DE3636348A1 - Reduzierventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Reduzierventil mit einem Einlaßkanal, einem Auslaßkanal und einer Ventilöffnung mit einem eingangsseitigen federbelasteten Ventilkörper, dessen Stößel sich durch die Ventilöffnung erstreckt und an der Ventilspindel einer beweglichen Querfläche der Ventilbetäti­ gung anliegt.

Bei Reduzierventilen dieser Art wird der Fluiddruck der Primärseite auf einen vorgegebenen Druck an der Senkundär­ seite durch Änderung des Öffnungsquerschnitts mit Hilfe eines durch das Fluid selbst betätigten Ventilkörpers einge­ stellt.

Bekannt ist ein direkt betätigtes Reduzierventil, bei dem ein vom Sekundärdruck beaufschlagtes Teil, beispielsweise eine Membrane, den Ventilkörper direkt betätigt. Des weite­ ren ist ein mit einem Führungsventil versehenes Reduzierven­ til bekannt, bei dem ein direkt beaufschlagtes Ventil als Führungsventil dient und der Ventilkörper des Hauptventils in Abhängigkeit von einem eingestellten Druck betätigt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf beide Arten von Ventilen und betrifft die Ausbildung der Verbindung zwischen dem Haupt­ ventil und dessen Betätigung.

Die Norm HASS-106-1978 ("Heating Air-Conditioning and Sani­ tary Standard") legt folgende Terminologie fest:

Minimale regulierbare Strömungsrate: Geringste Strömungs­ rate im Reduzierventil, bei der sich noch ein stetiger Strömungszustand aufrechterhalten läßt.

Ansprechdruck: Druck auf der Sekundärseite bei der minima­ len regulierbaren Strömungsrate.

Differenzdruck: Die Druckdifferenz zwischen dem Ansprech­ druck auf der Sekundärseite und dem Druck auf der Sekundär­ seite, der sich in dem Maße ändert, wie sich die Strömungs­ rate graduell von der minimalen regulierbaren Strömungsrate bis zu der eingestellten Strömungsrate des Reduzierventils bei konstantem Druck auf der Primärseite ändert.

Festgesetzte Strömungsrate: Die maximale Strömungsrate, die sich bei konstantem Druck auf der Primärseite und einer bestimmten Druckdifferenz erreichen läßt.

Bei herkömmlichen Reduzierventilen ist die Strömungsrate durch eine verhältnismäßig große Druckdifferenz und eine verhältnismäßig niedrige festgesetzte Strömungsrate gekenn­ zeichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ansprech­ empfindlichkeit und die Strömungscharakteristik des Ventils zu verbessern und insbesondere ein Reduzierventil zu schaf­ fen, das sich durch einen geringen Differenzdruck und eine hohe festgesetzte Strömungsrate auszeichnet.

Konstruktiv dürfte die Begrenzung der Strömungsrate auf die Tatsache zurückzuführen sein, daß bei der Abwärtsbewegung der den Ventilkörper betätigenden Ventilspindel der Ventil­ körper von dem durch die Ventilöffnung strömenden Fluid beaufschlagt sowie nach oben gedrückt wird und dabei zu vibrieren beginnt.

Daraus ergibt sich im Hinblick auf eine Verbesserung der Strömungscharakteristik die Notwendigkeit, die Verbindung zwischen der Ventilbetätigung und dem Ventilkörper zu ver­ bessern.

Dies geschieht bei einem Reduzierventil der eingangs erwähn­ ten Art erfindungsgemäß in der Weise, daß der Übergang zwi­ schen der beweglichen Querfläche der Ventilbetätigung, bei­ spielsweise einem Kolben oder einer Membran, und der die Kolbenbewegung auf den Ventilkörper übertragenden Ventil­ spindel eine zumindest überwiegend nach außen gewölbte Ober­ fläche besitzt, die auch aus Teilflächen bestehen kann.

Bei einem direkt arbeitenden Reduzierventil handelt es sich um den Übergang zwischen einer Membran und der Ventilspin­ del, bei einem Reduzierventil mit einem Führungsventil um den Übergang zwischen der Kolbenunterseite und der Kolben­ stange.

Vorzugsweise besitzt der Übergang eine kalottenförmige Ober­ fläche. Dabei kann der Übergang etwas größer oder auch et­ was kleiner als eine Halbkugel sein oder einer Halbkugel mit einer zylindrischen Verlängerung entsprechen.

Dieselbe Wirkung läßt sich auch mit einer gewölbten Ober­ fläche erreichen, die sich von einer konischen Oberfläche ausgehend nach außen wölbt, beispielsweise eine Oberfläche mit elliptischem Profil. Derartige gewölbte Flächen fallen unter den im vorliegenden Zusammenhang benutzten Begriff "im wesentlichen halbkugelförmige Oberfläche".

Die Wölbung des Übergangs zwischen der beweglichen Querflä­ che und der Kolbenstange läßt sich durch Biegen einer ebe­ nen Fläche in einer Richtung oder zu einer kalottenförmigen oder elliptischen Fläche erreichen. An der Verbindungsstel­ le zwischen den die gewölbte Fläche insgesamt bildenden Teilflächen ergibt sich eine Kante, die gerundet werden kann.

Der Fluidstrom gelangt bei dem erfindungsgemäßen Ventil direkt zu der beweglichen Querfläche der Ventilbetätigung; er trifft dabei auf den gekrümmten Übergang und strömt längs dessen Oberfläche.

Im unteren Teil des gewölbten Übergangs, d.h. im Bereich der Querfläche nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu und ist der statische Druck gering. Demgegenüber ist im Bereich des oberen Teils die Strömungsgeschwindigkeit gering und der statische Druck hoch. Als Folge davon werden die beweg­ liche Querfläche und die Kolbenstange bzw. die Ventilspin­ del nach unten, d.h. in Richtung der Ventilöffnung gezogen. Mit anderen Worten: Der aus dem die Ventilöffnung verlas­ senden Fluidstrom resultierende Druck wirkt nicht unmittel­ bar auf die bewegliche Querfläche, sondern leicht gedämpft und teilweise absorbiert infolge der sich in der vorerwähn­ ten Weise an dem erfindungsgemäßen Übergang einstellenden Druckdifferenz, die den Ventilkörper um ein entsprechendes Stück von der Ventilöffnung wegbewegt bzw. einen entspre­ chend größeren Öffnungsquerschnitt ergibt.

Der gewölbte Übergang wirkt selbstzentrierend in bezug auf den die Ventilöffnung verlassenden Fluidstrahl. Tatsächlich strömt das Fluid am Umfang des Übergangs jeweils mit dersel­ ben Geschwindigkeit längs der gesamten Oberfläche des Über­ gangs, wenn die Achse des Übergangs mit der Achse des Fluid­ strahls zusammenfällt. Bei einem demgegenüber abgelenkten Fluidstrom ist die Strömungsgeschwindigkeit an der Oberflä­ che des Übergangs hingegen unterschiedlich, so daß sich ein ungleichmäßiger statischer Druck ergibt und der Über­ gang in die Strahlachse gedrückt wird. Demzufolge können sich die bewegliche Querfläche der Ventilbetätigung und die Ventilspindel bzw. die Kolbenstange ohne Vibration oder Neigung längs der Mittelachse des Fluidstroms bewegen und ergeben sich geringe Schwankungen des Sekundärdrucks sowie eine geringe Druckdifferenz. Da sich die bewegliche Quer­ fläche der Ventilbetätigung und der Betätigungsstößel gleichmäßig und genügend weit in Richtung der Ventilöffnung bewegen, ergibt sich erfindungsgemäß eine geringe Druckdif­ ferenz und eine hohe Strömungsrate.

Darüber hinaus variiert der Druck auf der Sekundärseite nur ganz gering, da die bewegliche Querfläche und der Betäti­ gungsstößel kaum vibrieren und nur geringen Diagonalkräften unterworfen sind. Des weiteren unterliegen die Gleitflächen des Kolbens und des Zylinders sowie des Ventilkörpers und des Ventilsitzes nur einem geringen Verschleiß, so daß sich eine hohe Standzeit und eine große Zuverlässigkeit ergeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläu­ tert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben,

Fig. 2 bis 4 Längsschnitte durch weitere verschiedene Kol­ ben nach der Erfindung,

Fig. 5 eine Bodenansicht des Kolbens der Fig. 4,

Fig. 6 eine Seitenansicht des Kolbens der Fig. 5 senk­ recht zu der Linie III-III in Fig. 5,

Fig. 7 und 8 Bodenansichten zweier erfindungsgemäßer Kol­ ben und

Fig. 9 einen Längsschnitt durch ein herkömmliches Redu­ zierventil.

Die erfindungsgemäßen Kolben besitzen eine Kolbenstange 1, einen Kolbenboden 2, gewölbte Flächen 10, 20 und 30, Über­ gänge 45, 75, 85 mit gewölbter Oberfläche oder gewölbte Teilflächen 47, 77, 87.

Das erfindungsgemäße Ventil besteht aus einem Reduzierven­ til 101, einem Dampfabscheider 102 und einem Auslaßventil 103.

Das Ventilgehäuse 110 weist einen Einlaßkanal 112, eine Ven­ tilöffnung 114 und einen Auslaßkanal 116 auf. Der Einlaßka­ nal wird an eine Quelle für ein Hochdruckfluid und der Auslaßkanal an einen Verbraucher des Niederdruckfluids ange­ schlossen. Die Ventilöffnung 114 ist als Ventilsitz ausge­ bildet, an dem eine unter dem Einfluß einer Spiralfeder stehende Ventilplatte 118 anliegt.

Ein hin- und herbeweglicher Kolben 10 befindet sich in ei­ nem Zylinder 120 und besitzt eine Kolbenstange 1, die sich in Kontakt mit einem Ventilstößel 115 der Ventilplatte 118 befindet und sich in die Ventilöffnung 114 hinein er­ streckt. Der Kolben 120 besitzt Umfangsnuten 14, 15 für Dichtungsringe 12, 13 sowie im Kolbenboden 2 eine Öffnung 11. Ein Durchlaßkanal 124 verbindet den Einlaßkanal 112 mit dem Raum oberhalb des Kolbens 120, d.h. der Kolbenkammer, und enthält ein Führungsventil 126. Zwischen Flanschen 130, 132 erstreckt sich eine Membrane 128. Der Raum unterhalb der Membrane ist mit dem Auslaßkanal 116 über einen Sekun­ därdruckdurchlaß 134 verbunden.

Das freie Ende einer Ventilspindel 136 des Führungsventils 126 befindet sich in Kontakt mit dem Zentrum der unteren Oberfläche der Membrane 128. Die Oberseite der Membrane 128 steht über eine Scheibe 138 unter dem Einfluß einer Rück­ stellfeder 140, deren Vorspannung sich mit Hilfe einer Stellschraube 144 im Gehäuse 110 einstellen läßt.

Durch Ein- oder Herausdrehen der Stellschraube 144 läßt sich die Kraft, mit der die Feder 140 die Membrane 128 nach unten drückt, verändern. Gegen die Kraft der Feder 140 als Referenzgröße bewegt sich die Membrane 128 in Abhängigkeit von dem an ihrer Unterseite wirksamen Sekundärdruck und bewegt die Ventilspindel 136 des Führungsventils 126 bzw. öffnet und schließt das Führungsventil. Dementsprechend wird der Fluiddruck der Primärseite in der Kolbenkammer des Kolbens 120 wirksam und verschiebt die Ventilplatte 118 des Hauptventils, so daß das Fluid vom Einlaßkanal 112 durch die Ventilöffnung 114 zum Auslaßkanal 116 strömen kann. Verringert sich der Fluiddruck sekundärseitig, dann ver­ größert sich der Öffnungsquerschnitt der Ventilöffnung 114 automatisch, während der Öffnungsquerschnitt geringer wird, wenn der Druck auf der Sekundärseite abfällt.

Unterhalb der Ventilöffnung 114 befindet sich ein Zylinder 146, zwischen dem und dem Ventilgehäuse 110 sich ein Ring­ raum 148 ergibt. Der obere Teil des Ringraums steht über ein konisches Sieb 150 mit dem Einlaßkanal 112 in Verbin­ dung, während sein unterer Teil in den oberen Teil einer Abscheidekammer 152 übergeht. Der obere Teil der Abscheide­ kammer 152 steht mit der Ventilöffnung 114 über den Innen­ raum des Zylinders 146 in Verbindung. In dem Ringraum 148 befindet sich eine Leitschaufel 154 aus mindestens einer geneigten Wand zum Erzeugen einer Wirbelbewegung des Fluids.

Die Leitschaufel 154 lenkt den Fluidstrom aus dem Einlaßka­ nal 112 im Ringraum 148 ab, von dem er zu der Ventilöffnung 114 gelangt. Auf diese Weise wird das Fluid zentrifugal in Richtung auf die Innenwandung des Ventilgehäuses abgelenkt und strömt abwärts durch die Abscheidekammer 152, während das leichtere Gas im Zentrum als Wirbel nach oben durch das Innere des Zylinders 146 abströmt und durch die Ventilöff­ nung 114 zum Auslaßkanal 116 gelangt.

Im Boden der Abscheidekammer 152 befindet sich ein Auslaß­ ventilsitz 158; er führt zu einer Auslaßöffnung 156. Eine Schwimmerkugel 160 ist beweglich in einer Fangkappe 164 mit Belüftungsöffnungen 162 im oberen Teil angeordnet. Die Schwimmerkugel 160 bewegt sich in Abhängigkeit vom Niveau des sich in der Kammer 152 sammelnden abgeschiedenen Was­ sers und öffnet oder schließt dementsprechend die Ventilöff­ nung 158, so daß das sich in der Abscheidekammer 152 sammelnde Wasser automatisch abfließt.

Bei dem erfindungsgemäßen Ventilkolben 10 der Fig. 1 befin­ det sich zwischen der Kolbenstange 1 und dem Kolbenboden 2 ein halbkugelförmiger Übergang 10.

Der Kolben 120 ist mit Kolbenringen 12, 13 in seinen Um­ fangsnuten 14, 15 in der Kolbenwandung 17 bzw. im oberen zylindrischen Kolbenteil versehen und gleitend in dem Gehäu­ sezylinder geführt. Der Kolbenboden 2 weist eine ebene Unterseite auf und ist mit einer Öffnung 11 versehen. Die Kolbenstange 1 besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und berührt mit ihrem freien Ende das obere Ende des Ventil­ stößels 115 an der Ventilplatte 118. Zwischen der Untersei­ te des Kolbenbodens 2 und der Kolbenstange 1 erstreckt sich die halbkugelförmige Oberfläche 10; sie geht in die Unter­ seite des Kolbens und die Kolbenstange in Form einer Kehle mit einem extrem geringen Radius oder in Gestalt einer unbearbeiteten Kehle über.

Der Außendurchmesser des Kolbens 120 kann 47 mm, der Außen­ durchmesser der Kolbenstange 7 mm, der Innendurchmesser der Ventilöffnung 20 mm ihre Höhe 16 mm, der Abstand zwischen der Unterseite des Kolbens 2 von der Ventilplatte 118, wenn die Kolbenstange 1 den Ventilstößel 15 berührt, 50 mm und der Radius der halbkugelförmigen Fläche 14 mm betragen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist die Übergangs­ fläche zwischen dem Kolbenboden und der Kolbenstange drei­ viertel-kugelförmig ausgebildet.

Der Kolben 120 ist gleitend im Gehäusezylinder geführt und weist Kolbenringe 12 und 13 in Umfangsnuten 14, 15 in der Kolbenwandung bzw. im oberen zylindrischen Kolbenteil auf. Der Kolbenboden besitzt eine ebene Unterseite und ist mit einer Öffnung 11 versehen. Die Kolbenstange 1 besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und berührt mit ihrem freien bzw. unteren Ende den Ventilstößel 115 an der Ventilplatte 118.

Der Kolbenboden bzw. die Unterseite des Kolbens und die Kolbenstange 1 sind über eine dreiviertel-kugelförmige Flä­ che 20 miteinander verbunden. Diese Kugelfläche 20 geht in Form einer Kehle in die Unterseite des Kolbenbodens über und bewirkt auf diese Weise ein sanftes Ablenken des Fluids. Hingegen geht die Kugelfläche 20 in Form einer Kehle mit extrem geringem Radius oder einer unbearbeiteten Kehle in die Kolbenstange über.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 erstreckt sich zwi­ schen dem Kolbenboden und der Kolbenstange 1 eine halbkugel­ zylindrische Fläche 30. Der Kolben 120 weist ebenfalls Kol­ benringe 12, 13 in Umfangsnuten 14, 15 in der Wandung 17 bzw. dem oberen zylindrischen Teil des Kolbens 120 auf. Der Kolbenboden besitzt eine ebene Unterseite und ist mit einer Öffnung 11 versehen. Die Kolbenstange 1 besitzt einen kreis­ förmigen Querschnitt und berührt mit ihrem freien bzw. unteren Ende den Stößel 115 der Ventilplatte 118.

Die Kolbenunterseite und die Kolbenstange 1 sind durch eine Zylinderfläche 39 miteinander verbunden, die zur Kolbenstan­ ge 1 hin in eine Halbkugelfläche 30 übergeht. Die Halbkugel­ fläche 30 geht in Form einer Kehle mit sehr geringem Radius oder in Form einer nicht bearbeiteten Kehle in die Kolben­ stange 1 über.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 4 bis 6 besteht der Übergang zwischen der Kolbenunterseite und der Kolben­ stange aus sechs gewölbten Teilflächen.

Der Kolben 120 ist gleitend im Gehäusezylinder geführt und weist Kolbenringe 12, 13 in Umfangsnuten 14, 15 in der Wandung 17 des oberen zylindrischen Kolbenteils auf. Der Kolbenboden 2 besitzt eine ebene Unterseite und ist mit einer Öffnung 11 versehen. Die Kolbenstange 1 besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und berührt mit ihrem unteren bzw. freien Ende den Stößel 115 der Ventilplatte 118.

Die Unterseite des Kolbenbodens und die Kolbenstange 1 sind wiederum über eine gewölbte Fläche 45 miteinander verbun­ den. Diese Fläche besteht aus sechs gewölbten Teilflächen, die am Übergang zu der Kolbenstange zusammenlaufen und sich in Kanten 49 berühren. Sämtliche Teilflächen 47 sind unter­ einander gleich, liegen einander paarweise gegenüber und sind kreisförmig um die Kolbenstange 1 angeordnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 besteht der Übergang zwischen der Kolbenunterseite und der Kolbenstange aus vier gekrümmten Teilflächen.

Der Kolbenboden besitzt eine ebene Unterseite und ist mit einer Öffnung 11 versehen. Die Kolbenstange 1 besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und berührt mit ihrem unteren bzw. freien Ende den Stößel 15 der Ventilplatte 118.

Der Kolbenboden und die Kolbenstange sind über eine gekrümm­ te Fläche 75 miteinander verbunden. Diese Fläche besteht aus vier, vom Kolbenboden ausgehenden und an der Kolbenstan­ ge zusammenlaufenden, einander in Kanten 79 berührenden gewölbten Teilflächen 77. Die Teilflächen 77 sind einander gleich, liegen einander paarweise gegenüber und sind kreis­ förmig um die Kolbenstange 1 angeordnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 besteht der Übergang zwischen dem Kolbenboden und der Kolbenstange aus drei ge­ wölbten Teilflächen.

Der Kolbenboden 2 besitzt eine ebene Unterseite und ist mit einer Öffnung 11 versehen. Die Kolbenstange besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und berührt mit ihrem unteren bzw. freien Ende den Stößel 115 der Ventilplatte 118. Der Übergang zwischen dem Kolbenboden 2 und der Kolbenstange 1 weist eine gewölbte Oberfläche 85 auf. Diese besteht aus drei gewölbten Teilflächen 87, die vom Kolbenboden ausgehen und an der Kolbenstange zusammenlaufen sowie einander in Kanten 89 berühren. Die Teilflächen 87 sind untereinander gleich und paarweise einander gegenüberliegend kreisförmig um die Kolbenstange 1 angeordnet.

Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 bis 8 kann die Kolbenstange auch einen unregelmäßigen Querschnitt mit ei­ ner Oberfläche aus Teilflächen besitzen, die winklig zuein­ ander verlaufen.

Alle Ausführungsbeispiele besitzen einen gewölbten Übergang zwischen einer beweglichen Querfläche, d.h. der Kolbenunter­ seite, und einer Ventilspindel in Gestalt einer Kolben­ stange. An die Stelle der Kolbenunterseite tritt bei einem Ventil mit direkt betätigtem Ventilkörper eine Membrane als bewegliche Querfläche.

Claims (6)

1. Reduzierventil mit einem Einlaßkanal, einem Auslaßka­ nal und einer Ventilöffnung mit einem eingangsseitigen federbelasteten Ventilkörper, dessen Stößel sich durch die Ventilöffnung erstreckt und an der Ventilspindel einer beweglichen Querfläche der Ventilbetätigung an­ liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwi­ schen der Querfläche (2) und der Ventilspindel (1) eine gewölbte Oberfläche (10; 20; 30, 39; 45; 75; 85) aufweist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang eine im wesentlichen kalottenförmige Ober­ fläche besitzt.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang, von der Ventilspindel (1) ausgehend, zunächst eine kalottenförmige Oberfläche besitzt, die zur beweglichen Querfläche (2) hin in eine zylindri­ sche Teilfläche (39) übergeht.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gewölbte Fläche aus einer kalot­ tenförmigen und einer konischen Teilfläche besteht.

5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewölbte Fläche (45; 75; 85) aus mehreren gewölb­ ten, kreisförmig um die Ventilspindel (1) angeordneten und untereinander im wesentlichen gleichen Teilflächen (47; 77; 87) besteht.

6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Teilflächen (47; 75; 85) in Kanten (49; 79; 89) berühren.