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Überdruckventil mit einem elastischen Ring als Stellfeder Die Erfindung
bezieht sich auf ein Überdruckventil, insbesondere für höhere Drücke, nämlich für
solche über 100 atü. Von dem einwandfreien Arbeiten solcher Ventile hängt auch der
Einsatz hydraulisch betätigter Ausbaumittel im Bergbau unter Tage ab. Der Erfinder
hat sich generell die Aufgabe gestellt, ein auch für diese Zwecke brauchbares Überdruckventil
zu schaffen, welches nach dem bekannten Prinzip arbeitet, daß das Verschlußstück
unter dem Einfluß einer ständig wirkenden Kraft steht und außerdem von zwei im entgegengesetzten
Sinne wirkenden Flächendrücken beeinflußt wird. Indem der zu steuernde Druck im
Schließsinne auf die kleinere, im Öffnungssinne auf die größere Fläche wirkt, steigt
naturgemäß der im Sinne einer Öffnung des Ventils wirkende Differenzdruck mit steigendem
Wert des zu steuernden Druckes an und öffnet dann, wenn er größer geworden ist als
die ständig wirkende Kraft, das Ventil so lange, bis durch Entweichen des Druckmittels
der Maximaldruck wieder unterschritten ist.
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Als ständig wirkende Kraft hat man bei solchen Überdruckventilen in
der Regel Federn benutzt, die unter dem Einfluß der auf sie einwirkenden Kräfte
leicht Alterungserscheinungen zeigen. Im übrigen bereitet bei hohen Drücken die
Abdichtung gegeneinander beweglicher metallischer Teile außerordentliche Schwierigkeiten.
Eine dieser Schwierigkeiten liegt darin, die abdichtenden Teile so genau zu bearbeiten
und bei der Herstellung des Ventils in eine solche Stellung zu bringen, daß die
aneinanderliegenden Flächen einen dichten Verschluß ergeben.
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Um die Schwierigkeiten der Abdichtung der beweglichen Teile bei einem
Ventil zu umgehen, hat man bereits ein Absperrventil entwickelt, bei dem zwischen
Ventilspindel und Ventilgehäuse ein aus einem elastischen Werkstoff bestehender,
der Abdichtung dienender Körper vorgesehen ist. Dieser elastische Körper ist im
wesentlichen ringförmig ausgebildet und einerseits an die Außenfläche der Spindel
sowie andererseits an die Innenwand des Ventilgehäuses oder an ein mit diesem verbundenes
Metallstück angeheftet. Bei diesem Ventil ist die Querschnittsfläche, die bei geschlossenem
Ventil dem Zuflußdruck ausgesetzt ist, verhältnismäßig klein bemessen, so daß der
elastische Körper nur eine kleine Gegenkraft aufzubringen hat, um das Ventil in
der Schließstellung zu halten. Nachdem sich das an der Ventilspindel befindliche
Verschlußstück von seinem Sitz abgehoben hat, ergibt sich für den Angriff des Druckmittels
eine größere wirksame Querschnittsfläche, so daß für das weitere Abheben des Verschlußstückes
eine größere Kraft im Öffnungssinne zur Verfügung steht. Dieser Öffnungskraft wirkt
lediglich ein mit fortschreitender Abhebung wachsender Widerstand des elastischen
Körpers entgegen, und zwar so lange, bis die Ventilspindel an einem Anschlag anliegt.
Das Schließen dieses Ventils erfolgt durch das Herunterdrücken einer Steuerstange,
die mittelbar oder unmittelbar auf die Ventilspindel einwirkt. Für hydraulisch betriebene
Grubenausbauelemente wäre dieses Ventil, das ohnehin kein reines Überdruckventil
darstellt, da zum Schließen eine zusätzliche Rückstellkraft erforderlich ist, wegen
der kleinen Ventilsitzfläche kaum geeignet, da bei den verhältnismäßig großen Drücken
bei kleineren Ventilflächen Auswaschungen an den Dichtungsflächen begünstigt werden.
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Es ist auch bereits ein Überdruckventil für hydraulisch betriebene
Hebe- und Stützvorrichtungen, insbesondere für hydraulische Grubenstempel, bekanntgeworden,
bei dem gleichfalls an Stelle einer Schließfeder ein elastischer Gummiring verwendet
wird. Bei diesem Ventil ist wiederum die Spindel mit einem Mantel aus Gummi umgeben,
der mit einer äußeren Metallbüchse einen einheitlichen Körper bildet. Die Metallbüchse
ist in ein Gehäuse dicht schließend eingesetzt und wird durch eine Kappe mit einem
Schraubengewinde im Gehäuse gehalten, wobei außerdem durch ein mehr oder weniger
starkes Andrehen der Kappe die Vorspannung des Gummimantels und damit der Schließdruck
eingestellt werden kann. Als Verschlußstück dient ein Ventilkegel, der am unteren
Ende der Spindel angeordnet ist. Durch einen Zuflußkanal gelangt das Druckmittel
in einen den Schaft des Ventilkegels umgebenden Raum, wobei als Angriffsfläche
für
den Flüssigkeitsdruck einerseits ein Teil des Ventilkegels selbst und andererseits
ein darüberliegender Ringansatz dient. Überschreitet der Flüssigkeitsdruck einen
vorgegebenen Grenzwert, so hebt sich der Ventilkegel von seinem Sitz ab, und die
Flüssigkeit kann durch den frei werdenden Ringspalt in den Abflußkanal entweichen.
Auch dieses überdruckventil hat eine verhältnismäßig kleine Ventilsitzfläche, was
im Hinblick auf die bei diesen Ventilen befürchteten Auswaschungen unvorteilhaft
ist, und der Schließdruck wird ausschließlich durch den elastischen Gummimantel
aufgebracht. Darüber hinaus ist bei diesem vorbekannten Überdruckventil das Problem
der Abdichtung der beweglichen Ventilspindel ebensowenig gelöst wie bei einem Ventil
mit einer Ventilfeder, da die den Gummimantel umgebende Metallbüchse nicht fest
mit dem Ventilgehäuse verbunden, sondern lose in eine Öffnung eingesetzt ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die spezielle Aufgabe zugrunde,
bei einem Überdruckventil, insbesondere für hohe Drücke, bei dem zwischen dem Ventilgehäuse
und dem beweglichen Ventilschaft ein elastischer Ring druckdicht befestigt ist,
einerseits die Zahl der beweglichen Teile innerhalb eines solchen Überdruckventils
möglichst gering zu halten und andererseits das Ventil derart aufzubauen, daß sich
unter dem Einfluß des herrschenden Schließdruckes die Ventilteile automatisch mit
Bezug auf den Ventilsitz zentrieren. Außerdem befaßt sich die Erfindung mit einer
Verbesserung der Abdichtung des an sich bekannten elastischen Ringes im Ventilgehäuse,
der den Ventilschaft umschließt und ihn in Schließrichtung beaufschlagt.
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Die Verwirklichung des gestellten Zieles wird dadurch erreicht, daß
die Innenwand des Ventilgehäuses und der daran anliegende elastische Ring sich in
Richtung der Öffnungsbewegung konisch verjüngen und die dem Ventilsitz abgekehrte
kleinere Stirnfläche des Ringes vom Zuflußdruck beaufschlagt ist. Nach einem weiteren
Merkmal ist an der erweiterten Seite des Ventilgehäuse eine in dieses einsetzbare,
den Ventilsitz enthaltende Abschlußplatte vorgesehen, die in der Gebrauchslage den
elastischen Ring unter einer Vorspannung hält, die dem Schließdruck des Verschlußstückes
entspricht. Die Schließflächen des Verschlußstückes und des Ventilsitzes umgeben
einen in dem Verschlußstück oder in der Abschlußplatte oder in beiden ausgesparten
Hohlraum, der mit dem zu überwachenden Druckmittelraum in Verbindung steht, während
der das Verschlußstück umgebende Raum druckentlastet ist. Hohlräume in Verschlußstücken,
in denen mit einem Gegenstück ein Druckaufbau vor dem Abblasen erfolgt, sind bei
Sicherheitsventilen im wesentlichen bekannt.
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Die Verbindung des elastischen Ringes - mit seiner inneren Mantelfläche
am Ventilschaft, mit seiner äußeren Mantelfläche an der Innenwand des Ventilgehäuses
--- erfolgt zweckmäßigerweise bei einem gummiähnlichen Werkstoff durch Aufvulkanisieren,
bei dafür geeigneten Kunststoffen durch Kleben od. dgl. Da der elastische Ring mit
Hilfe der einschraubbaren Abschlußplatte auf eine dem Schließdruck entsprechende
Vorspannung gebracht wird, kann aber auch infolge der konischen Ausbildung der Innenwand
des Ventilgehäuses auf eine Befestigung des Ringes verzichtet werden, weil durch
die Einpressung des elastischen Ringes bereits eine zuverlässige Abdichtung eintritt.
Diese Dichtmaßnahme als solche ist an sich nicht neu. Die konische Ausbildung des
Ventilgehäuses bringt darüber hinaus den Vorteil einer selbsttätigen Zentrierung
des Verschlußstückes mit Bezug auf den Ventilsitz mit sich.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der Druckmittelraum und
der von den Schließflächen des Verschlußstückes und des Ventilsitzes eingeschlossene
Hohlraum durch eine den Ventilschaft durchsetzende Bohrung verbunden, wobei die
Bohrung vor ihrer Einmündung in den Hohlraum eine einen Druckstau des hindurchströmenden
Mittels bewirkende Verengung aufweist. Diese Verengung spielt in Verbindung mit
den übrigen Merkmalen des überdruckventils für das rasche Schließen nach dem Ansprechen
eine besondere Rolle. Wenn der Druck in dem zu überwachenden Druckraum einen vorgegebenen
Grenzwert überschreitet und das Verschlußstück vom Ventilsitz abgehoben wird, tritt
ein Druckmittelfluß durch die Bohrung in den Hohlraum und von dort in den das Verschlußstück
umgebenden druckentlasteten Raum ein. Die strömende Druckflüssigkeit erfährt in
der Verengung einen Druckstau, der einen Gegendruck im Sinne einer Schließbewegung
des Verschlußstückes hervorruft und dadurch nach dem Unterschreiten des vorgegebenen
Grenzwertes die Rückführung des Verschlußstückes in die Schließlage beschleunigt.
Verengungen in Zuleitungen werden bei Sicherheitsventilen zum Beschleunigen des
Schließvorganges an sich bereits benutzt.
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Für die in den Unteransprüchen behandelten Merkmale und für die Einzelheiten
des beschriebenen Ausführungsbeispiels wird nur in Verbindung mit dem Gegenstand
des Hauptanspruches Schutz begehrt.
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Die Erfindung wird an Hand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbesipiels
näher erläutert. Es zeigt Abb. 1 ein Überdruckventil gemäß der Erfindung in einem
Längsschnitt, und zwar in einem Zustand, bei dem die Abschlußplatte, die an der
erweiterten Seite in das Ventilgehäuse eingeschraubt wird, noch nicht eingesetzt
ist, Abb. 2 das Überdruckventil nach Abb. 1 mit eingesetzter Abschlußplatte in der
Schließstellung und Abb. 3 das Überdruckventil nach Abb.2 in geöffneter Stellung.
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Das Gehäuse 10 des Ventils besteht aus einem zylindrischen Teil und
einem kegehnantelstumpfförmigen Teil mit einem Ansatzstück 11. Das Verschlußstück
12 hat die Form eines flachen Topfes mit einem Rand 21. Der Ventilschaft 13 ist
fest mit dem elastischen Ring 14 verbunden, der auf seiner Außenseite mit der Innenwand
des Gehäuses fest verbunden ist, und zwar in derjenigen Stellung, die in Abb. 1
dargestellt ist.
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Der Ventilsitz wird gebildet durch den Kopf 16 der Abschlußplatte
15. Diese Platte ist in Abb. 1 noch außerhalb des Gehäuses befindlich dargestellt.
Wenn die Platte ebenso wie das Ende der Innenwand des Gehäuses einen kreisförmigen
Querschnitt hat, so kann sie mit Gewinde in das Gehäuse eingesetzt werden. Einschraubabschlußplatten
dieser Art sind an sich bekannt. Beim Einsetzen stößt der vorstehende Rand 22 des
Ventilsitzes gegen den vorstehenden Rand 21 des Verschlußstückes, während sich dieser
in der in Abb. 1 gezeigten Stellung befindet. Beim weiteren Einschrauben der Abschlußplatte
15 wird dann das Verschlußstück 12 mit dem Ventilschaft 13 zurückgedrückt, und dadurch
wird der elastische
Ring 14 gespannt und nimmt schließlich diejenige
Lage ein, die aus Abb. 2 erkennbar ist.
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In dieser Form ist das Überdruckventil betriebsbereit. Der innerhalb
der Ränder 21 und 22 des Verschlußstückes bzw. Ventilsitzes liegende Hohlraum 20
ist über die den Schaft 13 durchsetzende Bohrung 18 mit dem Raum 25 verbunden, und
dieser steht über die Bohrung 26 des Ansatzstückes 11 mit dem Raum in Verbindung,
dessen Druck gesteuert werden soll. Der das Verschlußstück umgebende Raum 24 ist
über die in der Platte 15 vorgesehenen Querbohrungen 17 und die Auslaßbohrung 23
mit der Außenluft verbunden. Der Druck des Druckraumes 25 wirkt auf das hintere
Ende des Schaftes und die Rückenfläche des elastischen Ringes (Fläche Q 1) entsprechend
den in Abb. 2 eingezeichneten Pfeilen im Schließsinne des Ventils. Der gleiche Druck
herrscht, solange das Ventil geschlossen ist, auch im Hohlraum 20. Er wirkt hier
auf den Boden des topfartigen Verschlußstückes (Fläche Q 2) im Sinne der in Abb.
2 eingetragenen Pfeile. Die Gleichgewichtsbedingung, bei der das Ventil gerade noch
geschlossen ist, ergibt sich dann, wenn mit p der zu steuernde Druck und mit F die
im Schließsinne wirkende Kraft des elastischen Ringes bezeichnet ist, zu (Q2-Q1)
p =F.
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Ist der Wert von p kleiner, so bleibt das Ventil geschlossen. Steigt
der Wert von p, so hebt sich das Verschlußstück 12 ab, wie dies Abb. 3 zeigt. Dabei
strömt das Druckmittel über die Bohrung 26, den Raum 25 und die Bohrung 18, den
geöffneten Hohlraum 20 in den Raum 24. Die Bohrung 18 hat vor ihrem Austritt in
den Hohlraum 20 eine Verengung 19, die einen Druckstau des bei geöffnetem
überdruckventil ausströmenden Mittels bewirkt.