DE3835865A1 - Druckmediumbetaetigtes ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein druckmediumbetätigtes Ventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es ist ein solches Ventil aus der CH-PS 5 89 815 bekannt, das den Vorteil hat, daß es ohne fremde Energie betätigt werden kann. Es ist jedoch beobachtet worden, daß beim Öffnen des Ventils Druckstöße entstehen können, was daher rührt, daß der vom Eintrittsstutzen zum Austrittsstutzen hin sich ausbreitende Mediumdruck auch auf die Rückseite des Ventiltellers wirkt und dort der Öffnungsbewegung entgegenwirkt. Dies kann zu unerwünschtem Schwingen des Ventiltellers führen. Fig. 1 zeigt den Verlauf des Hubes h, in Metern, über die Zeit t, in Sekunden, des bekannten Ventils während des Öffnens, des Offenhaltens und des Schließens. Die Kurve I zeigt den wahren, gemessenen Verlauf und die Kurve II den angestrebten Verlauf. Bei sehr hohen Druckunterschieden bewirken die Druckstöße zusätzliche mechanische Belastungen im gesamten druckfüh­ renden System.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Ventil der eingangs genannten Art auf einfache und kostengünstige Weise die Druckstöße beim Öffnen des Ventils zu verringern. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hier­ durch werden die Druckstöße zum größten Teil im Ausgleichszylinder zwischen dem Ventilteller und dem Ausgleichskolben aufgefangen, so daß die Tendenz zum Schwingen reduziert wird. Das gleiche gilt für die mechanischen Belastungen. Ein Verlauf der Öffnungs­ bewegung gemäß Kurve II der Fig. 1 ist dadurch möglich.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläu­ tert. Die Fig. 2 bis 4 zeigen je einen Längsschnitt durch ein Ventil nach der Erfindung.

Das Ventil gemäß Fig. 2 wird nach dem Belastungsprinzip betätigt. Ein Gehäuse 201, das einen Ventilraum 202 einschließt, ist mit einem von diesem Raum abgeschirm­ ten, vertikalen Zylinder 204 versehen, der durch einen Servokolben 203 in einen unteren Zylinderraum 205 und einen oberen Zylinderraum 206 unterteilt ist. Im Ventil­ raum 202 ist ein gegen einen Ventilsitz 207 wirkender Ventilteller 208 angeordnet, der über eine Spindel 209 mit dem Servokolben 203 koaxial verbunden ist. Auf der dem Ventilteller 208 zugewandten Seite des Ventilsitzes 207 ist das Gehäuse 201 mit einem Eintrittsstutzen 210 verbunden, an dem eine Druckmittelquelle angeschlossen ist. Auf der vom Ventilteller 208 abgewandten Seite des Ventilsitzes 207 schließt sich an den Ventilraum 202 ein Austrittsstutzen 211 an, der mit einer Druckmittelsenke verbunden ist.

In Strömungsrichtung hinter dem Ventilsitz 207 ist im Ventilraum 202 ein Ausgleichszylinder 214 vorgesehen, in dem ein mit der Spindel 209 verbundener koaxialer Aus­ gleichskolben 213 geführt ist. Die einander zugewandten Stirnflächen des Ventiltellers 208 und des Ausgleichskol­ bens 213 sind dabei ungefähr gleich groß. Der Ausgleichszylinder 214 weist zwischen dem Ausgleichskol­ ben 213 und dem Ventilteller 208 einen durchbohrten Bereich 215 auf, über den er mit dem Austrittsstutzen 211 in Verbindung steht.

Die dem Ausgleichskolben 213 zugewandte Stirnfläche des Ventiltellers 208 weist einen sich zu diesem Kolben hin verjüngenden koaxialen Kegelstumpf 221 auf, dessen Funktion weiter unten erklärt wird.

Der Eintrittsstutzen 210 und der obere Zylinderraum 206 sind über eine Leitung 216 verbunden, die ein Steuerven­ til 217 aufweist. Eine Drosselbohrung 203′ im Servokolben 203 verbindet die beiden Räume 205 und 206. Eine Entla­ stungsleitung 220 verbindet das dem Ventilteller 208 abgewandte Ende des Ausgleichszylinders 214 mit einer Druckmittelsenke, die vorzugsweise die gleiche ist, mit der auch der Austrittsstutzen 211 verbunden ist. Der untere Zylinderraum 205 ist über einen Kanal 212 mit der Entlastungsleitung 220 und dadurch ebenfalls mit der Druckmittelsenke verbunden.

Der Servokolben 203 ist auf die Spindel 209 aufgeschraubt und mittels eines Stiftes 218 gesichert. Eine Druckfeder 219 ist im Zylinderraum 205 angeordnet und unterstützt die Schließbewegung des Ventiltellers 208, so daß bei Drucklosigkeit das Ventil geschlossen bleibt.

Die Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Ventil in seiner Normalbetriebsstellung, d.h. es ist geschlossen. In diesem Betriebszustand ist das Steuerventil 217 ebenfalls geschlossen. Im unteren Zylinderraum 205 sowie - wegen der Drosselbohrung 203 - im oberen Zylinderraum 206 und in dem über den Kanal 212 ebenfalls mit ihm komunizierenden, dem Ventilteller 208 abgewandten Ende des Ausgleichszylinders 214 herrscht somit der gleiche niedrige Druck wie in der Entlastungsleitung 220. Auch im Ausgleichszylinder 214 zwischen dem Ventilteller 208 und dem Ausgleichskolben 213 herrscht der gleiche niedrige Druck wie in dem Austrittsstutzen 211. Auf der dem Eintrittsstutzen 211 zugewandten Stirnfläche des Ventil­ tellers 208 wirkt dagegen der hohe Mediumdruck und drückt den Ventilteller 208 dichtend gegen den Ventilsitz 207. Über die Drosselbohrung 203′ und den Kanal 212 kann im Zylinder 204 entstehendes Kondensat abgeführt werden.

Wird nun das Steuerventil 217 geöffnet, so erreicht der hohe Druck im Eintrittsstutzen 210 über die Leitung 216 den oberen Zylinderraum 206. Da die über die Drosselboh­ rung 203′ entweichende Druckmittelmenge sehr gering ist, bleibt der geringere Druck im unteren Zylinderraum 205 zunächst erhalten. Dabei bleiben die Druckverhältnisse im übrigen Ventil unverändert. Da die den oberen Zylinder­ raum 206 begrenzende Stirnfläche des Servokolbens 203 größer als die vom hohen Druck im Eintrittsstutzen 210 beaufschlagte Stirnfläche des Ventiltellers 208 ist, bewegen sich jetzt die Spindel 209 und alle damit verbun­ denen Teile abwärts, wobei das Ventil öffnet. Der nun auf der Rückseite des Ventiltellers 208 wirkende Druck wirkt zugleich auf die dem Teller zugewandte Stirnfläche des Ausgleichskolbens 213. Da diese beiden Stirnflächen ungefähr gleich groß sind, heben sich die daraus resul­ tierenden Kräfte auf und die Lage des Ventiltellers 208 wird nicht mehr durch nennenswerte Druckstöße beein­ flußt.

In der ersten Phase des Öffnens des Ventils wirkt der Kegelstumpf 221 ausgleichend auf die Druckverteilung im Ventil. Mit fortschreitendem Öffnen des Ventils verteilt sich der hohe Druck des Eintrittsstutzens 210 relativ rasch innerhalb des Gehäuses 201, bis bei voller Ventil­ öffnung nur noch der untere Zylinderraum 205 und das vom Ventilteller 208 abgewandte Ende des Ausgleichszylinders 214 einen niedrigen Druck aufweisen. Insgesamt verläuft also die Öffnungsbewegung entsprechend der Kurve II in Fig. 1 und geht dann sanft in den horizontalen Abschnitt (=Offenhalten) der Kurve I über.

Beim Schließen des Steuerventils 217 sinkt der Druck im oberen Zylinderraum 206, und die Differenz des Druckes im Eintrittsstutzen 210 mal die ihm zugewandte Stirnfläche des Ventiltellers 208 minus dem Druck im oberen Zylinder­ raum 206 mal die ihm zugewandte Stirnfläche des Aus­ gleichskolbens 213 wirkt so, daß das Ventil wieder schließt und der Ventilteller 208 fest gegen den Ventil­ sitz 207 gepreßt wird. Diese Bewegung wird ferner durch die Druckfeder 219, die Druckdifferenz zwischen beiden Stirnflächen des Ausgleichskolbens 213 und die Medium­ strömung unterstützt. Im wesentlichen geschieht das wie bei der Schließbewegung des bekannten Ventils gemäß der Kurve I in Fig. 1. Nach dem Schließen des erfindungsge­ mäßen Ventils sinkt der Druck im Ventilraum 202, und es stellen sich die gleichen Druckverhältnisse wieder ein wie vor dem Öffnen des Steuerventils 217.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 weist die umgekehrte Strömungsrichtung des Druckmediums als im Ventil nach Fig. 2 auf; sie wird nach dem Entlastungsprinzip betätigt.

Gemäß Fig. 3 ist im Gehäuse 301 ein Ventilraum 302 vorgesehen, in den ein Eintrittsstutzen 310 mündet. Vom Ventilraum 302 abgeschrimt ist ein vertikaler Zylinder 304 (in Fig. 3 nur teilweise gezeigt) vorhanden, in dem ein Servokolben 303 angeordnet ist, der den Zylinder in einen unteren Zylinderraum 305 und einen oberen Zylinder­ raum 306 unterteilt. Im Ventilraum 302 ist ein Ventiltel­ ler 308 untergebracht, der auf den Ventilsitz 307 wirkt und über eine Spindel 309 mit dem Kolben 303 koaxial verbunden ist. Auf der vom Ventilteller 308 abgewandten Seite des Ventilsitzes 307 befindet sich ein Austritts­ stutzen 311, der mit einer Druckmittelsenke verbunden ist.

Auch bei diesem Ventil schließt sich an den Ventilsitz 307 ein in den Austrittsstutzen ragender Ausgleichszylin­ der 314 an, in dem ein mit dem Ventilteller 308 über eine zweite Spindel 309′ koaxial verbundener Ausgleichskolben 313 geführt ist. Die einander zugewandten Stirnflächen des Ventiltellers 308 und des Ausgleichskolbens 313 sind dabei etwa gleich groß. Der Ausgleichszylinder 314 weist zwischen dem Ausgleichskolben 313 und dem Ventilteller 308 einen durchbohrten Bereich 315 auf, über den sein Inneres mit dem Austrittsstutzen 311 Verbindung hat. Eine Bohrung 312 verbindet das von der dem Ventilteller 308 abgewandte Ende des Ausgleichszylinders 314 mit dem Innern des Austrittsstutzens 311. Infolge einer trichter­ artigen Formgebung dieses Zylinderendes und der Anordnung der Bohrung 312 am tiefsten Punkt wird ein Abführen von etwaigem Kondensat begünstigt.

Die beiden Zylinderräume 305 und 306 sind über eine Drosselbohrung 303′ miteinander verbunden. Der obere Zylinderraum 306 ist über eine Entlastungsleitung 320 mit Steuerventil 317 mit einer Druckmittelsenke verbunden, die vorzugsweise die gleiche ist, mit der auch der Austrittsstutzen 311 verbunden ist. Der untere Zylinder­ raum 305 ist über eine Bohrung 305′ mit dem Innern des Eintrittsstutzens 310 verbunden. Durch die Bohrungen 303′ und 305′ kann ebenfalls etwaiges Kondensat aus dem Zylinder 304 abfließen.

Auch hier weist die dem Austrittsstutzen 311 zugewandte Stirnfläche des Ventiltellers 308 einen vom Ventilteller 308 aus sich verjüngenden, koaxialen Kegelstumpf 321 auf, der dem Ausgleich der Druckverteilung im Ventil beim Öffnen dient.

Eine im Zylinderraum 306 untergebrachte Druckfeder wirkt unterstützend auf die Schließbewegung des Ventiltellers 308, so daß bei Drucklosigkeit das Ventil geschlossen bleibt.

In der in Fig. 3 gezeigten Stellung befindet sich das Ventil in seiner Normalbetriebsstellung, d.h. es ist geschlossen. Dabei ist das Steuerventil 317 ebenfalls geschlossen. Über die Bohrung 305′ wird der untere Zylinderraum 305 mit dem Druck im Eintrittsstutzen 310 belastet. Der obere Zylinderraum 306 wird über die Drosselbohrung 303′ ebenfalls mit diesem Druck beauf­ schlagt. Beidseitig des Ausgleichskolbens 313 herrscht der gleiche niedrige Druck wie im Austrittsstutzen 311.

Durch Öffnen des Steuerventils 317 wird der Druck im oberen Zylinderraum 306 gesenkt. Wegen der Drosselstelle 303′ bleibt der hohe Druck im unteren Zylinderraum 305 erhalten. Im übrigen Ventil bleiben die Druckverhältnisse unverändert. Infolge der nun auf die beiden Stirnflächen des Kolbens 303 wirkenden Druckdifferenz bewegt sich dieser nach oben und hebt den Ventilteller 308 vom Ventilsitz 307 ab. Während dieser Bewegung wirkt der Ausgleichskolben 313 zusammen mit dem Ventilteller 308 auf die gleiche Weise wie der Ausgleichskolben 213 in Fig. 2 beim Öffnen des Ventils.

Ein Schließen des Ventils wird durch Schließen des Steuerventils 317 erreicht, wobei der Druck im oberen Zylinderraum 306 durch Druckmediumzufuhr über die Dros­ selbohrung 303′ wieder auf den Wert im Eintrittsstutzen 310 steigt. Bei Druckgleichheit in beiden Zylinderräumen 306 und 305 wirkt eine Kraft im schließenden Sinne auf den Kolben 303, dessen obere Stirnfläche größer ist als seine untere Stirnfläche. Auch die Druckfeder 319, die Mediumströmung und die Erdanziehungskraft unterstützen die Schließbewegung des Ventils. Bei geschlossenem Ventil stellen sich die gleichen Druckverhältnisse wieder ein wie diejenigen, die vor dem Öffnen des Steuerventils 317 vorhanden waren.

Gemäß Fig. 4 sind zwei voneinander unabhängige Ventile, nämlich ein Absperrventil mit einem gegen einen Ventil­ sitz 7 wirkenden Ventilteller 8 und ein koaxial dazu angeordnetes Sicherheitsventil mit einem gegen einen Ventilsitz 407 wirkenden Ventilteller 408 miteinander kombiniert. Beide Ventile können unabhängig voneinander betätigt werden. Ein gemeinsames Gehäuse 1 ist über einen Eintrittsstutzen 10 mit einer Druckmittelquelle und einen Austrittsstutzen 11 mit einer Druckmittelsenke verbunden. Das Absperrventil ist im Gehäuse 1 geführt, wobei der Ventilteller 8 über eine Spindel 9 mit einem Servokolben 3 verbunden ist, der in einem vom Gehäuse 1 definierten, vertikalen Zylinder 4 geführt ist. Der Kolben 3 teilt den Zylinder 4 in einen unteren Zylinderraum 5 und einen oberen Zylinderraum 6. Der obere Zylinderraum 6 ist über eine Entlastungsleitung 20, in der eine Drosselstelle 2 angeordnet ist, mit einer Druckmittelsenke verbunden, die z.B. die gleiche ist, mit der auch der Austrittsstutzen 11 verbunden ist. Ein Kanal 20′ mit einem Steuerventil 17 verbindet ferner die Entlastungsleitung 20 mit dem Innern des Eintrittsstutzens 10. Der Ventilteller 8, die Spindel 9 und der Kolben 3 bestehen aus einem Stück, das die beweglichen Teile des Sicherheitsventils enthält und führt. Das Sicherheitsventil ist ähnlich dem Ventil nach Fig. 2, wobei die sich entsprechenden Bestandteile beider Figuren mit dreistelligen Bezugszahlen bezeichnet sind, von denen die beiden letzten Stellen gleich sind und die zu Fig. 4 gehörenden Bezugszahlen mit der Ziffer 4 anfangen. Im Unterschied zu Fig. 2 wird jedoch das Sicherheitsventil nach Fig. 4 nach dem Entlastungsprinzip betätigt. Zu diesem Zweck steht der untere Zylinderraum 405 über eine Bohrung 420′′ in einer Verlängerung der Spindel 409 und über eine Verbindungskammer 420′ mit einer Sicherheitsentlastungsleitung 420 in Verbindung. Diese Leitung 420 ist wiederum mit einer Druckmittelsenke verbunden, vorzugsweise die gleiche wie die Entlastungs­ leitung 20, und weist ein Steuerventil 417 auf. Eine Leitung 50 verbindet den unteren Zylinderraum 5 des Absperrventils mit einer Druckmittelsenke, indem sie stromunterhalb des Steuerventils 417 in die Sicherheits­ entlastungsleitung 420 mündet. Der obere Zylinderraum 406 des Sicherheitsventils und der obere Zylinderraum 6 des Absperrventils gehen offen ineinander über. Eine Drossel­ bohrung 403′ verbindet die beiden Zylinderräume 406 und 405 des Sicherheitsventils miteinander.

Fig. 4 zeigt das Sicherheitsventil in seiner Normalbe­ triebsstellung, mit geschlossenem Steuerventil 417. Das Absperrventil dagegen hat die offene Stellung als Normal­ betriebsstellung, ist aber in der Fig. 4 anschaulich­ keitshalber geschlossen gezeigt, mit offenem Steuerventil 17. Dabei herrscht im Eintrittsstutzen 10 und in dem über den Kanal 20′ und die Entlastungsleitung 20 verbundenen oberen Zylinderraum 6 des Absperrventils sowie im oberen Zylinderraum 406 des Sicherheitsventils der gleich hohe Druck.

Auch im unteren Zylinderraum 405 des Sicherheitsventils, herrscht wegen der Bohrung 403′ derselbe hohe Druck. Infolge der größeren Stirnfläche des Servokolbens 3 im Bereich des oberen Zylinderraumes 6 und des unteren Zylinderraumes 405 gegenüber der dem Eintrittsstutzen 10 zugekehrten Stirnfläche des Absperr- und des Sicherheits­ ventils, bleibt das Absperrventil geschlossen. Im Aus­ gleichszylinder 414 herrscht dagegen der niedrige Druck des Austrittsstutzens 11 zwischen dem Ventilteller 408 und dem Ausgleichskolben 413, und der ebenfalls niedrige Druck in der Sicherheitsentlastungsleitung 420 herrscht in dem dem Ventilteller 408 abgewandten Ende des Aus­ gleichszylindders. Die Druckdifferenz über den beiden Stirnflächen des Ventiltellers 408 und die Druckfeder 419 halten das Sicherheitsventil also geschlossen. Der Kolben 403 bleibt dabei wirkungslos, da er beidseitig mit dem gleichen Druck beaufschlagt ist. Da die durch die Dros­ selstelle 2 des Kanals 20 durchsickernde Druckmittelmenge sehr gering ist und keine Drucksenkung in den stromauf­ wärts davon angeordneten Bereichen verursacht, bleibt diese Betriebsstellung beliebig lang bestehen.

Durch Schließen des Steuerventils 17 sinkt nun infolge Entweichens von Druckmedium über die Drosselstelle 2 der Druck im oberen Zylinderraum 6 des Absperrventils, im oberen Zylinderraum 406 des Sicherheitsventils und ebenfalls im unteren Zylinderraum 405 des Sicherheitsven­ tils. Dadurch überwiegt jetzt der hohe Druck im Eintrittsstutzen 10 und hebt den Ventilteller 8 des Absperrventils vom Ventilsitz 7 ab, das also öffnet. Dabei wird der durchbohrte Bereich 415 vom Gehäuse 1 überdeckt, so daß die Druckverhältnisse im Innern des Ausgleichszylinders 414 praktisch unverändert bleiben und das Sicherheitsventil dem Absperrventil nach oben folgt, aber nicht öffnet, d.h. sein Ventilteller 408 liegt dicht am Ventilsitz 407 an. Diese Betriebsstellung beider Ventile kann beliebig lang aufrechterhalten werden, da eine Rücksitzdichtfläche 100 des Ventiltellers 8 am Gehäuse 1 dicht anliegt und dadurch den niedrigen Druck im Bereich des Ausgleichszylinders 414 aufrechterhält.

Durch Öffnen des Steuerventils 17 werden die zuerst beschriebenen Druckverhältnisse wieder hergestellt, und das Absperrventil schließt wieder. Das Sicherheitsventil folgt dabei dem Absperrventil ohne Änderung seiner relativen Lage.

Anstelle der Drosselstelle 2 kann auch ein Ventil vorge­ sehen werden, um die ständige kleine Leckage bei ge­ schlossenem Absperrventil zu verhindern.

Zum Betätigen des Sicherheitsventils wird das Steuerven­ til 417 geöffnet, so daß der Druck im unteren Zylinder­ raum 405 über die Bohrung 420′′, die Verbindungskammer 420′ und die Sicherheitsentlastungsleitung 420 gesenkt wird. Dadurch bewegen sich der Kolben 403, die Spindel 409, der Ausgleichskolben 413 und der Ventilteller 408 nach unten und das Sicherheitsventil öffnet. Dabei verhält sich das Sicherheitsventil genau gleich wie dasjenige in Fig. 2. Durch Schließen des Steuerventils 417 werden die ursprünglichen Druckverhältnisse wieder hergestellt und das Sicherheitsventil schließt.

Als Steuerventile 217, 317, 417 und 17 werden vorzugswei­ se Magnetventile verwendet. Die Erfindung ist auch bei Ventilen mit horizontal beweglichem Ventilteller anwend­ bar.

Claims (6)

1. Druckmediumbetätigtes Ventil mit einem einen Ventilraum einschließenden Gehäuse, mit einem vom Ventilraum abgeschirmten und durch einen Servokolben in zwei Zylinderräume unterteilten Zylinder, mit einem gegen einen Ventilsitz wirkenden Ventilteller, der über eine Spindel mit dem Servokolben verbunden ist, wobei das Gehäuse auf der dem Ventilteller zugewandten Seite des Ventilsitzes über einen Eintrittsstutzen mit einer Druckmittelquelle und auf der dem Ventilteller abgewand­ ten Seite des Ventilsitzes über einen Austrittsstutzen mit einer Druckmittelsenke verbunden ist und wobei zum wahlweisen Beaufschlagen mindestens eines der beiden Zylinderräume mit verschiedenen Drücken Drucksteuermittel vorhanden sind, um den Ventilteller auf den Ventilsitz zu drücken oder von diesem wegzubewegen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich an den Ventilsitz auf seiner dem Ventilteller abgewandten Seite ein Ausgleichs­ zylinder anschließt, in dem ein mit dem Ventilteller koaxial verbundener Ausgleichskolben geführt ist, daß die einander zugewandten Stirnflächen des Ventiltellers und des Ausgleichskolbens im wesentlichen gleich groß sind und daß der zwischen dem Ausgleichskolben und dem Ventilteller angeordnete Raum des Ausgleichszylinders mit dem Austrittsstutzen verbunden ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Ventilteller abgewandte Ende des Ausgleichs­ zylinders mit einer Druckmittelsenke verbunden ist.

3. Ventil nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Austrittsstutzen zuge­ wandten Stirnfläche des Ventiltellers ein sich vom Ventilteller ausgehender, zum Ausgleichskolben hin verjüngender Kegelstumpf vorgesehen ist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sein beweglicher Teil im beweglichen Teil eines anderen druckmediumbetätigten Ventils angeord­ net ist.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Teile beider Ventile koaxial ange­ ordnet sind.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium das Eigenmedium des Ventils ist.