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Ventil Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil mit einer Bohrund,
in der ein konischer Ventilsitz gebildet ist, gegen den ein federbelasteter Dichtungskörper
gehalten ist, Es sind bereits Ventile zum Befüllen und Entleeren von Hochdruck-Gasbehältern,
insbesondere Hydrospeichern bekannt, bei denen eine Metallkugel gegen den konischen
Ventilsitz gedrückt wird.Zum Öffnen des Ventils muß die Kugel gegen den Druck einer
Feder und den im Innern des Behälters herrschenden Gasdruck vom Ventilsitz abgehoben
werden. ublicherweise geschieht das Öffnen des Ventils mit Hilfe eines Hohlzapfens,
der an einem Füll-oder Entleerungsschlauch angebracht ist. Bei dieser Art von Ventil
müssen zur Erzielung einer guten Abdichtwirkung sehr enge Fertigungstoleranzen eingehalten
werden, da die Kugel den Ventilsitz nur längs einer Linie berührt, Riefen in der
Oberfläche des Ventilsitzes oder Verunreinigungen am Ventilsitz können eine Undichtheit
des Ventils zur Folge haben.
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Zur Erzielung einer flächenhaften Berührung zwischen dem Ventilsitz
und dem Dichtungskörper sind Ventile verwendet worden, die eine senkrecht zur Ventilbohrung
verlaufende Ventilsitzfläche aufweisen. Gegen diese Ventilsitzfläche wird ein aus
weichem Gummi bestehender Dichtungskörper gedrUckt, der dann an der ganzen Ventilsitzfläche
anliegt.
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Infolge der flächenhaften Berührung zwischen dem Dichtungskörper und
der Sitzfläche werden zwar Unebenheiten der Sitzfläche ausgeglichen, doch versagen
solche Ventile leicht, wenn sie unter hohem Differenzdruck, das heißt unter hohem
Innendruck im Behälter und niedrigem Druck am Füllanschluß betätigt werden. Soll
ein solches Ventil unter hohem Druck geöffnet werden, muß die Stirnfläche des Dichtungskörpers
und der Sitzfläche in axialer Richtung der Bohrung abgehoben werden. Der Dichtungsgummi
klebt imAnfangsstadium des Öffnens infolge des hohen Differenzdrucks Jedoch noch
an der Sitzfläche, bis die Verformung des Dichtungsgummis an dieser Stelle eine
so große Spannung erzeugt hat, daß ein Ablösen von der Sitzfläche ermöglicht wird.
Diese Spannungen können so groß sein, daß der Dichtungsgummi zerstört wird, oder
daß er sich von dem Metallteil löst, an dem er zur Betätigung aufgeklebt bzw. aufvulkanisiert
ist. Solche Zerstörungen treten bei diesen Ventilen mit Sicherheit ein, wenn sie
häufig unter hohem Druck betätigt werden.
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Es sind auch bereits Ventile bekannt, bei denen die in Anlage kommenden
Dichtflächen am Dichtungskörper und am Ventilsitz Metallflächen sind. Bei diesen
Ventilen werden sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit und an die Oberflächenfeinheit
der sich berührenden Flächen gestellt. Eine Verunreinigung der Dichtflächen führt
zu einer Undichtheit des Ventils.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs
angegebenen Art so auszugestalten, daß ohne hohe Anforderungen an die Oberflächengüte
des Ventilsitzes eine gute Abdichtwirkung und eine lange Lebensdauer auch bei häufigen
Betätigungen bei hohen Druckdifferenzen erzielt werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Dichtungskörper
aus einem elastisch verformbaren Kunststoff besteht und eine mit der Dichtfläche
des Ventilsitzes in Eingriff bringbare Dichtkante aufweist, und daß eine Begrenzungsvorrichtung
zur Begrenzung der Verschiebung des Dichtungskörpers in der Abdichtrichtung in den
Ventilsitz vorgesehen ist.
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Beim erfindungsgemäßen Ventil kommt die Dichtkante des Dichtkörpers
beim Schließen in Eingriff mit dem Ventilsitz. IBbei tritt auf Grund der Verwendung
von elastisch verformbarem Kunststoff für den Dichtungskörper eine Verformung der
Dichtkante auf, so daß eine Flächenberührung zwischen dem Dichtungskörper und dem
Ventilsitz eintritt. Da sich der Dichtungskörper auf Grund der Begrenzungsvorrichtung
nur um ein definiertes Maß in der Abdichtrichtung in den Ventilsitz bewegen kann,
sind auch die Verformung des Dichtungskörpers und die dabei entstehende Dichtfläche
genau definiert. Mit Hilfe der Begrenzungsvorrichtung kann die Verschiebung des
Dichtungskörpers im Ventilsitz so festgelegt werden, daß die elastische Verformung
des Dichtungskörpers in den für den verwendeten Kunststoff zulässigen Grenzen bleibt.
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Ferner verhindert die Begrenzungsvorrichtung ein Herausdrücken des
Dichtungskörpers aus dem konischen Ventilsitz, wenn auf den Dichtungskörper sehr
hohe Drücke einwirken.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist derart ausgestaltet, daß der
Dichtungskörper die Form eines Kreiszylinders hat, und daß die Dichtkante der Rand
der inMder Abtastrichtung vorne liegenden Stirnfläche des Kreiszylinders ist. Bei
dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils verformt sich der Dichtungskörper
nach der Berührung der Dichtkante und des Ventilsitzes so, daß am Dichtungskörper
eine Dichtfläche in Form eines Kegelstumpfmantels entsteht. Die Größe dieser Dichtfläche
wird dabei wieder von der Begrenzungsvorrichtung festgelegt.
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Vorzugsweise besteht die Begrenzungsvorrichtung aus einem mit der
größeren Stirnfläche auf die vordere Stirnfläche des Dichtungskörpers aufgesetzten
kegelstumpfförmigen Stützglied, dessen größere Stirnfläche einen kleineren Durchmesser
als die vordere Stirnfläche des Dichtungskörpers im entspannten Zustand hat, und
dessen Mantelfläche in einem größeren Neigungswinkel zur Mittelachse der-Bohrung
verläuft, als die Dichtfläche des Ventilsitzes. Das auf den Dichtungskörper aufgesetzte
Stützglied kann sich auf Grund der Winkelbeziehung zwischen seiner Mantelfläche
und der Dichtfläche des Ventilsitzes nur um einen definierten Weg in den Ventilsitz
bewegen, ehe der Rand seiner größeren Stirnfläche gegen die Dichtfläche des Ventilsitzes
stößt. Die über diesen Rand vorstehende Dichtkante des Dichtungssitzes wird also
von der Dichtfläche des Ventilsitzes nur so weit verformt, bis der Durchmesser der
oberen Stirnfläche des Dichtungskörpers im zusammengedrückten Zustand genau dem
Durchmesser der größeren Stirnfläche des Stützglieds entspricht.
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Der Unterschied der Durchmesser der Stirnfläche des Stützglieds und
der Stirnfläche des Dichtungskörpers
kann so gewählt werden, daß
genau die gewünschte zulässige elastische Verformung des Dichtungskörpers bei seiner
Bewegung in den Ventilsitz eintritt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigen: Fig.1 einen Längsschnitt des in die Wand eines Druckbehälters eingebauten
Ventils nach der Erfindung sowie eines zur Betätigung dieses Ventils verwendbaren
Schlauchanschlusses, Fig.2 eine vergrößerte Detailansicht der Dichtkante im entspannten
Zustand und Fig.3 eine Detailansicht wie in Fig.2, wobei sich der Dichtungskörper
jedoch in der Abdichtstellung befindet.
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Das in Fig.1 dargestellte Ventil 1 ist in die Wand 2 eines Druckbehälters,
beispielsweise eines Hydrospeichers, eingeschraubt. In der zum Innenraum des Druckbehälters
offenen Bohrung 3 des Ventils 1 befindet sich ein kreiszylindrischer Dichtungskörper
4, der von einer Schraubenfeder 5, die zwischen einem Haltering 6 in der Bohrung
3 und einer Ansatzfläche 7 am Dichtungskörper 4 eingespannt ist, mit einer in Fig.2
zu erkennenden Dichtkante 8 gegen einen konischen Ventilsitz 9 in der Bohrung 3
gedrückt wird.
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Das in Abdichtrichtung hintere Ende des Dichtungskörpers 4 weist einen
Führungsschaft 10 auf, der von der Schraubenfeder 5 umgeben ist.
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Auf die in Abdichtrichtung vorderen Stirnfläche des Dichtungskörpers
4 ist ein kegelstumpfförmiges Stützglied aufgesetzt, das mittels eines an ihm angeformten
Haltestifts13, der in eine Bohrung in der vorderen Stirnseite des Dichtungsteils
4 ragt, am Dichtungsteil festgehalten ist. Das Stützglied ii ist so dimensioniert,
daß die Dichtkante 8 in entspanntem Zustand des Dichtungskörpers 4 um den überstand
a außerhalb des Randes 12 der größeren Stirnfläche des Stützgliedes 11 liegt. Der
Durchmesser dieser größeren Stirnfläche des Stützgliedes 11 ist also um 2a kleiner
als der Durchmesser der vorderen Stirnfläche des Dichtungskörpers. Die Mantelfläche
des Stützgliedes verläuft in einem grösseren Neigungswinkel zur Mittelachse der
Bohrung 3 ~als die Dichtfläche des Ventilsitzes 8. Die beiden Flächen verlaufen
nach Fig.3 in einem um den Winkel # unterschiedlichen Winkel#unterschiedlichen Neigungswinkel
zur Mittelachse der Bohrung 3.
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In dem nach außen führenden verengten Endabschnitt der ;Bohrung 3
befindet sich zu einem noch zu erläuternden Zweck eine von einem O-R&ng 14 gebildete
Dichtung, deren Zweck noch erläutert wird.
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Der aus der Wand 3 des Druckbehälters ragende Abschnitt des Ventils
1 ist mit einem Gewinde 15 versehen, dessen Zweck ebenfalls noch erläutert wird.
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Zum Füllen oder Entleeren des Druckbehälters wird ein am Ende eines
Schlauchs 16 sitzender Schlauchanschluß 17 verwendet, der einen hohlenZapfen 18
aufweist, der in den verengten Abschnitt der Ventilbohrung 3 eingefülirt werden
kann. Am schlauchseitigen Ende des hohlen Zapfens 18 befindet sich ein Bund 19,
der eine mit dem Gewinde 15 am Ventil 1 verschraubbare überwurfmutter 20 trägt.
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Das Öffnendes Ventils geschieht durch Aufschrauben der überwurfmutter
20; die dadurch entstehende Axialkraft am Zapfen 18 ist hauptsächlich bei hohen
Drücken erforderlich, um das Ventil aufzustoßen. Die Uberwurfmutter hat damit zwei
Funktionen, sie öffnet und hält denZapfen 18.
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Beim Aufschrauben der überwurfmutter 20 dringt der Zapfen 18 in das
Ventil ein, bis er gegen die vordere Stirnfläche des Stützgliedes 11 drückt;und
beim weiteren Eindringen hebt er den Dichtungskörper 4 gegen den Druck der Schraubenfeder
5 und den Druck des Mediums im Druckbehälter vom Ventilsitz 9 ab. Der O-Ring 14
verhindert im offenen Zustand des Ventils ein Entweichen des Drucks aus dem Inneren
des Behälters am Zapfen 18 vorbei ins Freie. Eine Einkerbung 21 an der Stirnseite
des Zapfens 18 ermöglicht eine freie Strömungsverbindung zwischen dem Schlauch und
dem Behälterinneren im geöffneten Zustand des Ventils. In diesem Zustand des Ventils
kann der Druckbehälter nun in gewünschter Weise mit Gas gefüllt werden; umgekehrt
kann ein bereits gefüllter Behälter bei geöffnetem Ventil entleert werden.
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Nähere Einzelheiten der Ausgestaltung des Dichtungskörpers 4 und des
auf ihn aufgesetzten Stützgliedes 11 sind in Fig.2 zu erkennen. In Fig.2 ist der
Dichtungskörper 4 in der Lage dargestellt, die er einnimmt, wenn seine Dichtkante
8 gerade mit dem Ventilsitz 9 in Eingriff kommt. Wie oben bereits erwähnt wurde,
hat die größere Stirnfläche des Stützgliedes 11 einen kleineren Durchmesser als
die vorne liegende Stirnfläche des Dichtungskörpers, so daß die Dichtkante 8 rund
um den Rand 12 des Stützgliedes 11 im Abstand a außerhalb dieses Randes 12 liegt.
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Wenn sich nun der Dichtungskörper 4 unter dem Einfluß des Drucks der
Schraubenfeder 5 und gegebenenfalls auch des Drucks im Behälter in den Dichtungssitz
bewegt,
wird die Dichtkante 8 so verformt, daß am Dichtungskörper
4 die in Fig.3 dargestellte Mantelfläche 22 entsteht, die am Ventilsitz 9 anliegt.
Fig.3 läßt auch deutlich erkennen, daß sich der Dichtungskörper 4 in der Abdichtrichtung
nur selange in den Ventilsitz 9 bewegen kann, bis der Rand 12 der größeren Stirnfläche
des Stützgliedes 11 in Anlage an den Ventilsitz 9 kommt.
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Auf diese Weise wird verhindert, daß bei großen Innendrücken im Behälter
der Dichtungskörper 4 durch den Ventilsitz 9 hindurch bis nach außen gedrückt wird.
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Diese Gefahr besteht insbesondere bei Kunststoffen, die nach längerer
Belastung bei hohen Drücken oder auch bei hohen Betriebstemperaturen zu fließen
beginnen. Bei der Abstützung des Dichtungskörpers 4 ist darauf zu achten, daß diese
Abstützung auch spaltfrei erfolgt. Dies wird durch die beschriebene Ausgestaltung
des Stützgliedes und insbesondere durch die Einhaltung der Winkelbeziehung zwischen
seiner Mantelfläche und der Dichtfläche des Ventilsitzes erreicht.
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Für den Dichtungskörper 4 wird ein relativ hartes, zähes und elastisches
Kunststoffmaterial wie Polyacetalharz verwendet; natürlich kann auch jedes andere
Kunststoffmaterial mit vergleichbaren Härte-, Zähigkeits- und Elastizitätseigenschaften
verwendet werden.
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Der für den Dichtungskörper 4 verwendete Kunststoff hat bestimmte
Grenzwerte hinsichtlich der maximalen Druckspannung, mit der er belastet werden
darf, sowie hinsichtlich der sich daraus ergebenden elastischen Verformung. Durch
eine entsprechende Dimensionierung des Uberstandes a der Dichtungskante 8 über den
Rand 12 der größeren Stirnfläche des Stützgliedes 11 kann erreicht werden, daß die
maximale Druckspannung Pmax
der in Fig.3 angegebenen Druckverteilung
den für den Kunststoff des Dichtungskörpers 4 zulässigen Grenzwert nicht überschreitet.
Der überstand a muß andrerseits auch so groß gewählt werden, daß Fertigungsungenauigkeiten
wie Unrundheit des konischen Ventilsitzes, Riefen oder auch eingedrungene Schmutzteilchen
zur zuverlässigen Abdichtung überdeckt werden können.
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Wenn der Dichtungskörper 4 ausgehend von der in Fig.3 dargestellten
abdichtenden Stellung unter Einwirkung des Zapfens 18 in die geöffnete Stellung
gedrückt wird, geht die Dichtkante wieder in ihre in Fig.2 dargestellte entspannte
Ausgangsstellung zurück. Unmittelbar vor dem Lösen der Dichtkante 8 vom Ventilsitz
9 tritt die größte Beanspruchung der Dichtkante 8 auf. Bei dem beschriebenen Ventil
kann die Festigkeit des Kunststoffs des Dichtungskörpers 4 so hoch gewählt werden,
daß auch bei den üblichen Höchstdrücken in Druckbehältern eine Zerstörung der Dichtkante
nicht eintritt. übliche Dichtungsgummiwerkstoffe sind bei solchen Drücken überbeansprucht.
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Wie erwähnt wurde, dient das beschriebene Ventil in erster Linie als
Füllventil zum Einfüllen von Gas in Druckbehälter oder auch zum Entleeren solcher
Druckbehälter. Es kann aber auch als Anschlußstelle in einem unter Druck stehenden
System verwendet werden, an die mittels des Schlauchanschlusses 17 beispielsweise
ein Druckmeßgerät angeschlossen werden kann.