DE2105776C2 - Ventilanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Solche Ventilanordnungen werden als Leistungsbzw. Kraftverstärker für Stelleinrichtungen eingesetzt, die die Lage eines Betätigungsorgans beeinflussen.

Aus der US-PS 35 48 879 ist eine Ventilanordnung bekannt, bei der sich die Ventilteile nur bei Anlage gegenseitig beeinflussen. Diese Dreiweg-Ventilanordnung weist drei einzeln steuerbare Ventilteile auf, die jeweils mit einem von zwei getrennten Ventilsitzen zusammenwirken, die auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind. Einer der Ventilteile wird in der geschlossenen Stellung gehalten, wenn das andere Ventilteil vollständig geöffnet wird.

Eine Ventilanordnung der angegebenen Gattung ist aus der US-PS 18 87 322 bekannt und weist ein Gehäuse mit einem Hohlraum, eine in den Hohlraum führende Einlaßöffnung, die rwit einer Druckfluidquelle in Verbindung steht, eine Auslaßöffnung aus dem Hohlraum, die mit der Atmosphäre in Verbindung steht, einen Auslaßkanal aus dem Hohlraum, ein Paar von in dem Hohlraum angeordnete Ventile, deren Sitze zueinander fluchtend und gegeneinander gerichtet angeordnet sind, deren erster Sitz zwischen der Einlaßöffnung und dem Auslaßkana! und deren zweiter Sitz zwischen dem Auslaßkanal und der Auslaßöffnung vorgesehen sind, weiterhin Biegeteile, die den ersten Ventilkörper und den zweiten Ventilkörper tragen und bezüglich der Sitze zentrieren, wobei mittels Ventilschaft ein Abstand zwischen den Ventilkörpem vorgegeben ist, und eine auf Druck ansprechende Ventilbetätigungseinrichtung auf.

Bei dieser Ventilanordnung sind die Ventilkörper durch den Ventilschaft starr miteinander verbunden, so daß sie gemeinsam und synchron bewegt werden.

Es gibt auch andere Ausführungsformen, bei denen die Ventilkörper vollständig voneinander getrennt sind und deshalb auch entsprechende, getrennte Betätigungseinrichtungen benötig: werden, um die verschiedenen Ventilkörper zu verstellen.

Die starre Kopplung der beiden Ventilkörper, wie sie aus der Ventilanordnung nach der US-PS 18 87 322 hervorgeht hat jedoch den Nachteil, daß es nur relativ wenig Einstellmöglichkeiten gibt, weil jeder Lage eines Ventilkörpers und damit jeder Durchschlußmenge eine

genau definierte Lage des anderen Ventilkörpers und damit die entsprechende Durchschlußmenge zugeordnet ist. Änderungen dieses genau vorgegebenen Verhältnisses sind nicht möglich.
Die Ventilanordnungen mit zwei voneinander ge-

trennten und damit unabhängigen Ventilkörpern sind jedoch konstruktiv sehr aufwendig, da hierzu jeweils getrennte Betätigungseinrichtungen benötigt werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung der angegebenen Gattung zu

schaffen, die es bei konstruktiv einfachem Aufbau erlaubt, daß bei großen Änderungen des Druckeingangssignals der Druckausgleich rascher stattfinden kann, ohne daß das ' feinfühlige Ansprechverhalten der Ventilanordnung nachteilig beeinflußt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine zweckmäßige Ausführungsform des Gegenstandes des Anspruchs 1 ist im Anspruch 2 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß die Ventilkörper zwar im Prinzip unabhängig voneinander verstellt werden können, jedoch dadurch eine gewisse Zusammenwirkung zwischen den beiden Ventilkörpem möglich ist, daß der Ventilschaft

des zweiten Ventils in seinem Ventilkörper bei dessen Anlage am Sitz gegen den Ventilschaft des ersten Ventils verschiebbar ist und dadurch auch von dem anderen Ventil beeinflußt werden kann; die beiden Ventile können also sowohl unabhängig voneinander als auch mit einer gewissen Kopplung verstellt werden, wodurch sich eine Vielzahl von Einstellmöglichkeiten ergibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die

schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den Gesamtaufbau eines Systems, bei dem eine erfindungsgemäße Ventilanordnung verwendet werden kann,

Fig.2 im vergrößerten Maßstab einen Längsschnitt

durch die in F i g. 1 gezeigte Ventilanordnung, und

Fig.3a bis 3e Längsschnitte durch Details der

Ventilanordnung in den verschiedenen Arbeitsphasen.

F i g. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Systems

mit einer Ventilanordnung. Dieses System weist eine auf Druck ansprechende Betätigungseinrichtung 10 mit einem Gehäuse auf, in dem ein druckempfindliches Element 12, beispielsweise eine Membran, vorgesehen ist. Die Membran 12 ist mit einer Betätigungsstange 14

für die Einstellung eines Ventils in einer nicht dargestellten Leitung für die Regulierung des Fluiddurchsatzes verbunden. Eine die Stange 14 konzentrisch umgebende Wendelfeder 16 wirkt entgegen dem Druck über der Membran 12 in der Kammer auf die Membran 12.

Das System enthält weiterhin eint: elektrisch-pneumatische Ventilstelleinrichtung 20. Die Stelleinrichtung 20 weist einen Stellmotor 22 mit einem Anker 24 auf, der so angeordnet ist, daß der Druck des aus dner Düsenöffnung 26 austretenden Fluidstroms gesteuert wird. Der Stellmotor 22 spricht auf ein Eingangssignal an, das durch einen Gleichstrom in der Größenordnung von einigen Milliampere gebildet wird, wodurch der Anker 24 um die Achse 21 geschwenkt wird. Später noch zu erläuternde Rückführeinrichtungen 27 sind zwischen der Betätigungsstange 14 der Betätigungseinrichtung 10 und dem Anker 24 des Stellmotors 22 wirksam.

Die in den F i g. 1 und 2 zu erkennende Ventilanordnung 30 nach der vorliegenden Erfindung weist ein Gehäuse 32 mit einem Hohlraum 38 auf, der über eine Einlaßöffnung 34 und eine Zuführleitung 36 mit einer Druckfluidquelle in Verbindung steht; die Verbindung zwischen dem Hohlraum 38 und der Einlaßöffnung 34 erfolgt über einen in dem Gehäuse 32 ausgebildeten Kanal 40.

In dem Hohlraum 38 befindet sich eine ringförmige Ventilsitzanordnung 42 mit zwei Sitzen 44 und 46, die zueinander fluchtend und gegeneinander gerichtet angeordnet sind; mit den Sitzen 44 und 46 wirken Ventile 43 und 45 zusammen. Jedes Ventil 43, 45 wird durch Biegeteile 48 bzw. 50 in seiner Gleichgewichtslage und zentriert zu den Sitzen 44 und 46 gehalten. Wie später noch erläutert werden soll, befindet sich ein Ventilschaft 52 auf der Zuführseite im Gewindeeingriff mit einem Ventil 45 auf der Zuführseite, erstreckt sich durch einen Mittelkanal in die ringförmige Ventilsitzanordnung 42 und liegt an dem Ende eines Ventilschaftes 54 an, der sich durch das Ventil 43 auf der Auslaßseite to erstreckt. Das Ventil 43 kann in bezug auf den Ventilschaft 54 verschoben werden und wird durch eine Feder 56 gemäß der Darstellung in F i g. 1 zu einer Bewegung nach unten vorgespannt.

Die ringförmige Ventilsitzanordnung 42 wird durch einen gewellten Federring 53 in ihrer Lage gehalten, der zwischen dem Deckel 53, der an dem Gehäuse 32 angebracht ist und einen Teil des Gehäuses bildet, und einem speziellen Zwischenring 51 wirkt, der aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist. Die ringförmige Ventilsitzanordnung 42 hält das Biegeteil 48 zwischen der Ventilsitzanordnung 42 und der Innenwand des Gehäuses 32 in einer genau definierten Lage.

In dem Hohlraum 38 des Gehäuses 32 ist eine auf Druck ansprechende Ventilbetätigungseinrichtung 60 vorgesehen, die durch eine Membran gebildet wird. Die Membran 60 wird durch eine Feder 61 gemäß der Darstellung in F i g. 1 zu einer Bewegung nach oben vorgespannt; die Feder 61 wirkt gegen Jen Druck in einer Kammer 62, die zwischen der Oberseite der Membran 60 und der Innenwand des Gehäuses 32 ausgebildet ist.

In dem Kanal 40 des Gehäuses 32 ist ein Begrenzungselement 70 angeordnet, um den zuführseitigen Druck zu reduzieren, mit dem ein Düsenkanal 77 von der Zuführleitung 36 beaufschlagt wird. Das Begrenzungselement 70 ist so von einer O-Ringdichtung umeeben. daß sie sich zwischen dem Element 70 und dem Gehäuse 32 befindet und eine Verbindung zwischen den Kanälen 40 und 77, ausgenommen über das Element 70, verhindert. Die Leitung 72 steht mit der zuführseitigen Einlaßöffnung-34 über einen inneren Kanal in dem Element 70 und über eine Signalöffnung 77 in Verbindung.

Die Kammer 62 über der Membran 60 ist über die Signalöffnung 77 und die Leitung 72 an die Düse 26 des Stellmotors 22 angeschlossen. Weiterhin ist eine Auslaßkammer 41 in der ringförmigen Ventilsitzanordnung 42 über eine Leitung 73 im Gehäuse 32, einen Auslaßkanal 74 und eine Leitung 75 an die Betätigungseinrichtung 10 angeschlossen; die Leitung 75 verbindet den Auslaßkanal 74 über die Membran 12 in der Betätigungseinrichtung 10 mit der Kammer 13.

Für die Gesamtfunktion des Systems ist wesentlich, daß sich bei einer Erhöhung des einige Milliampere betragenden Gleichstromsignals der Wicklung des Stellmotors 22 der Anker 24 um die Achse 21 dreht, wodurch die Düse 26 bedeckt wird. Die sich ergebende Strömungsbeschränkung an der Düse 26 erzeugt einen erhöhten Druck in der Düsenkammer, in der Leitung 72 und in der oberen Kammer 62 der Ventilanordnung 30. Bei großen Eingangssignalen bewegt der auf die Membran 60 wirkende, erhöhte Düsendruck den abströmseitigeo Ventilschaft 54 nach unten, wodurch der Ventilsitz 44 geschlossen und der Ventilsitz 46 geöffnet werden. Von der Leitung 36 strömt durch den Kanal 40, die nun offene öffnung 46, die Auslaßkammer 41, den Kanal 73 und die Leitung 75 von der Zuführseite Luft zu, so daß der Auslaßdruck für die Kammer 13 über der Membran 12 in der Betätigungseinrichtung 10 ansteigt und die Betätigungsstange 14 gemäß der Darstellung in Fig. 1 nach unten bewegt wird.

Bei kleinen Eingangssignalen werden durch den erhöhten, auf die Membran 60 wirkenden Düsendruck der auslaßseitige Ventilschaft 54 nach unten, das auslaßseitige Ventil 43 gegen den Ventilsitz 44 sowie das zuführseitige Ventil 45 von dem Ventilsitz 46 weg bewegt. Die sich dadurch ergebende Drosselwirkung ermöglicht es, daß ein größeres Volumen an Fluid, beispielsweise Luft, über die zuführseitige Öffnung 46 in die Auslaßkammer 41 als von der Auslaßkammer 41 durch die Auslaßöffnung 44 strömt. Dadurch wird der Auslaßdruck für die Kammer 13 über der Membran 12 erhöht und die Betätigungsstange 14 nach unten bewegt.

Diese Verschiebung der Betätigungsstange 14 wirkt über ein mechanisches Gestänge 27 mit Verbindungsstücken 27a, 27b, 2Jc und 27c/ auf den Anker 24 des Stellmotors 22 zurück. Das Verbindungsstück 27a ist mit einem Ende an der Betätigungsstange 14 befestigt. Das freie Ende des Verbindungsstücks 27a ist an das Verbindungsstück 27f> angelenkt. Das Verbindungsstück 276 ist mit seinem anderen Ende an das Verbindungsstück 27c angelenkt, das wiederum gelenkig mit einer Halterung verbunden ist. Das Verbindungsstück 27c wirkt mit dem Verbindungsstück 27c/ zusammen, das ebenfalls gelenkig mit einer Halterung verbunden ist. Eine Rückkopplungsfeder 28 wirkt zwischen dem anderen Ende des Verbindungsstücks 27c/ und dem Anker 24. Die sich ergebende Rückführbewegung bewirkt eine Drehung des Ankers 24 von der Düse 26 weg. Der Düsendruck an der Diisenöffnung 26 nimmt ab wodurch sich der Druck in der Kammer 62 verringert; dies führt wiederum zu einer Reduzierung der nach unten auf den auslaßseitigen Ventilschaft 54 wirkenden Kraft. Die Feder 61 spannt die Membran 60 nach oben vor, so daß das untere Biegeteil 50 das

zuführseitige Ventil 45 zu dem zuführseitigen Ventilsitz 46 und das obere Biegeieil 48 das auslaßseitige Ventil 43 von dem auslaßseitigen Ventilsitz 44 weg bewegen kann; dadurch wird ein gleicher Mengenstrom sowohl durch die öffnung 44 als auch durch die Öffnung 46 hervorgerufen und eine weitere Erhöhung des Auslaßdrucks verhindert. Die Betätigungseinrichtung 10 befindet sich wieder im stationären Zustand, jedoch bei einem höheren Eingangssignal und einer neuen Lage der Betätigungsstange 14.

Wenn das Gleichstrom-Eingangssignal am Stellmotor 22 abnimmt, dreht sich der Anker 24 so, daß die Düse 26 abgedeckt wird; dadurch sinkt der Druck in der Düsenkammer und der Kammer 62. Die Membran 60 bewegt sich nach oben, wobei die nach unten auf den auslaßseitigen Ventilschaft 54 wirkende Kraft verringert wird. Bei großen Eingangssignalen ist es dadurch möglich, daß das untere Biegeteil 50 die zuführseitige öffnung 46 schließt und das obere Biegeteil 48 die auslaßseitige öffnung 46 schließt und das obere Biegeteil 48 die auslaßseitige öffnung 44 öffnet. Der Luftstrom durch die auslaßseitige öffnung 44 strömt durch den Auslaß 69 und die Auslaßöffnung 71 zur Atmosphäre und erniedrigt so den Auslaßdruck auf die Membran 12 in der Betätigungseinrichtung 10. Dadurch kann sich die Betätigungsstange 14 nach oben bewegen und die mit ihr verbundene Steuervorrichtung in die geeignete Lage bringen.

Bei kleinen Eingangssignalen ermöglicht es die verringerte, nach unten wirkende Kraft auf den auslaßseitigen Ventilschaft 54, daß der untere Biegeteil 50 das zuführseitige Ventil 45 gegen den zuführseitigen Ventilsitz 46 und der obere Biegeteil 48 das auslaßseitige Ventil 43 von dem auslaßseitigen Ventilsitz 44 bewegt. Die sich dadurch ergebende Drosselwirkung läßt ein Luftvolumen von der Auslaßkammer 41 durch die auslaßseitige öffnung 44 strömen, das größer ist als das durch die zuführseitige öffnung 46 in die Auslaßkammer 41 strömende. Dadurch verringert sich der Auslaßdruck.an der Betätigungsmembran 12 in der Betätigungseinrichtung 10, so daß sich die Betätigungs_: stange 14 nach oben bewegen kann. Die Bewegung der Betätigungsstange 14 wird auf den Anker 24 durch das mechanische Gestänge 27 zurückgeführt, so daß der Anker 24 wieder in seine frühere Stellung gebracht wird Das auslaßseitige Ventil 43 bewegt sich zu dem auslaßseitigen Ventilsitz 44. und das zuführseitige Ventil 45 bewegt sich von dem zuführseitigen Ventilsitz 46 weg. so daß sich gleiche Durchsatzmengen durch beide öffnungen einstellen. Dadurch wird ein weiterer Abfall im Auslaßdruck verhindert, so daß sich ein Gleichgewichtszustand einstellt.

in den Fig.3a. 3b, 3c. 3d und 3e sind die verschiedenen Lagen der Ventile 43 und 45 während des Betriebs der Ventilanordnung 30 gezeigt. Gemäß Fig.3a ist das zuführseitige Ventil 45 geschlossen, und das auslaßseitige Ventil 43 ganz offen, so daß ein maximaler Druckablauf durch die öffnung 69 zur Atmosphäre vorliegt. Gemäß F i g. 3b ist das zuführseitige Ventil 45 gerade geschlossen und das auslaßseitige Ventil 43 etwas offen, so daß ein geringer Abstrom gewährleistet ist. Fig.3c zeigt eine Zwischenlage, bei der sowohl das zuführseitige Ventil 45 als auch das auslaßseitige Ventil 43 offen sind. Fig.3d zeigt eine Lage, in der das auslaßseitige Ventil 43 gerade schließt und das zuführseitige Ventil 45 etwas offen ist, während F i g. 3e die Lage für die maximale Zuführung zeigt, bei der das zuführseitige Ventil 45 ganz offen und das auslaßseitige Ventil 43 geschlossen sind.

Die wirksame Länge des zuführseitigen Ventiischaftes 52 kann variiert werden, so daß die Lage der Ventile 43 und 45 zueinander und in bezug auf ihre Ventilsitze einstellbar ist. Dadurch können Herstellungstoleranzen ausgeglichen werden. Die Einstellung der Ventilstellungen kann auch dazu dienen, das Ansprechverhalten im Betrieb der Ventilanordnung 30 zu ändern. Die Biegeteile 48 und 50 sind an den Ventilen 43 und 45 befestigt, so daß sie in bezug auf die Ventilsitze 44 bzw. 46 zentriert gehalten sind. Zusätzlich dienen die Biegeteile 48 und 50 als Federn für die Vorspannung der Ventile vertikal nach oben zu ihren Betriebslagen hin. Der Biegeteil 50 erfüllt eine weitere Funktion, nämlich als »Antirotationseinrichtung«, so daß das Ventil 45 gehalten und eine Drehung des Ventilschaftes 52 in bezug auf das Ventil möglich ist, an dem er durch Gewindeeingriff befestigt ist. Durch Änderung der wirksamen Länge des zuführseitigen Ventilschaftes 52,

d. h„ des Abstandes zwischen den Ventilen 43 und 45 und ihrer Bezugslage zu den Ventilöffnungen, ist ein viel genaueres Ansprechverhalten möglich als für den Fall, daß man sich auf die Abmessungstoleranzen allein als Grundlage verläßt.

Die wirksame Länge des Ventilschaftes 52 kann derart geändert werden, daß sowohl die öffnung 44 als auch die öffnung 46 in einem stationären Zustand offen, beide öffnungen in einem stationären Zustand geschlossen sein können oder eine Bewegung des auslaßseitigen Ventilschaftes 54 in bezug auf das Gehäuse 32 erforderlich ist, um eine der Ventilöffnungen zu öffnen. Dadurch erfolgt die Einstellung des Ansprechverhaltens. Bei dem gezeigten Anwendungsfall ist der Ventilschaft 52 so eingestellt, daß beide öffnungen in

so einem stationären Zustand offen sind. Der sich ergebende ununterbrochene Strom bestimmt die Empfindlichkeit der Ventilanordnung 30 für kleinere Änderungen uns den stationären Zustand.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Ventilanordnung mit einem Gehäuse mit einem Hohlraum (38), mit einer in den Hohlraum (38) führenden Einlaßöffnung (34), die mit einer Druckfluidquelle in Verbindung steht, mit einer Auslaßöffnung (71) aus dem Hohlraum (38), die mit der Atmosphäre in Verbindung steht, einem Auslaßkanal (74) aus dem Hohlraum (38), mit einem Paar von in dem Hohlraum (38) angeordneten Ventilen (43, 44; 45,46), deren Sitze (44,46) zueinander fluchtend und gegeneinander gerichtet angeordnet sind, deren erster Sitz (46) zwischen der Einlaßöffnung (34) und dem Auslaßkanal (74) und deren zweiter Sitz (44) zwischen dem Auslaßkanal (74) und der Auslaßöffnung (71) vorgesehen ist, mit Biegeteilen (48,50), die den ersten Ventilkörper (45) und den zweiten Ventilkörper (43) tragen und bezüglich der Sitze (46, 44) zentrieren, wobei mittels Ventilschaft (52) ein Abstand zwischen den Ventilkörpern (43, 45) vorgegeben ist, und mit einer auf Druck ansprechenden Ventilbetätigungseinrichtung (10), dadurch gekennzeichnet,

daß jedes der Ventile (45, 46; 43, 44) jeweils einen eigenen Ventilschaft (52, 54) aufweist, daß der Ventilschaft (54) des zweiten Ventils (43, 44) in seinem Ventilkörper (43) bei dessen Anlage am Sitz (44) gegen den Ventilschaft (52) des ersten Ventils (45,46) verschiebbar ist, daß die Ventilbetätigungseinrichtung (60) nur mit dem zweiten Ventil (43,44) in Verbindung steht,

und daß der Ventilschaft (52) des zweiten Ventils (43, 44) aus der Anlage am Ventilschaft (54) des ersten Ventils (45,46) abhebbar ist.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (52) des ersten Ventils (45, 46) axial in Bezug zu seinem Ventilkörper (43) einstellbar mit diesem verbunden ist.