DE3631523A1 - Regelventil und doppeltwirkende ventilanordnung mit einem derartigen ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil zum Regeln des Durchflusses eines Strömungsmittels von einem Einlaß zu einem Auslaß, insbesondere zum Regeln einer Gasströmung von einem Ort mit einem höheren Druck als der Umgebungsdruck, wobei das Ventil so ausgebildet ist, daß es durch eine Betätigungsvorrichtung geöffnet werden kann, die mechanisch mit einer Fühlervorrichtung für den Druck an dem Ort gekop­ pelt ist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine doppeltwirkende Ventilanordnung mit einem derartigen Ventil, insbesondere auf ein Atmungsventil für Taucher, bei dem das Ventil ein Ausatmungsventil bildet.

Ein aktuelles Anwendungsgebiet für ein derartiges Regelven­ til ist ein Atemsystem oder Atemgerät für Taucher. Solche Systeme für die Lieferung von Atemgas basieren im allgemei­ nen auf der geregelten Zufuhr von Hochdruckgas aus Behäl­ tern. Üblicherweise wird der Durchfluß des Gases so gesteu­ ert, daß er dem Bedarf entspricht, d.h., das System ist ein sogenanntes Bedarfssystem.

Aus dem norwegischen Patent Nr. 1 51 447 ist ein Gasregel­ ventil bekannt, das als Einatmungsventil konstruiert ist, welches eine genaue Steuerung mit einem Minimum an erforder­ licher Kraft für das Öffnen des Ventils leistet. Das bekannte Ventil wird durch eine axiale Verlagerung eines Kolbens reguliert, wobei die Druckdifferenz auf den zwei Endflächen des Kolbens mittels eines Steuerventils ausgeglichen wird, das sich zu einem durch den Kolben verlaufenden Druckaus­ gleichskanal hin öffnet. Der Kolben ist in einer zylindri­ schen Führung montiert, deren eines Ende eine Verengung hat, die als Dichtfläche und Sitz für den Kolben dient, und deren anderes Ende geschlossen ist. Das Ventil befindet sich in der geschlossenen Stellung, wenn der Kolben mit einer End­ fläche gegen die Dichtfläche/Dichtsitz anliegt und der Druckausgleichskanal geschlossen ist. Die Gasströmung durch das Ventil erfolgt durch Kanäle durch die Wand der zylindri­ schen Führung hindurch und weiterhin durch die Verengung in der Führung hindurch.

Die zylindrische Kolbenführung, eine Endfläche des Kolbens und der geschlossene Endabschnitt der Kolbenführung begren­ zen eine Kammer, die von grundlegender Wichtigkeit für die Gasregelung ist, wobei es die Kammer zusammen mit dem Druck­ ausgleichskanal möglich macht, annähernd denselben Gasdruck auf beiden Seiten des Kolbens zu erhalten, bevor dieser in die offene Stellung bewegt wird, so daß die Gasströmung mit einer kleinen Kraft reguliert werden kann. Die Kraft, die zum Bewegen des Kolbens bei geschlossenem Druckausgleichs­ kanal benötigt wird, kann typischerweise etwa 20 mal größer sein als bei offenem Kanal.

Das bekannte Ventil gemäß dem genannten norwegischen Patent kann im allgemeinen verwendet werden, um einen stabilen Sekundärdruck aufrecht zu erhalten. Dies ist von besonderem Interesse bei einem üblichen Sporttaucherventil, bei dem man wünscht, daß der Taucher mit Gas versorgt wird, das densel­ ben Druck wie der umgebende Wasserdruck hat. Diese Ventil­ konstruktion kann aber nicht zum Regeln des ausgeatmeten Gases verwendet werden. Man wünscht dann, daß das Ventil Gas "abläßt", sobald der Druck im Ventilgehäuse den Umgebungs­ druck überschreitet. In dieser Situation ist der Primärdruck gleichbedeutend dem Druck im Ventilgehäuse. Das Ventil muß versuchen, diesen Druck konstant zu halten. Ein solches Ventil kann man als "Gegendruck"-Ventil bezeichnen. Ein traditionelles Regelventil hat zur Aufgabe, Versorgungsgas zu liefern, wenn dieses benötigt wird, um einen stabilen Druck im Ventilgehäuse (= der Umgebungsdruck) aufrecht zu erhalten. Das Gegendruck-Ventil soll seinerseits dafür sorgen, daß Gas abgelassen wird, wenn dies zum Aufrechter­ halten des Drucks erforderlich ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ventil des Gegendruck-Typs zu schaffen, d.h. ein Ventil, das Strömungs­ mittel, insbesondere Gas, ausströmen läßt, wenn dies zum Aufrechterhalten eines Primärdrucks erforderlich ist, wobei das Ventil den Durchfluß von großen Strömungsmittelmengen genau und mit einem Minimum an Kraft regeln kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, daß eine doppeltwirkende Ventilanordnung mit einem derartigen "Gegen­ druck"-Ventil zu schaffen, insbesondere ein Atemventil für Taucher, bei dem das Ventil ein Ausatmungsventil bildet und bei dem die Gasregelung genau ist und nur eine kleine Kraft benötigt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Ventil einen Ventilkörper in Gestalt eines Hauptkolbens aufweist, der in einer Kolbenführung gleitend angeordnet ist, daß ein Dichtsitz für den Kolben an dem von der genann­ ten Stelle weg weisenden Ende der Kolbenführung angeordnet ist, wobei das andere Ende der Kolbenführung geschlossen ist und gemeinsam mit einer Endfläche des Kolbens eine Kammer begrenzt, die durch einen engen Durchlaß mit der Auslaßseite in Verbindung steht, und daß der Kolben mit einem Druckaus­ gleichskanal zwischen der Kammer und der Auslaßseite verse­ hen ist, wobei ein Steuerventil so angeordnet ist, daß es den Druckausgleichskanal durch die Betätigungsvorrichtung schließt und öffnet, die so ausgebildet ist, daß sie den Kolben erst von seinem Sitz weg bewegt, nachdem sie das Steuerventil geöffnet hat.

Weiter ist gemäß der Erfindung eine doppeltwirkende Ventil­ anordnung vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ausatmungsventil wie auch ein Einatmungsventil nach dem selben Regelprinzip arbeiten und durch Betätigungsstangen und ein Gestänge mit einer gemeinsamen Fühlermembran gekop­ pelt sind, die den Druck in einem Ventilgehäuse abtastet und auf diesen reagiert, wobei die zwei Ventile in bezug auf das Ventilgehäuse entgegengesetzt angeordnet sind, und daß die Betätigungsstange des Ausatmungsventils durch den geschlos­ senen Endabschnitt der Kolbenführung des Ventils hindurch geführt ist, während die Betätigungsstange des Einatmungs­ ventils durch den Hauptkolben dieses Ventils hindurch ge­ führt ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindungswesentli­ che Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzel­ nen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfin­ dung verwirklicht sein.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer doppeltwirkenden Atmungsventilanordnung, die ein Ventil gemäß der Erfindung aufweist; und

Fig. 2 zeigt einen Schnitt im wesentlichen entlang der Linie II-II in Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein doppeltwirkendes Bedarfs-Atmungs-Ventil (Bedarfsregler) 1 gezeigt, der ein Ausatmungsventil 2 gemäß der Erfindung und ein Einatmungsventil 3 aufweist, die beide mit einem gemeinsamen Ventilgehäuse 4 gekoppelt sind, in dem eine Fühlermembran 5 montiert ist, die den Druck im Ventil­ gehäuse erfaßt und auf diesen anspricht. Die Membran ist beiden Ventilen 2, 3 gemeinsam und ist so angeordnet, daß sie diese Ventile über ein Gestänge und die entsprechenden Betätigungsvorrichtungen der Ventile betätigt, welche durch Betätigungs- oder Steuerstangen gebildet sind, wie unten beschrieben wird. Die Ventile sind in einer geschlossenen Stellung, wenn die Membran 5 sich in einer mittleren Posi­ tion befindet. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist das Ventil­ gehäuse 4 ein Verbindungsrohr 6 zur Verbindung mit dem Atmungsmundstück oder der Atemmaske (nicht gezeigt) des Tauchers auf.

Das Ausatmungsventil 2 weist einen Hauptkolben 7 auf, der in einer hülsenförmigen Kolbenführung 8 axial verschiebbar ist welche wiederum in einem äußeren Ventilgehäuse 9 mit einem Einlaß 10 und einem Auslaß 11 montiert ist. Ein Ende der Kolbenführung 8 weist eine Verengung auf, die einen Ventil­ sitz 12 für eine entsprechend geschliffene Endfläche des Hauptkolbens 7 bildet. An diesem Ende ist die Kolbenführung mit Öffnungen 13 für den Durchfluß des Gases in einer offe­ nen Stellung des Ventils versehen. An ihrem anderen Ende ist die Kolbenführung 8 durch eine mit Gewinde versehene Kappe 14 verschlossen, und zwischen dieser Kappe und der benach­ barten Endfläche 15 des Kolbens 7 ist eine Kammer 16 gebil­ det, die mit der Auslaßseite 11 des Ventils durch einen durch den Hauptkolben 7 hindurchgeführten Druckausgleichs­ kanal 17 in Verbindung steht. Der Druckausgleichskanal 17 kann mittels eines Steuerventils geöffnet und geschlossen werden, das einen Ventilkörper in Form eines Steuerkolbens 18 aufweist, der im Kanal 17 verlagerbar ist und mit einem Sitz 19 im Hauptkolben 7 zusammenwirkt. In der Kammer 16 ist eine weiche Schraubenfeder 20, die den Steuerventilkörper 18 in Richtung auf die geschlossene Stellung zur Anlage gegen den Sitz 19 drückt, und eine zusätzliche weiche Schrauben­ feder 21 angeordnet, die den Hauptkolben 7 in Richtung auf die geschlossene Position zur Anlage gegen den Sitz 12 drückt. Diese Federn sichern ein schnelles Schließen des Ventils.

Wie erwähnt, ist das Ventil 2 so ausgebildet, daß es mittels einer Betätigungs- oder Steuerstange 22 geöffnet und ge­ schlossen wird, die axial durch die Kappe 14 hindurchgeht, die die rechte Endfläche der Kammer 16 bildet. Die Steuer­ stange 22 ist an einem Ende mit dem Ventilkörper 18 des Steuerventils verbunden, und an ihrem anderen Ende ist sie mit der Membran 5 durch das genannte Gestänge gekoppelt. Das Gestänge weist einen Verbindungsarm oder Bügel 23 zwischen der Steuerstange 22 und einem Arm 24 auf, der an einer quer verlaufenden Welle 25 im Ventilgehäuse 4 befestigt ist. Die Membran 5 ist in ihrer Mitte mit einem schwebenden Arm 26 versehen, der mit der Welle 25 über einen Hauptübertragungs­ arm 27 gekoppelt ist.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist der Ventilkörper 18 des Steuerventils eines Paars von vorstehenden Zapfen 28 auf, die in kurze, axiale Schlitze 29 im Hauptkolben 7 eingesetzt sind. Diese Anordnung führt dazu, daß die Steuerstange 22, wenn sie sich nach rechts bewegt, zuerst das Steuerventil 18, 19 öffnet und daß der Ventilkörper 18 danach durch weitere Bewegung der Steuerstange nach rechts den Haupt­ kolben 7 mitbewegt und dadurch das Ventil 2 öffnet, wenn die vorstehenden Zapfen 28 an den Enden der Schlitze 29 in Eingriff mit dem Hauptkolben gebracht worden sind.

In einer dem Ausatmungsventil 2 entsprechenden Art weist das Einatmungsventil 3 einen Hauptkolben 30, eine Kolbenführung 31, ein Ventilgehäuse 32 mit einem Einlaß 33 und einem Auslaß 34, einen Ventilsitz 35 für den Hauptkolben 30, Öffnungen 36 in der Kolbenführung 31 für den Durchfluß von Gas, eine die Kolbenführung schließende Kappe 37, eine zwischen der Kappe 37 und der benachbarten Endfläche 38 des Kolbens 30 begrenzte Kammer 39, einen den Kolben 30 durch­ setzenden Druckausgleichskanal 40, ein Steuerventil mit einem Ventilkörper 41 und einem Ventilsitz 42, und Schrau­ benfedern 43 und 44 auf, die den Steuerventilkörper 41 bzw. den Hauptkolben 30 in Richtung auf ihre geschlossene Stel­ lung beaufschlagen.

Das Einatmungsventil 3 ist so ausgebildet, daß es durch eine Betätigungs- oder Steuerstange 45 geöffnet und geschlossen wird. Diese Steuerstange 45 ist jedoch axial durch den Hauptkolben 30 hindurchgeführt, im Gegensatz zu der Steuer­ stange 22 des Ausatmungsventils, die durch die Kolbenfüh­ rungskappe 14 hindurchgeht. Dies steht in Verbindung mit der Tatsache, daß das Einatmungsventil 3 von der Niederdrucksei­ te her gesteuert wird, während das Ausatmungsventil 2 von der Hochdruckseite her gesteuert wird. (Der Einlaß 33 mag beispielsweise auf einem Überdruck von 0,1 bar im Verhältnis zu dem Ventilgehäuse 4 basieren, während der Auslaß 11 z.B. einen Unterdruck von 0,1 bar haben kann). Abgesehen von der Durchführung der Steuerstangen 22, 45 sind das Ausatmungs­ ventil und das Einatmungsventil identisch, aber sie sind in entgegengesetzter Richtung bezüglich des Ventilgehäuses 4 montiert.

Das Gestänge zwischen der Steuerstange 45 des Einatmungs­ ventils 3 und der Membran 5 weist einen Verbindungsarm 46 auf, der zwischen die Steuerstange 45 und einen Arm 47 eingeschaltet ist, der mit der Welle 25 im Ventilgehäuse 4 fest verbunden ist.

In einer dem Steuerventilkörper 18 des Ausatmungsventils 2 entsprechenden Weise weist der Steuerventilkörper 41 des Einatmungsventils 3 ein Paar von vorstehenden Zapfen 48 auf, die in kurze, axiale Schlitze 49 im Hauptkolben 30 einge­ setzt sind.

In Fig. 1 ist das Ausatmungsventil 2 des Bedarfsreglers 1 in der offenen Stellung gezeigt, wobei sich der Taucher in einer Ausatmungsphase befindet. Sein Atem hat einen kleinen Überdruck im Ventilgehäuse 4 erzeugt, so daß die Membran 5 sich nach oben bewegt hat. Entsprechend hat der Hauptüber­ tragungsarm 27 die Welle 5 im Uhrzeigersinn verdreht, so daß die Steuerstange 22 durch den Arm 24 und den Bügel 23 nach rechts gezogen worden ist.

Das erste Ereignis, das eintritt, wenn der Taucher ausatmet, ist, daß der Ventilkörper 18 des Steuerventils vom Sitz 19 weggezogen wird. Als Ergebnis der Tatsache, daß der Ventil­ körper 18 vom Sitz weg bewegt worden ist, wird der Druck­ ausgleichskanal 17 zwischen der Kammer 16 und dem Auslaß 11 geöffnet. Die Druckdifferenz zwischen der Kammer und dem Auslaß wird dann sofort verringert, und der Hauptkolben des Ausatmungsventils kann dann mit einem Minimum an Kraft bewegt werden und dadurch den Durchfluß des Gases regulie­ ren. Die Kammer 16 erhält eine gewisse Auffüllung mit Gas durch eine Leckage 51 zwischen dem Hauptkolben 7 und der Kolbenführung 8. Diese Leckage ist klein und kann nicht den Druck in der Kammer 16 aufbauen, solange der Ventilkörper 18 nach rechts gezogen ist. Die Leckage ist jedoch ausreichend groß, daß die Kammer 16 denselben Druck wie das Ventilgehäu­ se 4 einen Sekundenbruchteil nachdem der Steuerventilkörper 18 sich zu seinem Sitz zurückbewegt hat, annimmt.

Durch Wegziehen des Steuerventilkörpers 18 von seinem Sitz 19 im Hauptkolben 7 werden die Druckkräfte (oder ein Groß­ teil von ihnen), die versuchen, den Hauptkolben 7 gegen den Sitz 12 zu drücken, beseitigt. Die Gasregelung erfordert daher ein Minimum an Kraft.

Man erkennt, daß das Einatmungsventil 3 nach genau dem gleichen Prinzip arbeitet, aber es ist jetzt ein Unterdruck im Atem, der bewirkt, daß die Membran 5 nach unten gezogen wird und die Welle 45 zu einer Drehung im Gegenuhrzeigersinn gebracht wird, so daß die Steuerstange 45 des Einatmungs­ ventils nach links geschoben wird und das Einatmungsventil steuert.

In Fig. 1 wird auch eine Druckknopfvorrichtung 50 (in Fig. 2 fortgelassen) gezeigt, die im gedrückten Zustand bewirkt, daß geliefertes Gas frei durch das Einatmungsventil 3 fließt. Dieser Druckknopf kann beispielsweise verwendet werden, um Gas in die Lungen eines bewußtlosen Tauchers zu pressen.

Zwar wurde die Erfindung oben in Verbindung mit einem Atem­ ventilgerät für Taucher beschrieben, die beschriebenen Ventile können aber auch getrennt für eine Reihe von Zwecken verwendet werden, insbesondere für Anwendungen, wo gewünscht wird, die Strömung von Gasen oder Flüssigkeiten genau und mit einem Minimum an Kraft zu regeln.

Claims (5)

1. Ventil zum Regeln des Durchflusses eines Strömungsmit­ tels von einem Einlaß (10) zu einem Auslaß insbesondere zum Regeln einer Gasströmung von einer Stelle mit einem höheren Druck als der Umgebungsdruck, wobei das Ventil so ausgebildet ist, daß es durch eine Betätigungsvorrichtung (22) geöffnet werden kann, die mechanisch mit einer Fühlervorrichtung für den Druck an der genannten Stelle gekoppelt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventil einen Ventilkörper in Gestalt eines Hauptkolbens (7), der in einer Kolbenführung (8) gleitend angeordnet ist, daß ein Dichtsitz (12) für den Kolben (7), der von der genannten Stelle (Ventil­ gehäuse 4) weg weisenden Ende der Kolbenführung (8) angeordnet ist, aufweist, wobei das andere Ende (14) der Kolbenführung (8) geschlossen ist und gemeinsam mit einer Endfläche (15) des Kolbens (7) eine Kammer (16) begrenzt, die durch einen engen Durchlaß (51) mit der Auslaßseite (11) in Verbindung steht, und daß der Kolben (7) mit einem Druckausgleichskanal (17) zwi­ schen der Kammer (16) und der Auslaßseite (11) verse­ hen ist, wobei ein Steuerventil (18, 19) so angeordnet ist, daß es den Druckausgleichskanal (17) durch die Betätigungsvorrichtung (22) schließt und öffnet, die so ausgebildet ist, daß sie den Kolben (7) erst von seinem Sitz (12) weg bewegt, nachdem sie das Steuer­ ventil (18, 19) geöffnet hat.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung eine sich bezüglich des Kolbens (7) axial erstreckende Stange (22) ist, die durch den geschlossenen Endabschnitt (14) der Kolben­ führung (8) hindurch geführt ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (18, 19) einen kolbenförmigen Ventilkörper (18) aufweist, der in einer Führung im Hauptkolben (7) gleitet und mit einem Sitz (19) in der Endfläche (15) des Hauptkolbens (7) zusammenarbeitet und außerdem mit der Betätigungsvorrichtung (22) verbunden ist, und daß der Steuerventilkörper (18) mit dem Hauptkolben (7) mittels mindestens eines vorste­ henden Zapfens (28) gekoppelt ist, der in Eingriff mit einem kurzen, axialen Schlitz (29) im Hauptkolben (7) ist.

4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hauptkolbenführung (8) Öffnungen (13) für den Durchfluß des Gases dann, wenn der Hauptkolben (7) von seinem Sitz (12) weg bewegt worden ist, aufweist.

5. Doppeltwirkende Ventilanordnung mit einem Ventil nach Anspruch 1 und 2, insbesondere Atmungsventil (1) für Taucher, bei dem das Ventil (2) ein Ausatmungsventil bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausatmungs­ ventil (2) wie auch ein Einatmungsventil (3) nach dem selben Regelprinzip arbeiten und durch Betätigungs­ stangen (22 bzw. 45) und ein Gestänge mit einer ge­ meinsamen Fühlermembran (5) gekoppelt sind, die den Druck in einem Ventilgehäuse (4) abtastet und auf diesen reagiert, wobei die zwei Ventile (2, 3) in bezug auf das Ventilgehäuse (4) entgegengesetzt ange­ ordnet sind, und daß die Betätigungsstange (22) des Ausatmungsventils (2) durch den geschlossenen End­ abschnitt (14) der Kolbenführung (8) des Ventils (2) hindurch geführt ist, während die Betätigungsstange (45) des Einatmungsventils (3) durch den Hauptkolben (30) dieses Ventils hindurch geführt ist.