DE19857177A1 - Nadelventil - Google Patents

Abstract

Bei einem Nadelventil zur Steuerung von Hochdruckleitungen mit einem Druckraum (16), der Anschlüsse (11, 12) für eine zugeordnete Hochdruckleitung (2) aufweist, wobei einem Anschluss (12) ein Ventilsitz (13) zugeordnet ist, mit dem eine in axialer Richtung bewegbare, mittels einer Betätigungseinrichtung betätigbare Ventilfeder (14) zusammenwirkt, lassen sich dadurch eine verschleißarme Betriebsweise und hohe Genauigkeit erreichen, dass der Druckraum (16) durch einen den Ventilsitz (13) enthaltenden Ventilkörper (10) und ein an diesen anschließendes, rückwärtig verschlossenes Hüllrohr (15) begrenzt ist, an dem die Ventilnadel (14) festgelegt ist und das mittels einer zugeordneten, äußeren Betätigungseinrichtung entgegen seiner Eigenelastizität längbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Nadelventil zur Steuerung von Hochdruckleitungen, mit einem Druckraum, der Anschlüsse für eine zugeordnete Hochdruckleitung aufweist, wobei einem Anschluss ein Ventilsitz zugeordnet ist, mit dem eine in axialer Richtung bewegbare, mittels einer Betätigungseinrichtung betätigbare Ventilnadel zusammenwirkt.

Bei den gebräuchlichen Anordnungen dieser Art ist die Ventilnadel aus dem Druckraum herausgeführt und am äußeren Ende mit einer Betätigungseinrichtung verbunden. Hierbei sind daher mit der bewegbaren Ventilnadel zusammenwirkende Dichteinrichtungen erforderlich, um den Druckraum gegenüber der Atmosphäre abzudichten. Zu diesem Zweck finden bisher sogenannte Stopfbuchsendichtungen Verwendung. Diese sind jedoch insbesondere bei zur Anwendung kommenden hohen Drücken sehr verschleißanfällig, was zu Undichtheiten und dementsprechend zu Leckverlusten und entsprechenden Druckverlusten führt. Die bekannten Anordnungen erfordern daher einen hohen Wartungs- und Instandhaltungsaufwand und führen bei ihrer Verwendung im Zusammenhang mit Messeinrichtungen bzw. Justiereinrichtungen zu hohen Ungenauigkeiten.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung der eingangs geschilderten Nachteile ein Nadelventil eingangs erwähnter Art zu schaffen, das ohne dynamische Dichtungen, wie Stopfbuchsendichtungen, auskommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Druckraum durch einen den Ventilsitz enthaltenden Ventilkörper und ein an diesen anschließendes, rückwärtig verschlossenes Füllrohr begrenzt ist, an dem die Ventilnadel festgelegt ist und das mittels einer zugeordneten, äußeren Betätigungseinrichtung entgegen seiner Eigenelastizität längbar ist.

Das die Ventilnadel tragende Hüllrohr wirkt hierbei in vorteilhafter Weise gleichzeitig als Ventilfeder und als Kraftübertragungselement zwischen Betätigungseinrichtung und Ventilnadel. Diese muss daher in vorteilhafter Weise nicht aus dem Hüllrohr herausragen und führt gegenüber dem Hüllrohr abgesehen vom Dehnungsausgleich auch keine Relativbewegung aus. Eine dynamische Dichtung in Form einer Stopfbuchsendichtung etc. ist daher in vorteilhafter Weise nicht erforderlich. Vielmehr ergibt sich in vorteilhafter Weise eine praktisch vollständige Kapselung der Ventilnadel. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleisten daher in vorteilhafter Weise einen höchst verschleißarmen und damit praktisch wartungsfreien Betrieb, womit über einen langen Zeitraum hinweg eine hohe Genauigkeit sichergestellt ist. Gleichzeitig ergibt sich infolge der vollständigen Kapselung der Ventilnadel auch eine höchst einfache und kostengünstige Bauweise. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden daher die Nachteile der bekannten Anordnungen vollständig beseitigt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann das Hüllrohr zweckmäßig einteilig mit dem Ventilkörper ausgebildet sein. Dies ergibt eine sehr kompakte und für hohe Beanspruchungen gut geeignete Bauweise.

Vorteilhaft kann die Ventilnadel verstellbar am rückwärtigen Bereich des Hüllrohrs befestigt sein. Dies ermöglicht eine Einstellung der zur Wirkung kommenden Schließkräfte.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass die Betätigungseinrichtung wenigstens einen mit einem Druckmittel beaufschlagbaren, das Hüllrohr umfassenden Balgzylinder aufweist, der einerseits am Ventilkörper und andererseits an einem rückwärtigen Flansch des Hüllrohrs abgestützt ist. Dies ergibt in vorteilhafter Weise eine konzentrische Anordnung und damit auch einen konzentrischen Kraftfluss, sodass Biegebeanspruchungen praktisch ausgeschlossen sind, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die erzielbare Genauigkeit auswirkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer mit einem Ventil versehenen Hochdruckanordnung und

Fig. 2 einen Schnitt durch das in Fig. 1 eingesetzte Nadelventil.

Eine Hochdruckanordnung der in Fig. 1 dargestellten Art kann beispielsweise als Vorrichtung zur Justierung von Drucksensoren ausgebildet sein. Dies stellt ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung dar. Diese ist jedoch darauf allerdings nicht beschränkt.

Die der Fig. 1 zugrundeliegende Vorrichtung enthält ein mit einem Hochdruckmedium, beispielsweise mit einer Hydraulikflüssigkeit, beaufschlagbares, unter Hochdruck von mindestens 1000 bar setzbares Aggregat 1, z. B. in Form einer Druckkammer zur Justierung von Drucksensoren. Das Aggregat 1 ist über eine Hochdruckleitung 2 mit einer Hochdruckpumpe 3 verbunden. Diese ist als einfach wirkende Kolbenpumpe ausgebildet, deren Kolben über eine aus dem zugeordneten Zylinder herausgeführte Kolbenstange mit einer nicht näher dargestellten Antriebseinrichtung verbunden ist.

Im Bereich der Hochdruckleitung 2 ist ein Absperrventil 4 angeordnet, das nach erfolgter Druckbeaufschlagung des Aggregats 1 geschlossen wird, so dass sich ein geschlossenes System ergibt, in welchem der vorher aufgebaute Hochdruck gehalten wird. Dabei kann es sich, wie schon erwähnt, um einen Druck von mindestens 1000 bar handeln. Während der Beaufschlagung des Aggregats 1 und während der Entlastung des Aggregats 1 ist das Absperrventil 4 geöffnet. Ein weiteres Ventil ist zwischen Hochdruckpumpe 3 und Aggregat 1 nicht vorgesehen. Auch am der Hochdruckleitung 2 zugeordneten Ausgang der Hochdruckpumpe 3 ist kein Rückschlagventil angeordnet.

Das Volumen des Verdrängungsraums 5 der Hochdruckpumpe 3 entspricht zumindest dem zur Beaufschlagung des Aggregats 1 und zum Aufbau des dort erwünschten Hochdrucks benötigten Volumen. Zur Beaufschlagung des Aggregats 1 führt der Kolben 6 der Hochdruckpumpe 3 lediglich einen Vorwärtshub aus, wobei das gewünschte Volumen aus dem Verdrängungsraum 5 verdrängt wird. Das Ventil 4 ist dabei, wie oben schon erwähnt wurde, geöffnet. Anschließend wird das Ventil 4 geschlossen, wodurch der im Aggregat 1 aufgebaute Druck dort gehalten wird.

Zur Entlastung des Aggregats 1 wird der Kolben 6 der Hochdruckpumpe 5 bei wieder geöffnetem Ventil 4 in die Ausgangsposition zurückgezogen, wobei das vorher aus dem Verdrängungsraum 5 verdrängte Volumen in den Verdrängungsraum 5 zurückgeholt wird. Zu jeder Zeit ist dabei der Druck vor und hinter dem Ventil 4 gleich groß, so dass hierdurch keine Strömung erzeugt wird. Diese folgt allein der Bewegung des Kolbens 6. Da dieser vergleichsweise langsam bewegt werden kann, ergeben sich in der Hochdruckleitung 2 und dementsprechend auch im Ventil 4 vergleichweise geringe Strömungsgeschwindigkeiten, wodurch Kavitation und abrasiver Verschleiß ausgeschlossen sind.

Zum Ausgleich von Leckverlusten ist ein druckloser Behälter 7 vorgesehen, der die gewünschte Hydraulikflüssigkeit enthält und über eine mit einem Rückschlagventil 8 versehene Versorgungsleitung 9 mit dem Verdrängungsraum 5 der Hochdruckpumpe 3 verbunden ist.

Das Absperrventil 4 ist zweckmäßig als Nadelventil ausgebildet, das für hohe Drücke von mindestens 1000 bar geeignet ist. Das Absperrventil 4 besitzt dementsprechend, wie am besten aus Fig. 2 erkennbar ist, einen Ventilkörper 10, der mit Anschlüssen 11, 12 für die Hochdruckleitung 2 versehen ist. Einem Anschluss, hier dem Anschluss 12, ist ein Ventilsitz 13 zugeordnet, mit dem eine Ventilnadel 14 zusammenwirkt. Vom Ventilkörper 10 steht ein konzentrisch zur Ventilnadel 14 angeordnetes, diese umfassendes Hüllrohr 15 ab, das rückwärtig verschlossen ist, so dass sich ein die Ventilnadel 14 umgebender, ringförmiger Druckraum 16 ergibt, von dem die Anschlüsse 11, 12 abgehen, die durch Betätigung der Ventilnadel 14 miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt werden können.

Die Ventilnadel 14 ist mit ihrem vom Ventilsitz 13 abgewandten Ende mit dem rückwärtigen Bereich des rückwärtig geschlossenen Hüllrohrs 15 fest verbunden, hier verschweißt, so dass keine Dichtung benötigt wird, durch welche die Ventilnadel 14 gegenüber dem Hüllrohr 15 abgedichtet werden müsste. Das Hüllrohr 15 und die Ventilnadel 14 sind bezüglich ihrer Längen so aufeinander abgestimmt, dass das Hüllrohr 15 bei geschlossenem Ventil so elastisch gedehnt ist, dass es die gewünschte Schließkraft auf die Ventilnadel 14 ausübt. Das Hüllrohr 15 fungiert dementsprechend als der Ventilnadel 14 zugeordnete Schließfederanordnung. Dies ist möglich, da der erforderliche Hub der Ventilnadel 14 vergleichsweise gering ist. Im dargestellten Beispiel ist die Ventilnadel 14 unlösbar mit dem Hüllrohr 15 verbunden. Es wäre aber auch denkbar, die Ventilnadel 14 einstellbar am rückwärtigen Bereich des Hüllrohrs 15 festzulegen, um die wirksamen Schließkräfte einstellen zu können. Dies ist in der Praxis in vielen Fällen zu bevorzugen.

Zum Öffnen des Ventils wird das die Ventilnadel 14 tragende Hüllrohr 15 entgegen seiner Eigenelastizität so gelängt, dass die Ventilnadel 14 vom zugeordneten Ventilsitz 13 abhebt. Hierzu ist eine mit dem rückwärtigen Ende des Hüllrohrs 15 zusammenwirkende, äußere Betätigungseinrichtung vorgesehen. Diese besitzt im dargestellten Beispiel einen zur Ventilachse koaxialen, das Hüllrohr 15 umfassenden Balgzylinder 17, der einerseits auf einer gegenüber dem Hüllrohr 15 nach außen vorspringenden Stufe des Ventilkörpers 10 aufliegt und andererseits über ein konzentrisch zum Hüllrohr 15 angeordnetes Distanzrohr 18 an einem rückwärtigen Flansch 19 des Hüllrohrs 15 abgestützt ist. Der Flansch 19 ist hier Teil eines das Hüllrohr 15 rückwärtig verschließenden Deckels.

Der Balgzylinder 17 ist über eine im Ventilkörper 10 angeordnete Versorgungsleitung 20 mit einem geeigneten Druckmittel, beispielsweise Druckluft beaufschlagbar. Die mittels des Balgzylinders 17 herbeiführbare Längung des Hüllrohrs 15 ist so groß, dass sie der unter der Wirkung der Schließkräfte erfolgenden Stauchung der Ventilnadel 14 zuzüglich des gewünschten Hubs der Ventilnadel 14 entspricht. Dieser Hub kann, wie oben schon angedeutet wurde, vergleichsweise klein sein, ohne dass unerwünscht hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich des Sitzes 13 zu befürchten wären, da die Verschiebegeschwindigkeit des Kolbens 6 der Hochdruckpumpe 3 entsprechend klein sein kann.

Da die im Hüllrohr 15 gekapselte Ventilnadel 14 abgesehen von den elastischen Dehnungen keine Relativbewegung gegenüber anderen Bauteilen ausführt, so dass keine dynamische Dichtung benötigt wird, um den Druckraum 16 nach außen abzudichten, und da bei der Entlastung des Aggregats 1 vor und nach dem Ventilsitz 13 etwa der gleiche Druck ansteht, so dass sich nur eine von der Bewegung des Kolbens 6 der Hochdruckpumpe 3 abhängige Strömungsgeschwindigkeit einstellt, ergibt sich insgesamt eine schonende, verschleißarme Betriebsweise, die zu einer langen Lebensdauer und zu einer hohen Langzeitgenauigkeit des Absperrventil 4 führt.

Claims (10)

1. Nadelventil zur Steuerung von Hochdruckleitungen mit einem Druckraum (16), der Anschlüsse (11, 12) für eine zugeordnete Hochdruckleitung (2) aufweist, wobei einem Anschluss (12) ein Ventilsitz (13) zugeordnet ist, mit dem eine in axialer Richtung bewegbare, mittels einer Betätigungseinrichtung betätigbare Ventilfeder (14) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (16) durch einen den Ventilsitz (13) enthaltenden Ventilkörper (10) und ein an diesen anschließendes, rückwärtig verschlossenes Hüllrohr (15) begrenzt ist, an dem die Ventilnadel (14) festgelegt ist und das mittels einer zugeordneten, äußeren Betätigungseinrichtung entgegen seiner Eigenelastizität längbar ist.

2. Nadelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (15) einteilig mit dem Ventilkörper (10) ausgebildet ist.

3. Nadelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (14) verstellbar mit dem rückwärtigen Bereich des Hüllrohrs (15) befestigt ist.

4. Nadelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rückwärtige Bereich des Hüllrohrs (15) mit einem Flansch (19) versehen ist, an dem die Betätigungseinrichtung angreift.

5. Nadelventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung im Bereich zwischen dem Ventilkörper (10) und dem rückwärtigen Flansch (19) des Hüllrohrs (15) angeordnet ist.

6. Nadelventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung wenigstens einen mit einem Druckmittel beaufschlagbaren, das Hüllrohr (15) umfassenden Balgzylinder (17) aufweist, der einerseits am Ventilkörper (10) anliegt und andererseits am rückwärtigen Flansch (19) des Hüllrohrs (15) abgestützt ist.

7. Nadelventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Balgzylinder (17) und dem Flansch (19) ein das Hüllrohr (15) umfassendes Distanzrohr (18) vorgesehen ist.

8. Nadelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Balgzylinder (17) über eine im Ventilkörper (10) vorgesehene Versorgungsleitung (20) mit Druckmittel beaufschlagbar ist.

9. Nadelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (16) mit einem Hochdruck von mindestens 1000 bar beaufschlagbar ist.

10. Nadelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einer Hochdruckpumpe (3) zugeordnet ist, die als einfach wirkende Kolbenpumpe mit rückschlagventillosem, ventilseitigem Ausgang ausgebildet ist.