendet werden, die sorgfältig geformt werden muß, so daß die öffnungscharakteristika des Ventils und dessen Funktion in der geöffneten Stellung kontrolliert werden können. Diese Formgebung kann kritisch sein, und es ist oft schwierig, einen ausreichenden Raum und eine Abstützung für die elastomere Dichtung in einer Aussparung des Kolbens herzustellen.

(3) Außerdem kann die sichere und beschädigungsfreie Unterbringung einer empfindlichen Dichtung in einer Aussparung eines Kolbens bei einem Sicherheitsventil Probleme hervorrufen. Es ist nicht einfach, die Dichtung in ihrer Aussparung derart unterzubringen, daß Beschädigungen im Betrieb vermieden werden und Fluiddurchgänge an dem Ventil vorbei bei geschlossenem Ventil verhindert werden.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, ein Ventil mit einer Schließanordnung zu schaffen, bei der ein Dichtring an einem Verschlußglied oder Kolben derart vorgesehen ist, daß in Bezug auf die oben erwähnten Schwierigkeiten wesentliche Verbesserungen erzielt werden.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Das erfindungsgemäße Ventil umfaßt zunächst einen Kolben,

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der in Richtung auf einen ringförmigen Ventilsitz und in. Gegenrichtung verschiebbar ist. Der Ventilsitz umgibt einen Einlaß und weist unmittelbar angrenzend an den Einlaß und um diesen herum einen aufragenden, ringförmigen Kranz sowie um diesen Kranz herum eine flache, ringförmi-■ ge Ventilsitz-Oberfläche auf. Der Kolben weist an seiner Stirnseite oder seinem Ende zum Teil eine flache, ringförmige Metallfläche auf, die in Metallberührung mit. der flachen Oberfläche des Ventilsitzes gebracht werden kann.

Unmittelbar innerhalb dieser metallischen Stirnfläche des Kolbens ist eine Aussparung in dem Kolben vorgesehen, in der ein Dichtring aus elastomerem Material liegt. Wenn sich die ringförmige Stirnfläche des Kolbens in Metall-Berührung mit der ringförmigen Oberfläche des Ventilsitzes befindet, tritt der vorspringende Kranz des Ventilsitzes in diese Aussparung ein und wird in den dadurch elastisch verformten elastomeren Dichtring eingedrückt, so daß das Ventil geschlossen wird.

Vorzugsweise besteht das Ende des Kolbens aus einer zweiteiligen Metallkonstruktion. Es umfaßt einen Mittelteil, der durch einen Metallring umgeben ist. Dieser Metallring bildet die flache, ringförmige Stirnfläche des Kolbens. In einem oder in beiden der Teile ist die Aussparung für den Dichtring vorgesehen, die im Anschluß an einen Spalt eine Hinterschneidung aufweist.

Vorzugsweise stehen die beiden metallischen Teile in metallischer Berührung, und dieser Berührungsbereich bildet eine Leckbahn, die von der Aussparung ausgeht und mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Diese Leckbahn bildet einen Auslaß für Fluide, die in den Raum hinter dem elastomeren Dichting in der Aussparung gelangen könnten.

im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

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Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil und zeigt die Teile auf der linken Seite der Mittelachse in teilweise geschlossener Stellung des Ventils;

Fig. 2 zeigt die Teile auf der rechten Seite der Mittelachse in vollständig geschlossener Stellung des Ventils; IO

Fig. 3 _ zeigt Einzelheiten einer dritten

Ausführungsform mit einer abgewandelten Aussparung für den Dichtring.

In Fig. 1 und 2 sind die wesentlichen Teile einer Ventilanordnung zur Steuerung eines Stromes zwischen einem Einlaß 1 und einem Auslaß 2 gezeigt.

Der Einlaß 1 kann durch einen allgemein mit 3 bezeichneten Kolben verschlossen werden, der in Richtung eines Ventilsitzes 4 und in entgegengesetzte Richtung verschoben werden kann.

In der Nähe des Endes eines im wesentlichen zylindrischen Mittelteils 31 des Kolbens 3 ist eine Aussparung 40 vorgesehen, die einen Dichtring 5 aufnimmt. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Dichtring 5 einen L'-förmigen Querschnitt auf mit einem im Querschnitt rechteckigen oder quadratischen Hauptteil 5a, von dem ein Abschnitt 5b vorspringt, der etwa die halbe Breite des Hauptteils 5a aufweist. Die Aussparung 40 im Mittelteil 31 des Kolbens 3 nimmt den quadratischen Hauptteil 5a des Dichtringes 5 auf, jedoch ist das Ende des Hauptteils 31 des Kolbens im Durchmesser ebenfalls reduziert, da es durch den vorspringenden Abschnitt 5a des Dichtringes 5 umgeben wird. Ein zweites Teil 32 des Kolbens ist als Metallhaube ausgebildet und eng auf den Mittelteil des Kolbens

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aufgesetzt. Die Aussparung 40 im Mittelteil 31 und die Haube 32 sind so geformt, daß der Dichtring 5 in der Aussparung 40 eingeschlossen wird, ausgenommen der vorspringende Abschnitt 5b des Dichtringes, der sich axial in einen Spalt 41 hinein erstreckt und dort einen aufragenden Kranz 6 auf dem Ventilsitz 4 berührt, wenn der Kolben 3 gegen den Ventilsitz 4 anliegt und das Ventil schließt.-

Wenn der Kolben 3 gegen den Sitz gelangt, trifft eine flache ringförmige Stirnfläche 33 der massiven Haube 32 mit einer Metall-Metall-Berührung auf eine flache ringförmige Oberfläche 7 des Ventilsitzes. Diese Oberfläche 7 umgibt unmittelbar den Kranz 6. Gleichzeitig ergibt sich eine Dichtberührung zwischen dem elastomeren Dichtring 5 und dem ringförmigen Kranz 6, der von der flachen Oberfläche 7 des Ventilsitzes aufragt. Der Kranz 6 schafft die Bedingungen für eine angemessene hydrostatische Funktion des Dichtringes 5, da der Dichtring 5 in der geschlossenen Stellung des Kolbens 3 an allen Seiten durch die metallischen Wände der Aussparung und des Spalts abgestützt wird und der vorspringende Abschnitt 5b des Dichtringes so geformt ist, daß ein Fluiddruck auf den Abschnitt in radial-auswärtiger Richtung aufgrund des zwischen den Dichtring und das Ende des Kolbens gelangenden Fluids ausgeübt werden kann.

Das Ende des Mittelteils 31 des Kolbens und die Stirnfläche der massiven Haube 32 zusammen mit der Form der äußeren Oberfläche der massiven Haube 32 und des Ventilsitzes als solchen außerhalb der Oberfläche 7, die mit dem aufragenden, schmalen, ringförmigen Kranz 6 den Dichtring 5 berührt, und die Stirnfläche der Haube können so geformt werden, daß sich die gewünschten öffnungs- und Funktionscharakteristika eines Sicherheitsventils ergeben.

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Die Haube 32 des Kolbens 3 kann auf den Mittelteil 31 von der Rückseite her aufgeschoben werden. Zu diesem Zweck kann der Mittelteil 31 mit einem Flansch 35 versehen sein, gegen den die Haube 32 in ihre genaue axiale Position in Bezug auf den Mittelteil 31 geschoben werden kann.

Bei feder-betätigten Sicherheitsventilen ist es zweckmäßig, den rückwärtigen Teil des Kolbens so auszubilden, daß er einen Anschlag für eine Ventilfeder aufweist. Dadurch kann zugleich sichergestellt werden, daß die Haube ohne Spiel oder Schwingungen auf dem Mittelteil gehalten wird. Bei Ausführungsformen, bei denen der Kolben-Kopf mit einer Ventilspindel verbunden ist, kann er auf diese aufgeschraubt sein, oder ein Rücken kann in eine Haltenut der Ventilspindel eingerollt sein.

Selbst die axiale Berührungsfläche des Dichtringes 50 kann in besonderer Weise so geformt sein, daß sichergestellt ist, daß der effektive Dichtungsdurchmesser des geschlossenen Ventils genau festgelegt ist. Dies kann vorzugsweise dadurch geschehen, daß die axiale Stirnfläche leicht konkav ausgebildet wird und mit kleinem Radius am äußeren Durchmesser abgerundet wird, an dem die erste und wesentliche Berührung mit dem Kranz 6 des Ventilsitzes 4 zustande kommt. Der Hauptteil 5a des Dichtringes dient dazu, den Dichtring in der Aussparung 40 des Kolbens festzuhalten und eine angemessene Abdichtung gegen Flüssigkeitsdurchgang zwischen den Metallteilen 31 und 32 des Kolbens zu gewährleisten.

Da der Ventilsitz 4 einen schmalen aufragenden Kranz 6 angrenzend an den Einlaß oder in radialem Abstand von diesem aufweist, ragt die im allgemeinen aus Gummi bestehende Dichtung nicht über die Kolben-Haube hinaus, sondern springt gegenüber dieser etwas zurück, so daß eine Aussparung gebildet wird zwischen dem Mittelteil

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des Kolbenendes und der Haube 32. Die Abdichtung erfolgt, wenn der vorspringende Kranz 6 in diese Aussparung in dem Kolben eintritt und den Dichtring 5 berührt. Die Eindringtiefe des Kranzes 6 in den Dichtring 5 wird durch den Betrag bestimmt, um den die Höhe des Kranzes 6 die Tiefe übersteigt, in der sich die wirksame Fläche des Dichtringes innerhalb der Aussparung am Kolbenende befindet. Wenn der Kranz 6 in diese Aussparung eingetreten ist, erfolgt eine Metall-Berührung zwischen der flachen Stirnfläche 33 des Kolbens und der flachen ringförmigen Oberfläche 7 des Ventilsitzes, der den Kranz umgibt, so daß ein weiteres Eindringen oder eine Zerstörung des Dichtringes verhindert wird.

In bestimmten Fällen besteht der Vorteil dieser Konstruktion darin, daß der Dichtring 5 aus der Zone einer raschen Fluidströmung zurückgesetzt ist, nachdem der Kolben 3 soeben von dem Ventilsitz 4 abgehoben ist. Dieser mit hoher Geschwindigkeit strömende Fluidstrahl könnte dazu führen, daß der aus Gummi bestehende Dichtring einer Abrasion und Beschädigung ausgesetzt wird, Durch die erfindungsgemäße Konstruktion ist er jedoch ausreichend geschützt. Im übrigen können die Tiefe der Dichtungs-Aussparung in dem Kolben und die Gestaltung der zusammenwirkenden Teile des Ventilsitzes und des Kolbens dazu beitragen, die genauen Betriebscharakteristika des Sicherheitsventils festzulegen.

Die Haube 32 und das Mittelteil 31 des Kolbens können auch zusammengeschraubt sein. In einigen Fällen ergibt dies eine exakte Abstützung der Haube 32 auf dem Mittelteil 31, während zugleich ein angemessener radialer Abstand um den Dichtring 5 herum ermöglicht wird, so daß verhindert wird, daß der Dichtring bei der Montage des Kolbens eingequetscht oder zerstört wird.

Bei der Montage des Ventilkolbens und des Dichtringes

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kann der Dichtring auf einfache und zuverlässige Weise in seine Position eingebracht werden, und der gesamte Aufbau der Anordnung ist einfach, robust und zuverlässig. Die äußere Oberfläche der Teile des Kolbens kann auf beliebige Weise entsprechend der gewünschten Arbeitsweise des Sicherheitsventils geformt sein, ohne daß sich Einschränkungen aufgrund der Anwesenheit und Befestigung des Dichtringes ergeben. Der Dichtring ist robust und sicher untergebracht. Sein Dichtrand kann mit Präzision so geformt sein, daß sich ein genau vorgegebener Dichtdurchmesser bei geschlossenem Ventil ergibt. Weiterhin können sowohl die aus Metall bestehenden Bauteile als auch der Dichtring in wirtschaftlicher und zuverlässiger Weise hergestellt werden.

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Anschließend soll eine weitere Ausführungsform der Erfindung anhand von Fig. 3 erläutert werden.

Das Ventil der Fig. 3 weist wiederum einen Einlaß 1 auf, der durch einen mit 4 bezeichneten Ventilsitz umgeben ist. Der Ventilsitz 4 weist unmittelbar angrenzend an den Einlaß einen aufragenden, ringförmigen Kranz 6 und unmittelbar angrenzend an diesen Kranz eine ringförmigen Oberfläche 7 auf. Das Ventil umfaßt ebenfalls einen mit 3 bezeichneten Kolben. Am Ende des Kolbens befindet sich eine ringförmige Stirnfläche 33, die in Metall-Berührung mit der ringförmigen Oberfläche 7 des Ventilsitzes 4 gebracht werden kann.

Unmittelbar innerhalb der ringförmigen Stirnfläche 33 des Kolbens 3 ist ein ringförmiger Spalt 41 vorgesehen, der in eine mit 40 bezeichnete Aussparung überleitet, die eine Hinterschneidung 42 aufweist. Ein Dichtring 50 aus elastomerem Material liegt in der Aussparung 40 und wird durch die Hinterschneidung 42 festgehalten.

Bei dieser Ausfuhrungsform weist der Dichtring 50 einen

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Hauptbereich auf, der im Querschnitt im wesentlichen D-förmig ausgebildet ist. Von diesem Hauptbereich springt eine Verlängerung 51 vor, die in den Spalt 41 der Aussparung 40 eintritt.
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Beim Schließen des Ventils dringt der Kranz 6 in den Dichtring ein, wobei die Eindringtiefe begrenzt ist durch die Metall-Berührung zwischen dem Kolbenende und der Oberfläche 7.

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Die Erfindung weist eine Anzahl von wesentlichen Vorteilen auf, wie aus den Ausführungen zu Fig. 1 bis 3 hervorgeht. Durch die eingefangene Anordnung des Dichtringes 5 wird die Gefahr einer dauerhaften Verformung des Dichtringes durch das Eindringen des Kranzes 6 wesentlich verringert.

Das elastomere Material kann nicht aus der Aussparung in nennenswertem Maße herausgedrückt werden. Dadurch wird sichergestellt, daß der Punkt des Dichtungskontakts auf dem elastomeren Dichtungsmaterial im wesentlichen unverändert bleibt. Dieser konstante Dichtungspunkt ist von wesentlicher Bedeutung bei Sicherheitsventilen, da von diesem Merkmal der unveränderliche Sitzdruck abhängt, bei dem das Sicherheitsventil geöffnet und der Einlaß nach und nach freigegeben wird.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Tatsache, daß alle elastischen Gemische oder Verbindungen, insbesondere diejenigen, in denen Gummi enthalten ist, während des Formvorganges zum Schrumpfen neigen. Dieses Schrumpfen ist bei unterschiedlichen elastomeren Gemischen unterschiedlich, und sogar bei ein und demselben Gemisch kommt es in gewissem Maße zu zufälligen Änderungen bei großen Stückzahlen. Bei scheibenförmigen Dichtungen ist diese unterschiedliche Schrumpfung oft sehr nachteilig, da sie den dichten Sitz der Dichtung in ihrer Aussparung beeinflußt.

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Diese Schwierigkeiten werden bei dem hinter einer Hinterschneidung eingefangenen Dichtring der Erfindung vermieden.

Entsprechend einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist der Dichtring im Querschnitt etwas größer als der Querschnitt der Aussparung/ in die sie einzupassen ist, so daß der elastomere Hauptbereich beim Einpassen in die Aussparung etwas zusammengedrückt wird.

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Ein weiterer Vorteil der Ausführungsformen der Figuren 1 bis 3 besteht darin, daß bei der zweiteiligen Metallkonstruktion des Kolbens 3 eine Verbindung zwischen den beiden Teilen geschaffen wird. Eine derartige einfache Metallverbindung kann somit eine Leckbahn bilden, über die ein Fluid, das hinter den Dichtring 5 oder 50 in dessen Aussparung 40 gelangt, austreten kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß eine genaue Bearbeitung der Teile nur im Hinblick auf den Sitz und den Kranz 6 erforderlich ist.

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Claims (5)

1. PATENTANWÄLTE TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

   D-8000 München 22 D-4800 Bielefeld ,

   Triftstraße 4 Siekerwall 7 Z QO 2. OO B

   St/ri
   GCNL/HJ/16612

   h. Dsz. 1978

   SEETRU LIMITED

   43 Com Street, Bristol 1,

   England

   VENTIL

   PRIORITÄT: 20. Dezember 1977, Großbritannien, No. 53086/77

   PATENTANSPRÜCHE

   Ventil mit einem in Bezug auf einen ringförmigen Ventilsitz beweglichen Kolben, einem durch den Ventilsitz umgebenen Einlaß und einem elastomeren Dichtring an dem Kolben, der zur Schließung des Ventils mit dem Ventilsitz in Berührung gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (4) unmittelbar angrenzend an den Einlaß (1) und um diesen herum einen aufragenden, ringförmigen Kranz (6) aufweist, daß unmittelbar um den Kranz (6) herum eine ring-

   9 0 9 8 2 7/ 0 674 ORIGINAL HSISP^QTED

   [LIMvILiLR-MaLLER-STEINMEISTER SeetrU Ltd.

   förmige Oberfläche (7) vorgesehen ist, daß der Kolben (3) an seinem Ende eine flache, ringförmige, metallische Stirnfläche (33) axial gegenüber der Oberfläche (7) des Ventilsitzes (4) aufweist, daß innerhalb dieser ringförmigen Stirnfläche (33) eine Aussparung (40) zur Aufnahme eines elastomeren Dichtringes (5) vorgesehen ist, und daß diese Teile derart angeordnet und bemessen sind, daß bei Berührung zwischen der Stirnfläche (33) des Kolbens (3) und der Oberfläche (7) des Ventilsitzes (4) der Kranz (6) in die Aussparung (40) eintritt und den Dichtring (5) innerhalb der Aussparung elastisch verformt.
2. 2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

   zeichnet, daß das Ende des Kolbens (3) als zweiteilige Metallkonstruktion mit einem Mittelteil (31) und einer diesen umgebenden Haube (32) ausgebildet ist, daß die Haube die ringförmige Stirnfläche (33) des Kolbens aufnimmt, und daß in einem der Teile (31,32) am Ende des Kolbens die Aussparung (40) vorgesehen ist.
3. 3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallteile (31,32) einen Berührungsbereich bilden, der eine Leckbahn zwischen der Aussparung (40) und der Atmosphäre einschließt.
4. 4. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (40) eine Hinterschneidung (42) angrenzend an einen offenen Spalt (41) aufweist, und daß der Dichtring (5,50) in der Hinterschneidung einen Hauptbereich (5a) hinter der Hinterschneidung sowie einen diesen verlängernden Bereich (5b, 51) innerhalb des Spalts (41) umfaßt.
5. 5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (5,50) bei der Einpassung in die Aussparung (40) vorgespannt ist.

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