DE4438462C1 - Hochdrucksteuerventil mit Druckhilfsventildichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochdrucksteuerventil nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Aus der US-PS 265 178 ist ein derartiges Hochdrucksteuer­ ventil bekannt, bei welchem jedoch die Endfläche des Kol­ bens unmittelbar auf den Ventilsitz aufsetzt. Dies kann angesichts des vorgegebenen hohen Mediumdrucks zu Ab­ dichtungsproblemen führen.

Die DE-AS 12 88 857 beschreibt ein Hochdrucksteuerventil, bei welchem das Verschlußstück aus einer thermoplastischen Kunststoffmasse besteht. Das Verschlußstück ist hierbei balgartig ausgebildet, so daß hierdurch die Gefahr eines Ventilflatterns besteht.

Auch die US-PS 3 326 521 beschreibt ein Ventil mit einem Ventilschaft, dessen Spitze aus einem relativ weichen Mate­ rial besteht. Ein Bundring soll die flexible Schaftspitze formschlüssig an einer Profilierung des Ventilschaftes hal­ ten. Ein Druckausgleich, der die hohen Kräfte von der Ven­ tileinlaßseite kompensieren soll, ist hier nicht vorgese­ hen.

Schließlich ist aus der US-PS 3 298 389 ein Hochdruckventil entnehmbar, bei welchem ebenfalls ein Ausgleich der auf den Ventilschaft wirkenden Kräfte über eine Druckhilfskammer erfolgt, die an den Einlaßdruck angeschlossen ist. Die Ven­ tilschaftspitze ist hierbei jedoch materialeinheitlich mit dem Schaft ausgebildet, so daß zwei metallische Schließflä­ chen aufeinanderliegen, wodurch ein sicherer dauerhafter Verschluß nicht gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Hoch­ drucksteuerventil der eingangs genannten Art so auszuge­ stalten, daß ein Ventilflattern vermieden, eine hohe dauer­ hafte Abdichtung gewährleistet und ein Ausgleich der auf den Ventilschaft einwirkenden Kräfte aufrechterhalten wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Hochdrucksteuerventil mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, wobei hinsichtlich bevorzugter Ausgestaltungen des erfindungsge­ mäßen Hochdrucksteuerventils auf die Merkmale der Unteran­ sprüche verwiesen wird.

Die Erfindung löst das bisher bestehende Problem, indem ein Vollströmungsventil geschaffen wird, das für sehr hohe Systemfluiddrücke geeignet ist, beispielsweise 14 × 10⁴ kPa (20 000 PSI) und darüber. Die vorliegende Erfindung schafft ein Hochdrucksteuerventil, bei dem der Ventildifferential- Override minimiert wird, so daß ein Ventil mit verbesserter Leistung und Empfindlichkeit bei diesen hohen Fluiddrücken erhalten wird. Zusätzlich ist beim vorliegenden Ventil die Totbandcharakteristik im wesentlichen ausgeschaltet.

Die Erfindung schafft ferner ein Drucksteuerventil, das das bisherige Problem des Schaftratterns mittels eines verbes­ serten Tauchkolbenschafts und einer verbesserten Schaft­ spitzendichtcharakteristik vermeidet. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Steuerventil eine erhöhte Lebensdauer in aggressiven Umgebungen auf, so daß Abdichtungsprobleme auf­ grund von Korrosion oder Erosion tatsächlich vermieden wer­ den können. Ist Instandhaltung erforderlich, so weist das erfindungsgemäße Drucksteuerventil eine derartige Geometrie auf, daß es auf einfache Weise mit minimalen Kosten wieder instandgesetzt werden kann, indem lediglich die verbrauch­ ten Komponenten ersetzt werden. Zusätzlich schafft die Er­ findung eine austauschbare Schaftspitzenabdichtung, bei der Fluidundichtigkeiten bei den vorerwähnten hohen Drücken ausgeschaltet werden (Teflon ist bevorzugt).

Bei dem Ventil handelt es sich um ein Bolzen-Nadelventil mit "weicher Spitze", das für Fluidsysteme mit 14 × 10⁴ kPa (20 000 PSI) und mehr gedacht ist. Um die externe Kraft zu minimieren, die erforderlich ist, um das Fluid am Ventilkörpersitz abzudichten, wird ein einzigartiges druck­ unterstütztes Hauptteil verwendet, um eine niedrige externe Kraft zum Abdichten am Ventilsitz zu erreichen. Dies wird durch Variieren der Schaftflächen erreicht, so daß die zum Abdichten erforderliche externe Kraft wunschgemäß vorbe­ stimmt wird.

Es ist zu beachten, daß der Anmelder ein Hochdrucksteuer­ ventil mit einem eine "Null-Leckage" aufweisenden Polyamid­ schaft offenbart hat, der imstande ist, Hochdruckfluide mit niedrigen externen Kräften abzudichten. Die Polyamiddich­ tung ist verstärkt, um einer "Umfangsspannung" mit einem "aufgepreßten" Umfangsband zu widerstehen. Dieses Band ver­ hindert auch das Extrudieren des Polyamidmaterials. Die Mitte der Dichtung ist mit einer gebohrten Öffnung verse­ hen, um eine Verbindung mit der Druckhilfskammer zu schaf­ fen. Die Dichtung ist konisch geformt, so daß sie auf einen entsprechenden Konus auf dem Schaft paßt und zwischen der Schaftspitze ist ein Festsitz vorhanden, der, mit Ausnahme mittels externer Lösemittel, deren Entfernung unmöglich macht.

Der Schaft ist massiv gestaltet, um ein Verziehen zu ver­ hindern. Auf der Mittellinie ist eine Druckverbindungsöff­ nung zur Druckhilfskammer gebohrt. Am größten Durchmesser des Schafts ist eine Kolbendichtnut eingeformt, um die Druckhilfskammer abzudichten und eine nach unten gerichtete Kraft und Bewegung des Schaftes auszuüben, um eine Abdich­ tung am Ventilsitz zu bewirken. Das System ist mit einer "Ausblas"-Sicherung ausgestattet (der Schaft wird in der Stopfbüchse gehalten, so daß verhindert wird, daß sich der Schaft wie ein Projektilkörper bewegt, kein Abschuß). Im manuellen Steuerventil ist die Gewindelast auf den Sitz minimiert, und nicht auf die Haltesystemdrucklast.

Das Hochdrucksteuerventil kann derart gestaltet sein, daß es bei einem vorbestimmten Fluidsystemdruck öffnet. Der Ventilkörper weist eine zentrale, sich axial hindurcher­ streckende Bohrung mit einem Einlaß auf, um mit dem Hoch­ druckfluid zu kommunizieren, sowie wenigstens eine Auslaß­ öffnung, die quer durch den Ventilkörper hindurch ausgebil­ det ist. Die Stopfbüchse weist eine innere Bohrung auf, um den Ventilschaft verschiebbar (gleitbar) aufzunehmen. Der Ventilschaft hat einen nichtdrehbaren Stopfen mit weichem Sitz. In einer der manuell betätigten Versionen des Ventils ist ein mit einem Gewinde versehener Schaft vorgesehen, der nutzbar ist, während das Ventil unter Druck steht. Ein an­ deres manuell betätigtes Ventil weist zum Schließen eine Feder und zum Öffnen eine manuelle Druckkraft auf. Das Ven­ til kann ohne weiteres derart konvertiert werden, daß das Schließen mittels einer Feder und das Öffnen mittels Luft erfolgt. Das Ventil ist ohne weiteres derart konvertier­ bar, daß es normal geöffnet und mit Luft geschlossen wird. Das Ventil kann ohne weiteres derart konvertiert werden, daß das Öffnen oder Schließen von einem direkten Befehl durch Fernbetätigung erfolgt. Das Ventil mit einer aus­ tauschbaren Schaftspitze ermöglicht eine einfache Aus­ tauschbarkeit, um die Flußcharakteristiken des Ventils zu ändern. Der Ventilschaft ist in der zylindrischen Stangen­ bohrung am Boden der Haltebohrung abgestützt, so daß es sich bei dem Schaft daher um einen schwimmenden Schaft han­ delt, der derart am Vorrichtungsbetätigungsglied befestigt ist, daß während der linearen Bewegung des Schaftes eine nicht gebundene Bewegung gestattet ist. Es ist sehr wün­ schenswert, daß man den Schaft selbst seinen Mittelpunkt auf dem Ventilsitz finden läßt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Längsquerschnitt eines manuell betätigten Ventils gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung des Ventils von Fig. 1,

Fig. 3 eine Vorderansicht eines luft- oder hydraulisch betätigten Steuerventils,

Fig. 4 eine Vorderansicht eines normalerweise geschlos­ senen hydraulisch oder luftbetätigten Ventils gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine Vorderansicht eines normalerweise geöffne­ ten hydraulisch oder luftbetätigten Ventils ähn­ lich dem Ventil von Fig. 4,

Fig. 6 eine Vorderansicht eines doppelwirkenden, hydraulisch oder mit Luft in die Öffnungs- und Schließstellung bringbaren Ventils gemäß der Er­ findung,

Fig. 7 eine Vorderansicht eines direkt wirkenden Ven­ tils mit Elektromagnetventil gemäß der Erfin­ dung,

Fig. 8 eine Vorderansicht eines manuell gesteuerten Ventils gemäß der Erfindung,

Fig. 9 eine Vorderansicht eines durch Anheben in die Öffnungsstellung bringbaren, normalerweise ge­ schlossenen Ventils gemäß der Erfindung,

Fig. 10 eine vergrößerte Explosionsteildarstellung eines Teils des Schaftes und der Schaftspitze gemäß der Erfindung und

Fig. 11 eine schematische Darstellung des Ventils von Fig. 1.

Aus den Fig. 1 und 2 ist ein Hochdrucksteuerventil 10 ersichtlich, das einen Körper 12, einen Schaft 14 und eine Stopfbüchse 16 aufweist. Der Ventilkörper 12 kann an einem Träger mittels Ansätzen befestigt sein, die in Befesti­ gungslöcher 66 eingreifen.

Der Schaft 14 weist einen Kolben 15 auf, der an diesem in­ tegral befestigt ist und eine abdichtende Ringnut 17 und einen Dichtring 19 aufweist. Der Kolben 15 ist in einer Druckhilfskammer 28 verschiebbar aufgenommen. Der Schaft 14 weist einen vergrößerten unteren Teil 36 auf, der am Kolben 15 integral befestigt und beträchtlich massiver als das mit einem Gewinde versehene obere Ende 44 des Schaftes 14 aus­ geführt ist. Der untere Teil 36 des Schaftes 14 ist in einer Buchse 38 verschiebbar aufgenommen. Die Druckhilfs­ kammer 28 ist durch eine Senkbohrung 28′ in der Stopfbüchse 16 ausgebildet. Der Kolben 15 ist in der Senkbohrung 28′ aufgenommen.

Die Stopfbüchse 16 hat ein mit einem Gewinde versehenes un­ teres Ende 35, das in eine Senkbohrung 33 des Körpers 12 eingeschraubt und durch eine Gegenmutter 56 festgelegt ist. Das untere Ende 35 der Stopfbüchse 16 weist eine Senkboh­ rung 27 auf, das das obere Ende 45 der Buchse 38 aufnimmt. Das obere Ende der Stopfbüchse 16 ist mit einer Bohrung 13 versehen. Der Schaft 14 erstreckt sich durch die Bohrung 13 hindurch.

Am Schaft 14 ist eine Handhabe 18 befestigt, die als Betä­ tigungsmittel für das Ventil 10 wirkt.

Eine konische Axialbohrung 26 des unteren Teils 36 des Schafts 14 nimmt einen konischen Schaft 32 der Schaftspitze 30 mit Preßsitz auf.

Die Schaftspitze 30 besteht aus einem Material, das die Ei­ genschaften von Polyamid hat. Die Schaftspitze 30 weist einen konischen Teil 40 und einen zylindrischen Zwischenteil 29 auf. Der Zwischenteil 29 hat eine nach oben gerichtete Nut 37, den konischen Schaft 32 und eine Bohrung 46. Die Nut 37 ist im Zwischenteil 29 ausgebildet, der einen Flansch 21 bildet. Ringförmige ebene Enden 59 des Schafts 14 liegen am ebenen Boden der Nut 37 auf. Die Schaftspitze 30 ist in einen Bundring 34 aus rostfreiem Stahl eingepreßt. Auf diese Weise wird eine nach oben gerichtete Kraft auf die Schaftspitze 30 ausgeübt, wenn diese auf dem Ventilsitz 49 aufliegt und ein Fluid unter hohem Druck in einen Einlaß 22 eingeführt wird. Auf die obere Seite des Kolbens 15 wird durch das Fluid vom Einlaß 22 Druck aufgebracht, der zur Kraft auf die Schaftspitze 30 entgegengesetzt ist, wodurch es einfach ist, die Schaftspitze 30 von einer offenen in eine geschlossene Stellung zu bewegen und umgekehrt.

Eine mit einem Gewinde versehene Senkbohrung 31 des oberen Endes der Stopfbüchse 16 nimmt ein mit einem Gewinde verse­ henes unteres Ende 39 einer Schafthülse 14′ auf. Am oberen Ende 44 des Schaftes 14 sind Muttern 41 aufgenommen.

Die Buchse 38 liegt an einer Schaftdichtung 52 an, die ih­ rerseits an einer Bodenscheibe anliegt. In einer Seite der Stopfbüchse 16 in der Nähe des unteren Endes 35 der Stopf­ büchse 16 ist ein Belüftungsloch 53 gebohrt, um Luft aus dem Raum unterhalb des Kolbens 15 durch das Belüftungsloch 65 im Körper 12 zu entlüften. Der Schaft 14 erstreckt sich durch die Bohrung 54 in der Buchse 38, durch die Schaft­ dichtung 52 und durch die Bodenscheibe 50 hindurch.

Eine Verbindungsöffnung 42 des Schaftes 14 erstreckt sich von der Schaftspitze 30 zu einer seitlichen Bohrung 55 im Schaft 14 und verbindet den Einlaß 22 mit der Druckhilfs­ kammer 28. Das Fluid in der Verbindungsöffnung 42 gleicht dem Druck der Druckhilfskammer 28 an den Fluiddruck im Ein­ laß 22 an. Der Druck von der Einlaßkammer 22 übt einen nach oben gerichteten Druck auf die gesamte Fläche des Teils des unteren Endes der Schaftspitze 30, abzüglich der Fläche der Verbindungsöffnung 42, aus. Die Verbindungsöffnung 42 ist mit der Druckhilfskammer 28 verbunden. Der Druck in der Druckhilfskammer 28 übt eine nach unten gerichtete Kraft auf den Kolben 15 aus, welche zur nach oben gerichteten Kraft auf die Schaftspitze 30 entgegengesetzt ist. Da die Fläche des Kolbens 15, die dem Druck in der Druckhilfskam­ mer 28 ausgesetzt ist, größer ist als die Nettofläche der Schaftspitze 30, die dem Einlaßdruck ausgesetzt ist, wird eine nach unten gerichtete Kraft auf den Schaft 36 aus­ geübt, die eine Kraft auf die Schaftspitze 30 ausübt, wel­ che das Ventil zu schließen versucht.

Eine zentrale Bohrung 60 im Körper 12 erstreckt sich zwi­ schen dem Einlaß 22 und einem Auslaß 24 des Körpers 12.

Die zentrale Bohrung 60 weist eine erste Senkbohrung 20 auf, die eine Seitenwand hat. Die Seitenwand endet am Ven­ tilsitz 49 für die Schaftspitze 30. Eine zweite Senkbohrung 51 im Körper 12 nimmt die Buchse 38, die Bodenscheibe 50 und die Schaftdichtung 52 auf.

Löcher 80 stützen ein Kraftbetätigungselement wie das in Fig. 3 gezeigte Betätigungselement 118 ab.

Am unteren Teil 36 des Schaftes 14 und an der Stopfbüchse 16 liegt eine Feder 90 an, die den Schaft 14 nach unten in Richtung des Ventilsitzes 49 drängt.

Die in den Fig. 3-7 gezeigten erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsformen zeigen jeweils einen Ventilmechanismus, der ähnlich zum in Fig. 1 gezeigten Ventilmechanismus ist, wo­ bei jedoch anstelle einer manuellen Handhabe eine Kraftbe­ tätigungsvorrichtung am Ventilschaft befestigt ist.

Bei der in Fig. 3 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungs­ form weist das Ventil 110 einen Körper 112 mit einem Einlaß 122 und einem Auslaß 124 auf. Ein Motorbetätigungselement 118 ist auf dem Körper 112 mittels Bolzen 182 gehaltert. Das Ventil 110 hat eine Stopfbüchse 116 und einen Ventil­ schaft 114. Befestigungslöcher 166 sind für Haltemittel vorgesehen, um den Körper 112 auf einem Träger zu haltern.

Öffnungen 113, 115 sind vorgesehen, um Fluidverbinder zu betätigen.

In der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform kann das Ventil 210 durch einen doppelt wirkenden Lufthydraulikzylinder 218 betätigt werden, der am Schaft 214 befestigt ist. Eine Druckfeder 290 drängt den Schaft 214 in eine geschlossene Position, wodurch ein normal geschlossenes Ventil gebildet wird. In der in Fig. 5 gezeigten erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsform weist das Ventil 310 einen Körper 312 und einen doppelwirkenden Luft- oder Hydraulikzylinder 318 auf. Eine Druckfeder 390 drängt den Schaft 314 in eine geöffnete Po­ sition, wodurch ein normal geöffnetes Ventil gebildet wird.

Die erfindungsgemäße Ausführungsform von Fig. 6 zeigt ein Ventil 410 mit einem Körper 412. Ein doppelt wirkender Luft- oder Hydraulikzylinder 418 ist mit einem Ventilschaft 414 verbunden, wodurch ein doppelt wirkendes Ventil gebil­ det wird.

Die erfindungsgemäße Ausführungsform von Fig. 7 zeigt ein Ventil 510 mit einem Körper 512. Eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 518 ist am Ventilschaft 514 befe­ stigt und kann aus einem einfach- oder doppelt wirkenden Elektromagneten bestehen.

In der erfindungsgemäßen Ausführungsform von Fig. 8 weist das Ventil 610 einen mit einem Gewinde versehenen Schaft 614 auf. Eine manuell drehbare Handhabe 618 betätigt den Schaft 614, wodurch der Schaft 614 in den Körper 612 hin­ ein- und aus diesem herausbewegt wird.

Die erfindungsgemäße Ausführungsform von Fig. 9 zeigt ein manuelles Ventil 710 mit einer Druckfeder 790. Die Druckfe­ der 790 drängt den Schaft 714 in eine geöffnete oder ge­ schlossene Position. Eine manuelle Handhabe 718 ist am Schaft 714 befestigt. Die befestigte Handhabe 720 ist am Ventilkörper 712 mittels eines Trägers 719 befestigt. Die befestigte Handhabe 720 trägt die Hand einer Bedienungsper­ son, während die Finger der Bedienungsperson die Handhabe 720 ergreifen, um die Handhabe 718 gegen die Kraft der Fe­ der 790 anzuheben, um das Ventil zu öffnen.

Claims (4)

1. Hochdrucksteuerventil mit einem Ventilkörper (12), der eine zentrale Bohrung (60) aufweist, einem Einlaß (22) und einem Auslaß (24), einem Ventilsitz (49) zwischen dem Einlaß (22) und dem Auslaß (24), einem Ventilschaft (14), der verschiebbar in der zentralen Bohrung (60) aufgenommen ist, einem Kolben (15), der am Ventilschaft (14) ge­ halten ist, sowie eine am Ventilkörper (12) ausgebildete Druckhilfskammer (28), in welcher der Kolben (15) verschiebbar aufgenommen ist, gekennzeichnet durch
eine im Ventilschaft (14) ausgebildete zentrale Verbin­ dungsöffnung (42),
eine konische Axialbohrung (26) in einem ersten Ende des Ventilschaftes (14), welche mit der Druckhilfskammer (28) verbunden ist und einen Anschluß zur zentralen Verbindungs­ öffnung (42) bildet,
wobei die Schaftspitze (30) aus einem weichen Material be­ steht, einendseitig einen konischen Teil (40) und auf der dieser gegenüberliegenden Seite einen von der konischen Bohrung (26) des Ventilschaftes (14) aufgenommenen Kegel (32) aufweist,
sowie eine sich durch die Schaftspitze (30) erstreckende Bohrung (46), die den Kegel (32) und den konischen Teil (40) durchgreift und mit der zentralen Bohrung (60) kommuniziert, wodurch im Einlaß (22) vorhandenes Fluid unter Druck mit der Druckhilfskammer (28) kommuniziert, wodurch eine Kraft auf den Kolben (15) ausgeübt und hierdurch der konische Teil (40) der Schaftspitze (30) in Richtung des Ventilsitzes (49) gedrängt wird.

2. Hochdrucksteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaftspitze (30) einen zylindri­ schen Zwischenteil (29) und einen Bund (34) aufweist, der sich um den zylindrischen Zwischenteil (29) herumerstreckt.

3. Hochdrucksteuerventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (14) einen vergrößerten unteren Teil (36) aufweist, der sich vom Kolben (15) zur Schaftspitze (30) erstreckt und einen we­ sentlich größeren Durchmesser aufweist als der Schaft (14) auf der Seite des Kolbens (15), die dem vergrößerten unteren Teil (36) gegenüberliegt.

4. Hochdrucksteuerventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckfeder (90) in der Druckhilfskammer (28) angeordnet ist, die an dem Ventilschaft (14) angreift und hierauf eine Kraft in Rich­ tung des Ventilsitzes (49) ausübt.