DE19706057C2 - Druckregelventil, insbesondere Thermodruckregelventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckregelventil, insbesondere ein Thermodruckregelventil, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Allgemein steuert ein Druckregelventil entsprechend einem einstellbaren Sollwert einen Druck aus. Dazu wird ein permanenter Vergleich zwischen dem eingestellten Sollwert und einem herrschenden Istwert des Druckes durchgeführt. Der Regler generiert in Ergebnis des Vergleiches Stellsignale, die ein Stellglied umsetzt, um den vorgegebenen Druck zu erreichen.

Ein Druckregelventil der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus dem Produktkatalog "Know-how in Pneumatik" (11/93, Seite 7.027) der Firma Mannesmann Rexroth Pneumatik GmbH bekannt. Hierbei handelt es sich um ein elektropneumatisches Druckregelventil, das ausgehend von einem über einen Sensor ermittelten Istdruckwert in der Arbeitsleitung und einem einstellbaren Solldruckwert mittels einer elektronischen Schaltung als Regler elektrische Stellsignale erzeugt, die von einem Proportionalelektromagneten als Stellantrieb in Positionsänderungen eines Stößels umgewandelt werden. Der Stößel bedient die Ventileinrichtung - bestehend aus Entlüftungsventil und Belüftungsventil - zur Einstellung des gewünschten Solldruckes in der Arbeitsleitung.

Dieses bekannte elektropneumatische Druckregelventil verwendet zur Umsetzung der Reglerfunktion elektrische und elektronische Mittel in Form des Proportionalelektromagneten bzw. einer elektronischen Schaltung.

In bestimmten Einsatzfällen ist es nachteilig - beispielsweise bei einer hohen Umgebungstemperatur - die Realisierung der Reglerfunktion über elektrische und elektronische Mittel vorzunehmen. Hierbei ist einer rein mechanischen Lösung der Vorzug zu geben.

Eine derartige rein mechanische Lösung einer Druckregelung ist aus der Druckschrift EP 02 74 408 bekannt. Hier wird ein Druckregelventil vorgeschlagen, das über den Sollwert, der einer Temperatur entspricht, ein Ventil ansteuert, indem ein Flüssigkeitsstrom durch einen Spalt entsprechend dem Sollwert reguliert wird. Dafür wird von einem Temperaturfühler in Form eines Dehnstoffelementes über eine Feder eine temperaturabhängige Druckkraft erzeugt. Das Ventil enthält ein bewegliches Steuerelement, das in eine Richtung durch die temperaturabhängige Druckkraft und in der entgegengesetzten Richtung durch den Flüssigkeitsdruck betätigt wird, der durch eine Pumpe erzeugt wird. Dabei führt ein Abfallen der abgetasteten Temperatur dazu, daß sich das Ventil so einreguliert, daß sich der Spalt verkleinert und insoweit die Flüssigkeitsmenge, die pro Zeiteinheit durch den Spalt fließen kann, verringert. In Ergebnis dessen wird durch diese Drosselwirkung der Druck abgesenkt. Der ausgesteuerte Druck steht also in einer proportionalen Abhängigkeit zur gemessenen Temperatur. Da die Druckregelung hier über die Drosselung eines Druckmittelstromes realisiert wird, funktioniert diese rein mechanische Lösung nur unter Benutzung eines Druckmittelkreislaufes. Dies hat den Nachteil, daß geeignete Mittel zur Ermöglichung eines Druckmittelkreislaufes vorzusehen sind, was den Aufwand erheblich erhöht. Weiterhin können kleine Leckagen im Druckmittelkreislauf die Druckregelung negativ beeinflussen, so daß eine Temperaturänderung nicht mehr in einen gleichsam sich ändernden Druck ausgeregelt werden kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Druckregelventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das unter Verzicht auf jegliche elektrische und elektronische Mittel und unter Umgehung eines Druckmittelkreislaufes einen Druck entsprechend einem einstellbaren Sollwert liefert.

Die Aufgabe wird, ausgehend von einem Druckregelventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 aufgeführt.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, für die Regelung eines Druckregelventils einen Regelkolben vorzusehen, der im Inneren des Ventilkörpers in einem Zylinderraum beweglich angeordnet ist. Der Regelkolben unterteilt den Zylinderraum somit in zwei Kammern. Stirnflächenseitig am Regelkolben sind zwei gegenläufig und in Bewegungsrichtung des Kolbens wirkende Federn angeordnet. Zusätzlich zu diesen gegenläufig wirkenden Federkräften wirkt auf eine Stirnfläche des Kolbens eine Kraft, die aus dem Druck der Arbeitsleitung resultiert. Da der bewegliche Regelkolben bestrebt ist, ein Kräftegleichgewicht zwischen den auf ihn wirkenden Kräften herzustellen, legt dieser einen Weg zurück. Wird dieser Weg in die Richtung zurückgelegt, in die auch die Kraft, die aus der Arbeitsleitung stammt wirkt, so wird ein Entlüftungsventil geöffnet, bis der Druck der Arbeitsleitung so weit abgefallen ist, daß sich die Kraft auf den Regelkolben, resultierend aus dem Druck der Arbeitsleitung, verringert. Infolge dessen bewegt sich der Regelkolben wieder in die andere Richtung, so daß das Entlüftungsventil wieder schließt und die Regelabschlußstellung durch ein Kräftegleichgewicht zwischen den gegenläufig wirkenden Federn und dem Druck der Arbeitsleitung erreicht ist.

Der auszuregelnde Druckwert wird durch die Stellung eines Stößels, der eine der beiden Federn auf der dem Kolben abgewandten Seite beaufschlagt, eingestellt. Dieser Stößel dient insoweit als Sollwertgeber. Fährt dieser aus, d. h. ändert sich der Sollwert, so wird eine der beiden Federn beaufschlagt. In Ergebnis dessen wird das herrschende Kräftegleichgewicht zwischen den beiden Federn aufgehoben. Dies drückt sich in einem Weg aus, den der Regelkolben zurücklegt. Damit wird die Ventileinrichtung bedient. Das erfindungsgemäße Druckregelventil ermöglicht insgeamt eine rein durch mechanische Mittel realisierte Druckregelung, bei der ein Druckmittelkreislauf nicht vorzusehen ist.

Die Wirkung der Erhöhung des Sollwertes auf den auszusteuernden Druck kann durch die Konstruktion der Ventileinrichtung bestimmt werden. Zum einen ist es möglich, eine proportionale Abhängigkeit zwischen eingestelltem Sollwert und auszuregelndem Druck zu erzeugen. Damit führt eine Sollwerterhöhung gleichsam zu einer Druckerhöhung. Dies wird konstruktiv im wesentlichen dadurch umgesetzt, indem die Bewegung des Regelkolbens infolge Sollwerterhöhung zu einer Betätigung des Belüftungsventils führt.

Zum anderen ist auch die Umsetzung einer umgekehrt proportionalen Abhängigkeit zwischen eingestelltem Sollwert und auszuregelndem Druck denkbar. Damit führt eine Sollwerterhöhung zu einer entsprechenden Absenkung des Druckes in der Arbeitsleitung. Dieses umgekehrt proportionale Sollwert-Druck-Verhalten kommt insbesondere bei der Einbindung eines derartigen Druckregelventils in druckmittelgesteuerte Einrichtungen zur Anwendung, die eine sogenannte Fail-Safe- Function bei ihrer Steuerung verwenden. Eine Fail-Safe-Function verhindert einen Folgeschaden an der Einrichtung infolge eines Druckausfalls, welcher beispielsweise beim Bruch der Arbeitsleitung entstehen würde.

Als Sollwertgeber eignet sich jedes mechanische Stellelement, das eine Längenänderung bewirkt, wie beispielsweise Stellschrauben, Kolben-Zylinder- Anordnungen, Nocken-Hebel-Anordnungen. Insbesondere eignet sich als Sollwertgeber ein Dehnstoffelement. Dieses setzt eine Temperaturänderung in eine Längenänderung um. Somit kann bei Verwendung eines Dehnstoffelementes als Sollwertgeber das Druckregelventil vorteilhaft als Thermodruckregelventil eingesetzt werden.

Die Ventileinrichtung des Druckregelventils, bestehend aus Belüftungs- und Entlüftungsventil und ist in vorteilhafter Weise als 3/3-Wege-Ventil ausgeführt. Somit werden die Anschlüsse für die Druckmittelzufuhr und die Entlüftung der Arbeitsleitung über die drei Schaltstellungen Belüftungsstellung, Nullstellung und Entlüftungsstellung angesteuert.

Zur Kalibrierung des Druckregelventils, d. h. zur Einstellung des Arbeitsdruckes, bei dem das Ventil die Regelabschlußstellung (Nullstellung) erreicht, ist es vorgesehen, über die Einpreßtiefe eines Verschlußstückes eine der beiden Federn vorzuspannen. Dies hat den Vorteil, daß mit einem einmaligen Kalibriervorgang der Arbeitsdruck des Ventils genau und dauerhaft eingestellt werden kann. Ebenso ist es auch denkbar, an dieser Stelle eine Stellschraube oder dergleichen vorzusehen.

Als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es weiterhin vorgesehen, die Entlüftungsöffnung im Ventilkörper mit einem gummiartigen Element abzudecken, so daß unter Gewährleistung der Entlüftungsfunktion ein Eindringen von Fremdkörpern in das Innere des Ventils verhindert wird.

Das Ventil weist vorzugsweise eine zylinderartige Gestalt auf. Es kann somit in einfacher Weise zum Einschrauben mit einem Außengewinde ausgestattet werden, um die Montage am Einsatzort zu erleichtern. Zur Sicherung ist eine Kontermutter vorsehbar.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorderansicht des Druckregelventils in Schnittdarstellung,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Druckregelventils in Schnittdarstellung und

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Druckregelventils.

In der Schnittdarstellung nach Fig. 1 ist der zylinderartige Ventilkörper 4 mit daran stirnseitig angeordnetem Dehnstoffelement 1 dargestellt. Damit bildet diese Kombination ein Thermodruckregelventil. Das Thermodruckregelventil ist - wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht - mit einem Außengewinde 16 mit Kontermutter 15 versehen. Am Ventilkörper 4 sind die aus Fig. 2 ersichtlichen Anschlüsse für die Druckmittelspeisung 13 und für die Arbeitsleitung 14 angeordnet. Die Entlüftungsöffnung 20 befindet sich auf der dem Dehnstoffelement 1 abgewandten Stirnseite des Ventilkörpers 4. Die pilsförmige, gummiartige Verschlußkappe 18 der Entlüftungsöffnung 20 verhindert ein Eindringen von Fremdkörpern in das Innere des Ventils unter Gewährleistung der Entlüftungsfunktion. Das Dehnstoffelement 1 ist über die Einsatzbuchse 21 mit dem Ventilkörper 4 verbunden. Zwischen der Einsatzbuchse 21 und dem Ventilkörper 4 ist eine Dichtung 23 angeordnet. Der Dehnstoffkolben 2 des Dehnstoffelementes 1 wirkt über die Federführung 22 auf die Feder 3. Zwischen der Feder 3 und der entgegengesetzt wirkenden Feder 9 wird der Regelkolben 7 gehalten. Der Regelkolben 7 ist in einem zylinderförmigen Abschnitt des Ventilkörpers 4 durch seine spezielle Formgebung geführt. Der Dichtring 17 unterteilt den zylinderförmigen Abschnitt des Ventilkörpers 4 in eine Entlüftungskammer 12 und eine Arbeitskammer 11. Dabei ist die Entlüftungskammer 12 mit der Entlüftungsöffnung 20 verbunden. Die Arbeitskammer 11 ist mit dem Anschluß für die Arbeitsleitung 14 verbunden. Der Druckmittelanschluß 13 führt zur Druckkammer 8. Diese befindet sich im Inneren der ortsfest gegenüber dem Ventilkörper 4 angeordneten Einsatzhülse 24, die mit dem Deckel 25 über den Dichtring 27 verschlossen ist. Am Deckel 25 ist ein Ventilsitz angeformt. Dieser bildet gemeinsam mit dem einen Ende des als Ventilteller ausgeformten Stößels 10 das Belüftungsventil 5. Das Belüftungsventil 5 steuert die Druckmittelzufuhr von der Druckmittelkammer 8 zur Arbeitskammer 11. Am anderen Ende des Stößels 10 ist ebenfalls ein Ventilteller angeformt, der auf einen den Regelkolben 7 durchbrechenden Ventilsitz des Entlüftungsventils 6 wirkt. Das Entlüftungsventil 6 steuert die Druckmittelzufuhr von der Arbeitskammer 11 zur Entlüftungskammer 12. Der Stößel 10 ist mit einer Druckfeder 26 versehen, damit dieser stets in eine definierte Ausgangslage zurückgeführt wird.

In dieser Konstruktionsvariante der Ventileinrichtung steuert das Thermodruckregelventil entsprechend einer Temperaturänderung eine umgekehrt proportionale Druckänderung aus. Das Funktionsprinzip des umgekehrt proportional arbeitenden Thermodruckregelventils läßt sich wie folgt beschreiben:

In der druckmittellosen Ausgangsstellung - wenn kein Druckmittel am Druckmittelanschluß 13 ansteht - wird der Regelkolben 7 über die Druckfeder 3 in deren Wirkungsrichtung bewegt. Hierbei öffnet das Belüftungsventil 5 über den Stößel 10, so daß die Druckmittelkammer 8 mit der Arbeitskammer 11 in Verbindung steht. Liegt nun ein Druck am Druckmittelanschluß 13 an, strömt Druckmittel von der Druckmittelkammer 8 in die Arbeitskammer 11. Durch den damit steigenden Druck in der Arbeitskammer 11 bewegt sich der Regelkolben 7 in Wirkrichtung der Druckfeder 3. In Ergebnis dessen schließt bei einem bestimmten Druck das Belüftungsventil 5 die Druckmittelkammer 8 von der Arbeitskammer 11 ab. Der Druck in der Arbeitskammer 11 bzw. am Arbeitsleitungsanschluß 14 steigt nicht weiter an. Damit ist die Regelabschlußstellung erreicht. Die Kraft, die ausgehend von der Feder 9 auf die eine Stirnfläche des Regelkolbens 7 wirkt, steht im Gleichgewicht zu der Kraft, die auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Regelkolbens 7 durch die Kraft der Feder 3 und die Kraft, resultierend aus dem Druck in der Arbeitskammer 11.

Wird nun das Dehnstoffelement 1 erwärmt, bewegt sich der Dehnstoffkolben 2 und drückt über die Federführung 22 auf die Feder 3. Die Feder 3 wirkt auf den Regelkolben 7. Der Regelkolben 7 bewegt sich aufgrund dieser Krafterhöhung in die Wirkrichtung der Feder 3. Infolgedessen öffnet der Stößel 10 die Verbindung zwischen der Arbeitskammer 11 und der Entlüftungskammer 12. Die Entlüftungskammer 12 ist über die Entlüftungsöffnung 20 mit der Atmosphäre verbunden. Damit wird entsprechend einer Temperaturerhöhung der Druck in der Arbeitsleitung abgesenkt.

Wird die Temperatur am Dehnstoffelement 1 konstant gehalten, bleibt der Dehnstoffkolben 2 stehen. Die Federkraft der Feder 3 ändert sich nicht mehr. Der Druck in der Arbeitskammer 11 sinkt nun soweit ab, bis die Kraft, ausgeübt von der Feder 9, überwiegt. Der Regelkolben 7 bewegt sich infolgedessen in die entgegengesetzte Richtung und schließt damit das Entlüftungsventil 6. Die Verbindung zwischen der Arbeitskammer 11 und der Entlüftungskammer 12 ist damit wieder unterbrochen. Es liegt erneut eine Regelabschlußstellung vor.

Sinkt die Temperatur am Dehnstoffelement 1, fährt der Dehnstoffkolben 2 ein und somit bewegt sich der Regelkolben 7 in die Wirkrichtung der Druckfeder 9, so daß das Belüftungsventil 5 öffnet. Damit ist eine Verbindung zwischen der Druckmittelkammer 8 und der Arbeitskammer 11 hergestellt. Dies führt zum Ansteigen des Druckes in der Arbeitskammer 11 und somit auch in der Arbeitsleitung. Ein Absenken der Temperatur führt also zu einem entsprechend ansteigenden Druck in der Arbeitsleitung.

Zusammenfassend sei festgehalten, daß das Thermodruckregelventil entsprechend einer am Dehnstoffelement gemessenen Temperatur einen einer Kennlinie entsprechenden Druck aussteuert. Dabei kann diese Kennlinie sowohl einen funktional proportionalen Zusammenhang zwischen Temperatur und Druck als auch einen funktional umgekehrt proportionalen Zusammenhang zwischen Temperatur und Druck beschreiben. Die durch die Temperaturänderung hervorgerufene Längenänderung des Dehnstoffelementes bedient über einen Regelkolben eine Ventileinrichtung, so daß die Arbeitsleitung be- oder entlüftet wird. Die daraus resultierende Druckänderung wird auf den Kolben zurückgeführt und nach Erreichen des Kräftegleichgewichts schließt die Ventileinrichtung.

Claims (8)

1. Druckregelventil, insbesondere Thermodruckregelventil, mit einem Ventilkörper, der einen Druckmittelanschluß (13), einen Anschluß für eine Arbeitsleitung, eine Entlüftungsöffnung für die Entlüftung der Arbeitsleitung, sowie eine Ventilanordnung aufweist, die über eine Regelung ansteuerbar ist, die von einem Sollwertgeber beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Regelung einen Regelkolben (7) aufweist, der in einem Zylinderraum des Ventilkörpers (4) geführt und gegenüber diesem über einen Dichtring (17) abgedichtet ist,
dass der Dichtring (17) den Zylinderraum in eine Entlüftungskammer (12) und eine Arbeitskammer (11) unterteilt, wobei die Arbeitskammer (11) mit der Arbeitsleitung (14) und die Entlüftungskammer (12) mit der Entlüftungsöffnung (20) verbunden ist,
dass der Regelkolben (7) von zwei gegenläufig und in Achsrichtung des Regelkolbens (7) wirkenden Federn (3, 9) beaufschlagt ist, dass der Regelkolben (7) über das Kräfteverhältnis des auf einer Kolbenfläche des Regelkolbens (7) anstehenden Druckes der Arbeitsleitung (14) über die Arbeitskammer (11) und der in derselben Richtung wirkenden Kraft einer der beiden Federn (3) gegen die Kraft der zweiten Feder (9) bewegbar ist, dass die Kraft einer der beiden Federn (3, 9) über den Sollwertgeber beeinflußbar ist,
dass die Ventilanordnung aus einem Belüftungsventil (5) und einem Entlüftungsventil (6) besteht, die über einen gemeinsamen Stößel (10) mit Druckfeder (26) duch die Bewegung des Regelkolbens (7) abwechselnd betätigbar sind, dass die beiden Enden des Stößels (10) als Ventilteller ausgebildet sind, dass der Sitz des Belüftungsventils (5) an einem Deckel (25) angeordnet ist, der mit einer Einsatzhülse (24) dichtend verbunden ist, dass die Einsatzhülse (24) ortsfest gegenüber dem Ventilkörper (4) angeordnet ist,
dass das Innere der Einsatzhülse (24) als eine mit dem Druckmittelanschluß (13) verbundene Druckmittelkammer (8) ausgebildet ist, dass die Druckmittelkammer (8) über das Belüftungsventil (5) mit der Arbeitskammer (11) verbindbar ist,
dass der Sitz des Entlüftungsventils (6) am Regelkolben (7) vorgesehen ist, und dass die Entlüftungskammer (12) über das Entlüftungsventil (6) mit der Arbeitskammer (11) verbindbar ist.

2. Druckregelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwertgeber ein mechanisches Stellelement ist.

3. Druckregelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwertgeber ein Dehnstoffelement (1) ist.

4. Druckregelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (25) gegenüber der Einsatzhülse (24) mittels einem Dichtring (27) abgedichtet ist.

5. Druckregelventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnstoffelement (1) über einen Dehnstoffkolben (2) auf die Feder (3) wirkt.

6. Druckregelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung über die Einpreßtiefe eines Verschlußstückes (19) kalibrierbar ist und dass das Verschlußstück (19) die nicht vom Sollwertgeber beaufschlagte Feder vorspannt.

7. Druckregelventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsöffnung (20) am Verschlußstück (19) angeordnet ist und mit einer elastischen Verschlußkappe (18) versehen ist.

8. Druckregelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (4) ein Außengewinde aufweist, auf das eine Kontermutter (15) aufschraubbar ist.