DE68908557T2

DE68908557T2 - Radialstromventil.

Info

Publication number: DE68908557T2
Application number: DE89907583T
Authority: DE
Inventors: Eugene Feild
Original assignee: Laminar Fluid Controls Inc
Current assignee: Laminar Fluid Controls Inc
Priority date: 1988-06-20
Filing date: 1989-06-19
Publication date: 1994-03-10
Anticipated expiration: 2009-06-20
Also published as: AU3844589A; US4895342A; EP0422077B1; WO1989012775A1; DE68908557D1; EP0422077A1; CN1039294A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Mengenregelventile und insbesondere Ventile, in denen ein Fluid zwischen zwei Sitzoberflächen radial nach innen und in eine Öffnung strömt, die mit einer der Sitzoberflächen kommuniziert.

2. Beschreibung verwandter technischer Bereiche

Ventile, bei denen ein Fluid zwischen zwei einander gegenüberliegenden, kreisförmigen Sitzoberflächen radial nach innen strömt, sind in der Technik bekannt. So beschreibt zum Beispiel US-Patent No. 3,856,043, erteilt an Field et al., eine auf Druck reagierende Fluidventilanordnung, bei der eine solche Strömung vorkommt. Bei Field et al. sind die einander gegenüberliegenden Ventilsitze an zwei einander gegenüberliegenden Ventilelement angebracht, von denen das erste im Verhältnis zum Ventilkörper befestigt und das zweite durch Federbelastung zum ersten hin gespannt ist. Ein Fluid wird der Außenperipherie der Arbeitsflächen zugeleitet und strömt dazwischen radial nach innen und in eine Bohrung, die im zweiten Ventilelement ausgebildet ist und mit der Arbeitsfläche des zweiten Ventilelements kommuniziert.
Die Ventilanordnung nach Field et al. reguliert den Druck genau in einem breiten Bereich relativ niedriger Durchflußmengen. Bei höheren Durchflußmengen verhindert jedoch der seitlich auf das bewegliche (zweite) Ventilelement ausgeübte Druck, wie im Patent angegeben, eine genaue Regulierung.
Ebenfalls im Patent angegeben ist, daß sich die Druckverteilung zwischen den Arbeitsflächen von den radial äußeren Peripherien der Arbeitsflächen zu der Öffnung hin, die am zweiten Ventilelement zentriert ist, exponentiell verringert. Dieser Gesichtspunkt der bei Field et al. beschriebenen Ventilanordnung ist in Verbindung mit dem Aufbau und der Funktionsweise der in diesem Patent beschriebenen Vorrichtung nicht notwendigerweise von Nachteil; er hat sich jedoch als äußerst nachteilig bei Ventilen erwiesen, die mit einander gegenüberliegenden Arbeitsflächen arbeiten, wobei eine der Arbeitsflächen an einem druckausgeglichenen Kolben, zum Beispiel in einem Druckregel-, Druckentlastungs- oder Druckreduzierventil, angebracht ist. Wenn die Arbeitsflächen solcher Ventile im wesentlichen mit einem Abstand zueinander arbeiten, bietet ein solches druckausgeglichenes Ventil keine Probleme; wenn sich die Arbeitsflächen jedoch aneinander annähern, fällt der Druck zwischen den Flächen ab und das Ventil wird zugeschlagen, statt weiterhin seine Druckregel-, Entlastungs- oder Reduzierfunktion wahrzunehmen.
Ausgehend von der US-A-3856043 ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß Kanäle für die Weiterleitung des auf die Arbeitsflächen des zweiten Ventilelements einwirkenden Drucks zu der genannten Rückseite vorhanden sind und daß die Arbeitsflächen der ersten und zweiten Ventilelemente im wesentlichen den gesamten Druck eingrenzen, der an einer in Nähe der genannten Öffnung liegenden Stelle für im wesentlichen alle Abstandspositionen der Arbeitsflächen abgefallen ist, wenn sich das Ventil in Betriebsstellung befindet.
Eine solche Konstruktion einer Radialventilanordnung ist in der Lage, die oben aufgezählten Nachteile beim bisherigen Stand der Technik zu überwinden und Durchflußmenge und Druck in einem breiten Bereich und bei äußerst hohen Durchflußmengen und Drücken genau zu steuern. Die Ventilanordnung kann verschleißfest sein und bei hohen Durchflußmengen und Drücken relativ geräuscharm sein.
Damit die vorliegende Erfindung besser verstanden wird, folgt lediglich als Beispiel eine Beschreibung, worin auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, die folgendes darstellen:
Figur 1 ist ein Seitenriß eines ersten Ventils, ausgeführt entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 ist eine Ansicht entlang der Linie 2-2 aus Figur 1.
Figur 3 ist eine Ansicht entlang der Linie 3-3 aus Figur 2.
Figur 4 ist eine Ansicht entlang der Linie 4-4 aus Figur 2.
Figur 5 ist eine ähnliche Ansicht wie in Figur 4, wobei die Konstruktion in einer etwas anderen Konfiguration dargestellt als in Figur 4.
Figur 6 ist eine Ansicht entlang der Linie 6-6 aus Figur 2.
Figur 7 ist eine schematische Querschnittansicht ähnlich der aus Figur 3, die eine erste Konfiguration des Ventils zeigt.
Figur 8 ist eine schematische Querschnittansicht ähnlich der aus Figur 3, die eine zweite Konfiguration des Ventils zeigt.
Figur 9 ist eine schematische Querschnittansicht ähnlich der aus Figur 3, die eine dritte Konfiguration des Ventils zeigt.
Figur 10 ist eine schematische Querschnittansicht des Ventils ähnlich der aus den Figuren 4, 5 und 6, jedoch mit vertauschten Positionen bei Stopfen und Ventileinsatz.
Figur 11 ist eine schematische Querschnittansicht des Ventils in der gleichen Konfiguration wie in den Figuren 4 bis 6 dargestellt.
Figur 12 ist ein Seitenriß eines zweiten Ventils, welches entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Figur 13 ist eine Ansicht entlang der Linie 13-13 aus Figur 12.
Figur 14 ist eine Ansicht entlang der Linie 14-14 aus Figur 12.
Figur 15 ist eine Ansicht entlang der Linie 15-15 aus Figur 14.
Figur 16 ist eine Ansicht entlang der Linie 16-16 aus Figur 14.
Figur 17 ist eine Querschnittansicht eines dritten Ventils, welches entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
Figur 18 ist eine Ansicht entlang der Linie 18-18 aus Figur 17.
Figur 19 ist eine perspektivische Ansicht des oberen Teils des in Figur 17 dargestellten Ventils.
Figur 20 ist eine Teil-Querschnittansicht eines vierten Ventils, welches entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORZUZIEHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wenden wir uns nunmehr den Figuren 1 und 2 zu, so ist mit 10 allgemein ein Ventil bezeichnet, welches in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist. Das Ventil 10 enthält ein Gehäuse oder einen Körper 12, bestehend aus einem oberen Teil 14, einem mittleren Teil 16 und einem unteren Teil 18. Jeder Ventilkörperteil ist im wesentlichen von zylindrischer Form. Der untere Teil 18 enthält jedoch ein einander gegenüberliegendes Paar von flachen Oberflächen, von denen eine die Fläche 20 ist, die so bearbeitet ist, daß das Ventil 10 mittels Gewinde mit anderen Bauteilen in Eingriff gebracht werden kann, die später noch näher erläutert werden. Auf ähnliche Weise enthält der mittlere Teil 16 ein einander gegenüberliegendes Paar von flachen Oberflächen 22, 24, die daran für den gleichen Zweck ausgebildet sind. Der mittlere Teil 14 enthält ein Paar von einander gegenüberliegenden Einsatzmontagestümpfen 26, 28, die aus einem Stück mit dem mittleren Teil ausgebildet sind.
Am Stumpf 26 angebaut ist ein Stopfen 30, der eine Vielzahl von radialen Bohrungen enthält, von denen zwei Bohrungen 32, 34 so ausgebildet sind, daß das Ein- und Ausschrauben des Stopfens 30 im Stumpf 26 erleichtert wird. Der Stopfen 30 enthält weiterhin eine Vielzahl von Sicherungsschrauben, von denen eine die Schraube 36 ist, die darin ihren Sitz hat. Jede der Sicherungsschrauben schlägt an der radialen Außenfläche (in Figur 1 nicht zu sehen) des Stumpfs 26 an und verhindert dadurch eine Drehbewegung des Stopfens 30. Eine Querschnittansicht des Stopfens 30 und des Stumpfs 26 ist in Figur 6 dargestellt und wird anschließend im einzelnen beschrieben.
Eine Einsatzventilanordnung 38 ist am Stumpf 28 angebracht. Die Einsatzventilanordnung wird hier auch als Mittel zur verstellbaren Einschränkung der Durchflußmenge beschrieben. Radiale Bohrungen, von denen zwei die Bohrungen 40, 42 sind, sind an der mit der Einsatzventilanordnung 38 verbundenen Konstruktion ausgebildet, um deren Anbringung und Entfernung mittels Gewinde zu ermöglichen. Ebenfalls Bestandteil der Einsatzventilanordnung ist eine Sicherungsmutter 44, die hier ebenfalls als Befestigungsmittel beschrieben wird. Einsatzventilanordnung 38, Stumpf 28 und die damit verbundene Konstruktion sind als Querschnitt in zwei unterschiedlichen Konfigurationen in den Figuren 4 und 5 dargestellt und werden anschließend näher beschrieben.
Eine Platte 46, worauf hier auch als Gehäuse Bezug genommen wird, ist mit dem oberen Teil 14 des Ventilkörpers über fünf Bolzen verschraubt, einer davon ist der Bolzen 48, der, wie dargestellt, um die Mitte der Platte 46 angeordnet ist. Ein im wesentlichen zylindrischer Federmantel 50, worauf hier auch als Aufnahmemittel und als rohrförmiges Element Bezug genommen wird, ist an der oberen Platte 46 mittels fünf Bolzen, unter anderem des Bolzens 52, angebracht, die konzentrisch um die Mitte des Federmantels angeordnet sind. Oben am Federmantel 50 befindet sich eine Justiermutter 54, auf die hier auch als verstellbares Anschlagmittel Bezug genommen wird.
In Platte 46 ist eine Öffnung 56 ausgebildet, die die Fluidkommunikation zwischen der Innenseite von Platte 46 und deren Außenseite in einer Weise herstellt, die weiter unten noch genauer erklärt wird.
Ähnliche Öffnungen 58, 60, 62 sind im Ventilkörper 12 zum gleichen Zweck ausgebildet und sind ebenfalls Gegenstand einer detaillierteren Beschreibung, die weiter unten folgt.
Wenden wir uns nunmehr der Figur 3 zu, so wurde diese Konstruktion in Verbindung mit den Beschreibungen zu den Figuren 1 und 2 bereits gekennzeichnet und trägt die gleiche Bezugszahl wie in Figur 3. Zu beachten ist, daß die in Figur 3 abgebildeten Öffnungen 56, 58, 60, 62 bei der Ansicht nach Figur 3 um 90º im Uhrzeigersinn (siehe Ansicht in Figur 2) dargestellt sind. Dadurch reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Zeichnungen und dies dient nur der Veranschaulichung.
Die Justiermutter 54, die am besten in den Figuren 1 und 2 zu sehen ist, enthält einen oberen Sechskantteil und einen unteren zylindrischen Gewindeteil 66 (in Figur 1 und 3), so daß eine Gewindeverbindung mit den Gewinden 68 an der radialen Innenfläche des oberen Teils des Federmantels 5 hergestellt werden kann. Eine koaxial mit der Mutter 54 ausgebildete axiale Bohrung 70 nimmt einen oberen Teil 72 eines Ventilelements 74 auf.
Der obere Teil 72 sitzt auch in einer koaxialen Bohrung 76, die im Federmantel 50 ausgebildet ist. Über den oberen Teil 72 befestigt ist ein Vorspannmittel oder eine Feder 78, die zwischen einem Lager 80 (worauf hier auch als Lagermittel Bezug genommen wird) am oberen Ende und einer nach oben gerichteten ringförmigen Schulter 82 angeordnet ist, die um den Kreisumfang des Ventilelements 74 verläuft. Das Lager 80 liegt zwischen der unteren Fläche der Justiermutter 54 und der oberen Fläche der Feder 78. Es ist zu erkennen, daß die Justiermutter 54 ein- und ausgeschraubt werden kann, wodurch sich der Umfang verändert, in dem die Feder 78 zusammengedrückt wird, und damit ändert sich auch die von der Feder auf das Ventilelement 74 ausgeübte abwärts gerichtete Vorspannwirkung.
Eine mit Gewinde versehene Radialbohrung 84 erlaubt die Fluidkommunikation zwischen der Innenseite des Federmantels 50 und dessen Außenseite. Wie bereits beschrieben, ist der Federmantel 50 durch Bolzen (wie Bolzen 52) angebracht.
Die Platte 46 ist ihrerseits am oberen Teil 14 des Körpers 12 mittels Bolzen, darunter der Bolzen 48, befestigt. Die Platte 46 enthält eine koaxial verlaufende Bohrung 88. Eine Bohrung 90 ist im unteren Teil des Federmantels 50 ausgebildet und verläuft koaxial zur Bohrung 88. Wie daraus ersichtlich ist, besitzt die Bohrung 90 einen etwas geringeren Durchmesser als die Bohrung 88, so daß oben an der Bohrung 88 eine abwärts gerichtete ringförmige Schulter 92 entsteht. Unter der Schulter 92 ist um den Kreisumfang des Ventilelements 74 eine nach oben gerichtete ringförmige Schulter 94 begrenzt. Dichtungsmittel oder O-Ringe 96, 98 sitzen in ringförmigen Nuten rund um den Kreisumfang des Ventilelements, wie dargestellt. Die O-Ringe 96, 98 greifen dicht zwischen dem Ventilelement und der Bohrung 88 ein. An der radialen Innenfläche der Bohrung 88 ist rund um den Kreisumfang des Ventilelements ein ringförmiger Hohlraum oder eine Nut 100 begrenzt. Eine in der Platte 46 ausgebildete radiale Bohrung 102 kommuniziert an einem Ende mit der Nut 100 und am anderen Ende mit der Öffnung 56.
Eine erste Bohrung 104, worauf hier auch als auf einen ersten Bohrungsteil Bezug genommen wird, verläuft koaxial zum Ventilelement 74 und kommuniziert mit dem unteren Ende oder der Arbeitsfläche 105 des Ventilelements. Eine zweite Bohrung 106, worauf hier auch als auf einen zweiten Bohrungsteil Bezug genommen wird, erlaubt die Fluidkommunikation mit diametral gegenüberliegenden Seiten des Ventilelements 74 angrenzend an die Nut 100. Die Bohrungen 104, 106 schneiden einander und kommunizieren miteinander.
Der untere Teil der Platte 46 enthält einen radial außenliegenden ringförmigen Teil 108, der bündig an der oberen Fläche des Teils 14 des Ventilkörpers anliegt, einen ringförmigen mittleren Teil 110 und einen kreisförmigen zentralen Teil 112. In dem Teil 112 ist eine nach unten gerichtete Gegenbohrung 114 ausgebildet und verläuft koaxial dazu. Die Gegenbohrung 114 kommuniziert mit der Bohrung 88 und nimmt den unteren Teil des Ventilelements 74 auf. Ein Paar einander gegenüberliegender radialer Bohrungen 116, 118, sind im zentralen Teil 112 ausgebildet und erlauben die Fluidkommunikation zwischen der Gegenbohrung 114 und der radial außenliegenden Fläche des Teils 112. Ein weiteres Paar einander gegenüberliegender radialer Bohrung (in der Ansicht von Figur 3 nicht zu sehen) befinden sich im zentralen Teil 112 in einem Abstand von 90º zu den Bohrungen 116, 118.
Am Teil 112 ist ein Ventilsitz 120 mittels Schrauben (eine davon die Schraube 121 in den Figuren 4 und 5) angebracht, die sich durch den Sitz 120 in den Teil 112 der Platte 46 erstrecken. Der Sitz 120 enthält eine nach oben gerichtete Sitzoberfläche 122 und eine nach unten gerichtete Fläche 124 auf der gegenüberliegenden Seite des Sitzes. Der Sitz kann somit leicht entfernt und ausgetauscht werden, um nötigenfalls eine Bearbeitung der Fläche 122 zu ermöglichen.
Auf das Ventilelement 74, die mit der Platte 46 zusammenhängende, an das Ventilelement angrenzende Konstruktion und den Ventilsitz 120 und dessen zugehörige Konstruktion wird hier insgesamt als auf ein Vorsteuerventil Bezug genommen. Das Vorsteuerventil arbeitet allgemein entsprechend der Beschreibung in Verbindung mit dem US-Patent No. 3,856,043, erteilt an Field et al., welches dem US Patent and Trademark Office hiermit unterbreitet wird und darin durch Bezugnahme enthalten ist. Eine allgemein gehaltene Beschreibung der Arbeitsweise des Vorsteuerventils in Verbindung mit der Funktion des Ventils 10 folgt nachstehend.
Der Raum zwischen der Arbeitsfläche 105 und der Sitzoberfläche 122 wird hier als in Querrichtung keilförmiger, ringförmiger Raum bezeichnet, wenn das Ventilelement an der Sitzoberfläche anschlägt. Der ringförmige Raum, der auf seiner radial innenliegenden Seite durch einen Zylinder, der koaxial zur Bohrung 88 verläuft und den gleichen Durchmesser hat, und auf seiner radial außenliegenden Seite durch die radiale Innenfläche der Gegenbohrung 114 begrenzt wird, wird hier als Fluiddruckkammer und als Vorsteuerventileinlaß bezeichnet. Die Fluiddruckkammer enthält auch Bohrungen 116, 118 und den Raum zwischen der unteren Fläche der Platte 46 und den nach oben gerichteten Flächen eines verschiebbaren Ventilelements oder eines Kolbens 126. Die nach oben gerichteten Flächen des Kolbens 126 werden hier als die Oberseite oder das Ende bzw. als die Rückseite des Kolbens bezeichnet.
Der Kolben 126 sitzt in einer radialen Bohrung 127, die im mittleren Teil 16 des Ventilkörpers 12 ausgebildet ist und koaxial dazu verläuft. Dichtungsmittel oder O-Ringe 129, 131 greifen abdichtend zwischen der Außenfläche des Kolbens 126 und der radialen Innenfläche der Bohrung 127 ein. Auf den O-Ring 129 wird hier als auf einen zweiten O-Ring Bezug genommen.
Der Kolben 126 enthält einen Hohlraum oder eine ringförmige Öffnung 128, der darin ausgebildet ist und einen Teil der Fluiddruckkammer bildet. Eine Säule 130 begrenzt die radiale Innenseite des ringförmigen Hohlraums. Eine Feder 132, worauf hier auch als Vorspannmittel Bezug genommen wird, liegt zwischen einer unteren Fläche des Ventilsitzes 120 und einer oberen Fläche des Kolbens 126 und wird über die Säule 130 aufgenommen. Damit spannt die Feder 130 den Kolben nach unten.
Ein ringförmiger Raum 134 ist durch eine Nut begrenzt, die an der radialen Außenfläche des Kolbens 126 ausgebildet ist. Eine erste Bohrung 136 bietet Fluidkommunikation zwischen der Öffnung 58 und dem Raum 134 und eine zweite Bohrung 138 bietet Fluidkommunikation zwischen dem Raum 134 und der Fluiddruckkammer.
Die Öffnung 58, die Bohrung 136, der Raum 134 und die Bohrung 138 werden hier gemeinsam als Mittel zur Weiterleitung von Druckfluid zur oberen Fläche des Kolbens oder zur Fluiddruckkammer bezeichnet.
Der Kolben 126 enthält eine Arbeitsfläche 144, worauf hier als auf eine untere Kolbenfläche Bezug genommen wird. Die Arbeitsfläche 144 liegt einer Sitzoberfläche oder einer Arbeitsfläche 146 gegenüber, die an der nach oben gerichteten Fläche eines Ventilsitzes oder eines ringförmigen Elements 148 ausgebildet ist. Das ringförmige Element 148 enthält eine axiale Öffnung oder Bohrung 149, deren oberes Ende in Fluidkommunikation mit der Arbeitsfläche 146 steht, und deren unteres Ende in Fluidkommunikation mit der unteren Fläche des ringförmigen Elements 148 steht.
Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist die Arbeitsfläche 146 im wesentlichen flach, während die Arbeitsfläche 144 einen Winkel dazu bildet und somit einen in Querrichtung keilförmigen, ringförmigen Raum zwischen den beiden Arbeitsflächen ausmacht, wenn der Kolben 126 am Element 148 anschlägt. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung beträgt der Winkel ca. drei (3) Grad, achtunddreißig (38) Minuten. Der Begriff "Kegel", der hier unter Bezugnahme auf die relativen Stellungen der Arbeitsflächen 144, 146 verwendet wird, könnte gekrümmte Arbeitsflächen wie auch flache Oberflächen einschließen, wobei sich der Aspekt des "Kegels" oder "Keils" auf eine Zunahme im Abstand zwischen den Flächen bezieht, während eine Annäherung an die radial außenliegenden Teile der Arbeitsflächen erfolgt.
Die relativen Lagen der Arbeitsflächen 144, 146 sind hier als Mittel zum Eingrenzen des Druckabfalls auf eine Stelle in unmittelbarer Nähe der Öffnung bezeichnet.
Das ringförmige Element 148 sitzt in einem im wesentlichen zylindrischen Hohlraum 150, der im Körper 12 ausgebildet ist. Ein Paar mit Gewinde versehener Einlaßmittel oder Bohrungen 152, 154 verlaufen auf einander gegenüberliegenden Seiten des mittleren Teils 16 des Ventilkörpers 12 koaxial zueinander.
Eine mit Gewinde versehene Auslaßbohrung 156 verläuft koaxial zum Körper 12 und zur Bohrung 149 sowie zum ringförmigen Element 148. Auf die Bohrungen 149, 156 wird hier gemeinsam als auf die Auslaßmittel Bezug genommen.
Die Querschnittsfläche des ringförmigen Raums zwischen der radialen Außenfläche des Elements 148 und der radialen Innenfläche des Hohlraums 150 entspricht etwa der Hälfte der Querschnittsfläche jeder der Einlaßbohrungen 152, 154.
Zum Abschluß der Beschreibung der Konstruktion nach Figur 3 ist sodann eine ringförmige Durchflußeinschnürung 158 am oberen Ende durch eine Unterbrechung 160 im Körper 12 definiert. Die Durchflußeinschnürung 158 ist auch zwischen einer radialen Außenfläche 161 am Element 148 und der radialen Innenfläche des Hohlraums 150 definiert. Die Einschnürung ist ringförmig ausgebildet und enthält, wie weiter unten näher erläutert wird, einen Eintritt zu einem Fluidströmungsweg und darauf wird hier auch als auf eine ringförmige Öffnung oder einen ringförmigen Raum Bezug genommen. Idealerweise liegt die Querschnittsfläche dieses Raums vorzugsweise im Bereich von 50 % bis 200 %, je nach Durchflußmenge, der Mindest-Querschnittsfläche der Bohrung 149, und zwar aus Gründen, die in Verbindung mit der später folgenden Beschreibung der Funktionsweise des Ventils 10 noch erläutert wird.
Die Konstruktion, die zuvor in den Figuren 1 bis 3 gekennzeichnet wurde, behält in Figur 4 die gleiche Bezugszahl. Es ist zu beachten, daß die Bohrungen 40, 42 aus der Ansicht nach Figur 2 lediglich zum Zweck der Veranschaulichung in die Ebene der Figur 4 verschoben wurde.
Nunmehr wird die Konstruktion der Einsatzventilanordnung 38 gemäß Figur 4 betrachtet. Darin enthalten ist ein Einsatzventilkörper 162. Der Ventilkörper enthält ein allgemein rohrförmiges Außenelement 164 und ein allgemein rohrförmiges Innenelement (worauf hier auch als auf ein zylindrisches Element Bezug genommen wird) oder eine bündige Mutter 166.
Das Element 164 sitzt in einer Bohrung 168, die im oberen Teil 14 koaxial zum Stumpf 28 ausgebildet ist. Das Element 164 enthält einen kreisförmigen Teil, der sich zur rechten Seite des Stumpfs 28 aus Figur 4 erstreckt und der eine Vielzahl von radialen Bohrungen, wie zum Beispiel die Bohrung 40, enthält, die an der radialen Außenfläche angeordnet sind. Diese Bohrungen dienen zur Aufnahme von Zacken, die von einem Schraubenschlüssel (nicht dargestellt) ausgehen, um mittels Gewinde ein mit einer Gewindeverbindung 170 in Eingriff zu bringendes bzw. davon zu lösendes Element 164 zu bilden. Eine oder mehrere Stellschrauben, wie die Stellschraube 171, verlaufen durch Gewindebohrungen im Element 164 und schlagen an der radialen Außenfläche des Stumpfs 28 an, um das Element 164 gegen eine Drehbewegung zu verriegeln.
Eine zweite Gewindeverbindung 172 ist zwischen der bündigen Mutter 166 und dem rohrförmigen Element 164 ausgebildet. Die Bohrungen, wie Bohrung 42, an der radialen Außenfläche dieses Teils der bündigen Mutter 166, das sich zur rechten Seite des rohrförmigen Elements 164 erstreckt, dienen zur Aufnahme eines (nicht dargestellten) Schlüssels, mit dem die bündige Mutter 166 gedreht werden kann, um die Gewindeverbindung 172 herzustellen oder zu lösen. Die am weitesten links gelegene Fläche 174 der bündigen Mutter 166 liegt fest an einer Schulter 175 an, die an der radialen Innenfläche des Elements 164 ausgebildet ist.
Ein länglicher Schaft 176, auf den hier auch als auf ein zweites Ventilelement Bezug genommen wird, tritt über die Gewindeverbindung 178 koaxial mit der bündigen Mutter 166 in Eingriff. Wie weiter unten noch umfassender beschrieben wird, läßt sich der Schaft 176 im Verhältnis zur bündigen Mutter 166 unter Einwirkung der Gewindeverbindung 178 axial positionieren, wenn der Schaft 176 gedreht wird. Die Sicherungsmittel 44 kann dann am Schaft 176 angezogen werden, bis dieser mit der am weitesten rechts gelegenen Fläche der bündigen Mutter 166 anliegt, wodurch der Schaft 176 im Verhältnis zur bündigen Mutter verriegelt wird.
Der Schaft 176 enthält einen Kolbenteil 180. Der Kolbenteil 180 steht abdichtend mit einer koaxialen Bohrung 182 in Eingriff, die im rohrförmigen Element 164 ausgebildet ist. Auf den Teil der Bohrung 182, der links von dem am Kolben 180 befindlichen O-Ring liegt, wird hier als auf einen Innenhohlraum Bezug genommen. Ein erstes Ventilelement 184 bildet das äußerste linke Ende des rohrförmigen Elements 164 und enthält eine im wesentlichen flache Arbeitsfläche 186. Die Arbeitsfläche 186 verläuft im wesentlichen parallel zu einer zweiten Arbeitsfläche 188, die am äußersten linken Ende des Kolbens 180 ausgebildet ist. Ein Paar einander gegenüberliegender radialer Bohrungen 190, 191 sind zwischen der Bohrung 182 und der radialen Außenfläche des rohrförmigen Elements 164 ausgebildet. Auf jede der Bohrungen 190, 191 kann hier als auf eine erste Bohrung Bezug genommen werden. Die Bohrungen 190, 191 befinden sich gegenüber einer ringförmigen Nut 193, die um den Kreisumfang des Elements 164 herum ausgebildet ist.
Ein Stift 195 sitzt fest in einer durch das Element 164 hindurch ausgebildeten radialen Bohrung. Der Stift erstreckt sich wie dargestellt in die Bohrung 182. Wie weiter unten beschrieben wird, bietet der Stift 195 ein wichtiges Sicherheitsmerkmal.
Eine axiale Bohrung 192, worauf hier als auf eine zweite Bohrung Bezug genommen wird, ist koaxial durch das erste Ventilelement 184 hindurch ausgebildet und kommuniziert mit einer im oberen Teil 14 ausgebildeten Bohrung 194. Die Bohrung 194 ermöglicht die Kommunikation zwischen der Bohrung 192 und dem Raum 134. Der Kolben 126 enthält eine Bohrung 198 zwischen dem ringförmigen Loch 128, welches die Fluiddruckkammer einschließt, und dem Raum 134.
Eine radiale Nut 200 ist im oberen Teil 14 auf einer Seite der Bohrung 168 eingefräst. Die Nut 200 erlaubt eine Fluidkommunikation zwischen der Durchflußeinschnürung (aus Figur 3) über die Bohrung 202 und dem Raum zwischen den Arbeitsflächen 186, 188 über die Bohrungen 190, 191.
Wenden wir uns nunmehr der Figur 6 zu, so tritt der Stopfen 30, wie er zuvor in den Figuren 1 und 2 identifiziert wurde, mit einer Bohrung 204 in Eingriff, die über eine Gewindeverbindung 206 koaxial zum Stumpf 26 ausgebildet ist. Der Stopfen 30 sitzt mit seinem äußersten rechten Ende am Ende der Bohrung 204. Ein O-Ring 208 dichtet den zentralen Teil des Endes des Stopfens 30 gegen die Fluidkommunikation mit dem äußeren Endteil und den Seiten des Stopfens ab. Eine im oberen Teil 14 des Ventilkörpers ausgebildete Bohrung 210 kommuniziert an einem Ende mit dem Raum 134 und ist mit dem anderen Ende gegen den zentralen Teil des Stopfenendes abgedichtet. Bei der in Figur 6 dargestellten Konfiguration kann somit keine Strömung durch die Bohrung 210 erfolgen.
Im Ventilkörper 12 sind ein Paar Bohrungen 212, 214 ausgebildet. Die Bohrungen 212, 214 werden hier als Mittel für die Weiterleitung des Fluiddrucks von der Auslaßbohrung zur Fluiddruckkammer bezeichnet. Die Bohrung 214 kommuniziert an einem Ende mit der Auslaßbohrung 156 und am anderen Ende mit dem unteren Ende der Bohrung 212. Das obere Ende der Bohrung 212 kommuniziert mit einer Nut 216, die im oberen Teil 14 des Ventilkörpers innerhalb der Bohrung 204 eingefräst ist. Die Nut 216 kommuniziert somit an einem Ende mit dem oberen Ende der Bohrung 212 und am anderen Ende mit der Bohrung 204, worin der Stopfen 30 sitzt. Der O-Ring 208 dichtet somit die Nut 216 und die Bohrung 210 gegeneinander ab.
Ein zweiter O-Ring 218 dient als Dichtung zwischen der Bohrung 204 und dem Stopfen 30 rund um den Kreisumfang des Stopfens. Eine Sicherungsschraube 220 greift mittels Gewinde in eine Bohrung im Stopfen ein, wie dies dargestellt ist, wodurch der Stopfen 30 gegen jede Drehbewegung verriegelt wird.
Wenden wir uns nunmehr den Figuren 7 bis 11 zu, so betrachten wir einige der verschiedenen Konfigurationen, in denen das Ventil 10 funktionieren kann, sowie die Funktionsweise jeder einzelnen Konfiguration.
In Betriebsart Entlastung/Regelung ist die Ventilkonfiguration diejenige, die in den Figuren 7 und 11 gezeigt ist.
In Figur 7 sind die Öffnungen 58, 60, wie dargestellt, verschlossen und eine Leitung 222 stellt die Fluidkommunikation zwischen der Öffnung 56 und der Öffnung 62 her. Wenn das Ventil so konfiguriert ist, wie es später beschrieben wird, arbeitet es in Betriebsart Entlastung/Regelung durch Ableitung von Fluid über die Auslaßbohrung 156 aus einem Rohr, welches mit den Einlaßbohrungen 152, 154 verbunden ist, um einen Anstieg des Fluiddrucks in der an die Bohrungen 151, 154 angeschlossenen Leitung über einen vorgewählten Wert hinaus zu verhindern.
Die Figuren 10 und 11 zeigen die beiden Konfigurationen, in die das Ventil gebracht werden kann, indem die Positionen von Stopfen 30 und Einsatz 38 verändert werden. In Figur 10 sitzt der Einsatz 38 in der Bohrung 204 und der Stopfen 30 in der Bohrung 168. In Figur 11 sind die Positionen von Einsatz und Stopfen vertauscht und sind so angeordnet, wie es in den Figuren 4 und 5 für den Einsatz 38 und in Figur 6 für den Stopfen 30 gezeigt ist. Bei Betriebsart Entlastung/Regelung entspricht die Ventilkonfiguration derjenigen aus Figur 11 (und Figur 7).
In Betriebsart Entlastung/Regelung wird der Fluiddruck in den Einlaßbohrungen 152, 154 auf einem bestimmten Wert gehalten und Fluid wird durch die Auslaßbohrung 156 in unterschiedlichen Mengen in einen Tank (nicht dargestellt) abgeführt, um so den Druck aufrechtzuerhalten. Man wird verstehen, daß das Ventil in Betriebsart Entlastung/Regelung über eine der Einlaßbohrungen 152, 154 an einem Rohrende angeschlossen und das andere Ende mittels Stopfen verschlossen werden kann. Der Einfachheit halber sind zwei Einlaßbohrungen vorgesehen, um den Anschluß weiterer Ventile oder Meßgeräte oder dergleichen zu ermöglichen.
Ebenfalls unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 befindet sich der Kolben 126 zunächst in der in Figur 3 gezeigten Position, d.h. die Feder 132 drückt den Kolben gegen die Fläche 146.
Während Fluid in den ringförmigen Raum zwischen der radialen Innenfläche des Hohlraums 150 und der radialen Außenfläche des ringförmigen Elements 148 unter Druck, der zum Beispiel durch eine Pumpe erzeugt wird, eintritt, verteilt sich das Fluid im wesentlichen gleichmäßig rund um das ringförmige Element.
Wegen der relativ kleinen Querschnittsfläche des ringförmigen Drosselkörpers 158 im Verhältnis zur hindurchströmenden Durchflußmenge wird das Fluid im wesentlichen gleichmäßig um den Ventilsitz 148 herum in dem ringförmigen Raum 158 verteilt. Eine Durchflußmengen- und/oder Drossel-Querschnittsfläche, die das Fluid auf diese Weise verteilt, kann von einer auf diesem Gebiet normal qualifizierten Person ohne weiteres bestimmt werden. Wie bereits bemerkt, liegt die Querschnittsfläche des Drosselkörpers 158 vorzugsweise im Bereich von 50 % bis 200 % der Mindest-Querschnittsfläche der Bohrung 149. Für eine bestimmte Querschnittsflächengröße für den Drosselkörper 158 kann eine entsprechende Durchflußmenge dadurch bestimmt werden, daß die Menge so verstellt wird, bis das Fluid in der gewünschten Weise verteilt wird. Nachdem das Fluid durch den Drosselkörper 158 geströmt ist, gelangt es in den Raum zwischen den Arbeitsflächen 144, 146. Der Drosselkörper 158 hält somit das unter Druck stehende Fluid von einer Annäherung an den Kolben 126 von nur einer Seite her ab, wodurch der Kolben zur Seite gedrückt und ein erhöhter Verschleiß bewirkt und damit auch eine einwandfreie Kolbenbewegung verhindert würde. Das Fluid strömt radial vom Außenumfang der Arbeitsflächen zur Öffnung 149 hin. Mit zunehmender Durchflußmenge wird der Kolben 126 gegen die Vorspannkraft der Feder 132 nach oben gedrückt. Wenn der aufwärts gerichtete Druck des Fluids unter dem Kolben 126 gleich der abwärts gerichteten Vorspannkraft der Feder 132 ist, wird die nach oben gerichtete Kolbenbewegung gestoppt, während der Durchfluß zwischen den Arbeitsflächen und in die Öffnung 149 hinein anhält.
Nunmehr wird auf Figur 4 Bezug genommen, und darin ist zu erkennen, daß Fluid im Drosselkörper 158 ebenfalls in die Bohrung 202, die Nut 200, den Raum 193 und die Bohrungen 190, 191 sowie weiter in den Raum zwischen den Arbeitsflächen 186, 188 des Einsatzventils 38 strömt.
Aus dem Raum zwischen den Arbeitsflächen strömt Fluid in die Bohrungen 192, 194, den Raum 134 und die Bohrung 198 sowie weiter in das ringförmige Loch 128, welches mit der gesamten Oberseite des Kolbens 126 kommuniziert.
Wenn die Druckkammer oberhalb des Kolbens 126 mit Fluid gefüllt ist, beginnt der Druck in der Kammer anzusteigen. Dieser Fluiddruck wird über Bohrungen 116, 118 an die Arbeitsfläche 105 am unteren Ende des Ventilelements 74 weitergeleitet. Wenn der Druck an der Arbeitsfläche 105 ausreicht, um die abwärts gerichtete Vorspannkraft der Feder 78 am Ventilelement 74 zu überwinden, bewegt sich das Ventilelement aufwärts und es wird Fluid durch die Bohrungen 104, 106, 102, die Öffnung 56 in die Leitung 222 abgeführt, von wo aus das Fluid wiederum über die Öffnung 62 zur Auslaßbohrung 156 gelangt, die, wie man sich erinnern wird, den Strömungsweg für Fluid darstellt, welches durch Ventil 10 abgeführt wurde, um einen Anstieg des Drucks an den Einlaßbohrungen 152, 154 über einen festgelegten Wert hinaus zu verhindern.
Man erkennt, daß die abwärts gerichtete Vorspannkraft der Feder 78 den Höchstdruck bestimmt, der sich in der Fluidkammer über dem Kolben 126 bilden kann. Diese abwärts gerichtete Kraft läßt sich durch Zusammendrücken und Entspannen der Feder über die Mutter 54 regulieren. Bei einer bestimmten Position der Mutter 54 steigt der Druck in der Fluiddruckkammer nicht über einen Druckwert an, der durch die Federkraft bestimmt wird.
Es ist ersichtlich, daß, während der Druck in der Fluiddruckkammer zu steigen beginnt, der Kolben 126 infolgedessen seine Abwärtsbewegung beginnt. Wenn das Ventilelement 74 Fluid aus der Fluiddruckkammer abzuführen beginnt, steigt der Druck nicht weiter an, weil ihm dies nicht möglich ist, und die abwärts gerichtete Kolbenbewegung endet. Der Regler arbeitet nun in einem stationären Zustand, wobei der Druck an der Oberseite des Kolbens etwas geringer ist als der Druck an der nach unten gerichteten Seite des Kolbens. Dem ist so, weil die Fläche 144 über der Öffnung 149 (wo atmosphärischer Druck vorherrschen kann) mit einem geringeren Druck beaufschlagt wird, wodurch nur eine ringförmige Fläche an der Unterseite des Kolbens entsteht, gegen die der volle Fluiddruck ausgeübt werden kann, während die gesamte obere Fläche des Kolbens dem Druck in der Fluiddruckkammer ausgesetzt ist.
Es ist zu beachten, daß die Geschwindigkeit, mit der das Ventil 10 von der ursprünglichen Fluiddurchflußmenge in den stationären Betriebszustand übergeht, verändert werden kann, indem man die Einsatzventilanordnung 38 verstellt. Um die Durchflußmenge durch die Einsatzventilanordnung 38 beispielsweise zu erhöhen, wird von der in Figur 4 dargestellten Konfiguration auf die in Figur 5 dargestellte übergegangen. Ein solcher Übergang kann auf eine der nachstehend beschriebenen Arten erreicht werden.
Nehmen wir erstens an, daß kein Fluid durch das Ventil 10 strömt, so wird die Sicherungsschraube 171 gelöst und der vorerwähnte Schraubenschlüssel (nicht dargestellt) kann in die Bohrungen, zum Beispiel die Bohrung 40, um den Umfang des rohrförmigen Elements 164 herum angesetzt werden. Der Schlüssel wird benutzt, um die Gewindeverbindung 170 zu lösen, wodurch das rohrförmige Element 164 und die darauf aufliegende Konstruktion (nämlich die bündige Mutter 166, der Schaft 176 und die Sicherungsmutter 44) von der Bohrung 168 entfernt wird. Anschließend wird die Sicherungsmutter 44 aus der in Figur 4 dargestellten Position gelöst, so daß eine axiale Drehbewegung des Schafts 176 über die Gewindeverbindung 178 möglich wird. Alternativ kann es wünschenswert sein, die Sicherungsmutter 44 zu lösen, bevor das rohrförmige Element 164 von der Bohrung 168 entfernt wird. In jedem Falle kann, sobald sich der Schaft 176 längs der Gewindeverbindung 178 bewegen läßt, eine Dickenlehre zwischen den Arbeitsflächen 186, 188 über die Bohrung 190 oder die Bohrung 191 eingesetzt werden. Der Schaft 176 kann in einer Richtung gedreht werden, bei der die Arbeitsfläche 188 zur Arbeitsfläche 186 hin bewegt wird, bis die Dickenlehre beide Flächen berührt. Danach wird die Sicherungsmutter 44 angezogen, um den Schaft 176 im Verhältnis zum rohrförmigen Element 162 zu fixieren.
Bei höheren Durchflußmengen durch die Einsatzventilanordnung 38 gelangt das Ventil 10 schneller in den stationären Betriebszustand als bei den geringeren Durchflußmengen. Höhere Durchflußmengen durch die Ventilanordnung 38 arbeiten jedoch mit mehr Druckfluid, wodurch mehr Energie verschwendet wird. Es ist daher wünschenswert, niedrigere Durchflußmengen anzuwenden, außer wenn der betreffende Anwendungsfall es erfordert, daß das Ventil schnell den stationären Betriebszustand erreicht, was den Einsatz höherer Durchflußmengen an der Ventilanordnung 38 erfordert.
Man wird verstehen, daß die Einsatzventilanordnung 38 so geeicht werden kann, daß eine bestimmte axiale Position des Schafts 176 im Verhältnis zur bündigen Mutter 162 mit einer bestimmten Querschnittsströmungsfläche zwischen den Arbeitsflächen in Korrelation gebracht wird. Die Mindest-Querschnittsströmungsfläche in Ventilanordnung 38 ist gleich der Oberfläche eines Zylinders mit dem Durchmesser der Bohrung 192 und einer Höhe, die dem Abstand zwischen den Arbeitsflächen 186, 188 entspricht.
Nachdem die Einsatzventilanordnung 38 so eingestellt ist, läßt sie sich wieder in die Bohrung 168 einsetzen, indem die Gewindeverbindung 170 hergestellt wird, bis das äußerste linke Ende des rohrförmigen Elements 164 bündig am Boden der Bohrung 168 anschlägt.
Wenn es während des Betriebs des Ventils wünschenswert ist, den Raum zwischen den oder rund um die Arbeitsflächen 186, 188 zu spülen, um eventuell angesammelten Zunder, Schmutz oder dergleichen zu entfernen, kann der oben erwähnte Schraubenschlüssel in die Bohrungen, wie zum Beispiel Bohrung 42, in die bündige Mutter 166 eingesetzt werden und diese kann von der Gewindeverbindung 172 gelöst werden. Dadurch wird der Schaft 176 vom rohrförmigen Element 164 abgezogen und die Arbeitsflächen des Einsatzventils werden getrennt und lassen dazwischen zeitweilig eine höhere Durchflußmenge zu. Durch diese Durchflußmenge wird Abrieb, Zunder oder dergleichen zwischen den Arbeitsflächen oder rund um diese herum weggespült.
Nachdem das Ventil so gespült wurde, wird die bündige Mutter 166 axial gedreht, so daß sie in die in Figur 4 dargestellte Position zurückgelangt, d.h. die Fläche 174 kommt bündig an der Schulter 175 zur Anlage, wie es in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist. Ist diese Position wieder erreicht, so ist der zuvor geeichte Abstand zwischen den Arbeitsflächen 186, 188 wiederhergestellt.
In einer Situation, bei der die Eichung der Einsatzventilanordnung 38 kein Problem darstellt, kann sie ohne Entfernung des rohrförmigen Teils 164 eingestellt werden und die Einstellung kann sogar während des Durchflusses durch das Ventil erfolgen. Dies geschieht, indem man die Sicherungsmutter 44 löst und den Schlitz am Ende des Schafts 176 benutzt, um die axiale Position des Schafts im Verhältnis zur bündigen Mutter 166 verändert, bis die gewünschte Durchflußmenge durch die Einsatzventilanordnung erreicht ist. Die Durchflußmenge durch die Ventilanordnung 38 kann überwacht werden, indem man die Durchflußmenge von der Öffnung 56 aus überwacht.
Der Stift 195 verhindert eine Entfernung des Schafts 176 entweder durch Lösen desselben von der bündigen Mutter oder durch Lösen der bündigen Mutter 166 von der Gewindeverbindung 172. In jedem Falle schlägt die Rückseite des Kolbens 180 am Stift an und verhindert ein weiteres Herausziehen. Dies dient als Sicherheitsmerkmal, um Leckagen zu vermeiden, was in Form eines extrem hohen Druckfluidstroms der Fall sein könnte, wenn das Ventil hohe Drücke reguliert, während der Einstellung der Einsatzventilanordnung 38 bei gleichzeitigem Einströmen von Fluid in das Ventil 10.
Kehren wir zur Betrachtung der Gesamtfunktion von Ventil 10 zurück, so wird man sich daran erinnern, daß das Ventil 10 in Betriebsart Entlastung/Regelung einen Fluiddruckanstieg in den Einlaßbohrungen 152, 154 (und in eventuell daran angeschlossenen Rohren) über einen festgelegten Wert hinaus verhindert. Wenn das Ventil 10 so im stationären Betriebszustand arbeitet, wird Fluid kontinuierlich über das Ventilelement 74 und die Öffnung 56 abgeführt, um einen Anstieg des Drucks in der Fluiddruckkammer über dem Kolben 126 über den festgelegten Wert hinaus zu verhindern, der durch die abwärts gerichtete Vorspannkraft des Ventils 78 bestimmt wird.
Die durch die Bohrung 192 in der Einsatzventilanordnung 38 erzielbare maximale Durchflußmenge ist geringer als die Menge, die durch die Bohrungen 104, 106 des Ventilelements 74 erzielt werden kann. Selbst bei höchstmöglichen Durchflußmengen und Drücken steigt somit der Druck in der Fluiddruckkammer nicht über den von der Feder 78 bestimmten Druck hinaus an. Sollte durch die Einsatzventilanordnung 38 eine größere Durchflußmenge erzielbar sein als durch das Vorsteuerventil, besteht die Möglichkeit, daß der Druck in der Druckkammer über den Druck unter dem Kolben 126 ansteigen könnte, wodurch dieser zugefahren würde.
Es ist zu erkennen, daß im stationären Zustand kein Druckunterschied am O-Ring 129 vorhanden ist, weil beide Seiten des O-Rings 129 dem Druck in der Fluiddruckkammer ausgesetzt sind. Der O-Ring 129 dient zur Zentrierung des Kolbens 126, um einen Kontakt Metall/Metall zu verhindern.
Am O-Ring 131 liegt nur ein geringer Druckabfall vor. Bei Versuchen, die mit einer Ventilkonstruktion gemäß der Darstellung in Figur 3 durchgeführt wurden und wobei der Druck in den Einlaßbohrungen 152, 154 einen Wert von 23,8 bar (350 psi) hatte, war der Druck oben am Kolben 22 bar (323 psi). Bei Einstellung der Justiermutter 54 auf einen Einlaßdruck von 204 bar (3000 psi) betrug der Druck oben am Kolben 193 bar (2838 psi), so daß am O-Ring 131 nur ein Druckunterschied von 11 bar (162 psi) vorhanden war. Der Druck oben am Kolben liegt typischerweise 4 % bis 8 % unter dem Druck unterhalb des Kolbens bei sämtlichen Betriebsdrücken.
Im Falle einer plötzlichen Druckspitze, d.h. in dem der Einlaßbohrung 152 zugeführten Fluid, wird der Kolben 126 nach oben gedrückt, wodurch das Fluid in der Fluiddruckkammer über dem Kolben zusammengedrückt und das Ventilelement 74 nach oben gepreßt wird. Nach Bewegung des Elements 74 wird Fluid aus der Druckkammer abgeführt und verhindert einen Druckanstieg in derselben. Eine solche Druckentlastung in der Druckkammer tritt ein, bevor der Fluiddruckanstieg über die Einsatzventilanordnung 38 zur Druckkammer weitergeleitet wird. Diese außergewöhnlich schnelle Reaktion auf Druckveränderungen resultiert aus dem Einlaß des Vorsteuerventils, welches das in der Fluiddruckkammer sitzende Element 74 enthält, und aus den Betriebscharakteristiken des Vorsteuerventils.
Man wird verstehen, daß das Ventil im stationären Betriebszustand die Durchflußmenge durch die Öffnung 149 verändern kann, um einen Anstieg des Drucks im Einlaß über den durch die Feder 78 vorgewählten Wert bei relativ geringen Bewegungen des Kolbens 126 zu verhindern. Tatsächlich beaufschlagen die O-Ringe 129, 131, nachdem sich das Ventil im stationären Betriebszustand befindet, typischerweise nicht die radiale Innenfläche der Bohrung, worin sie untergebracht sind, sondern biegen sich lediglich durch, während sich der Kolben 126 leicht aufwärts und abwärts bewegt, um den Druck aufrechtzuerhalten. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Querschnittsströmungsfläche zwischen den Arbeitsflächen 144, 146 im wesentlichen durch relativ kleine Bewegungen des Kolbens 126 veränderbar ist. Die Mindest-Querschnittsfläche zwischen den Arbeitsflächen 144, 146 wird durch Berechnung der radialen Außenfläche eines Zylinders bestimmt, dessen Durchmesser an der Schnittstelle mit der Arbeitsfläche 146 gleich dem der Bohrung 149 ist, und dessen Höhe an der Schnittstelle der Bohrung 149 mit der Arbeitsfläche 146 gleich dem Abstand zwischen den Arbeitsflächen 144, 146 ist. Durch relativ kleine Bewegungen des Kolbens 126 wird die Querschnittsströmungsfläche erheblich verändert, wodurch eine umfassende Druckregulierung mit relativ kleinen Kolbenbewegungen ermöglicht wird.
Das Ventil 10 kann typischerweise an einer Leitung zum Einsatz kommen, die weitere Ventile oder Fluidkomponenten enthält, die während des Betriebs einen Teil der Durchflußmenge vom Ventil 10 ableiten. Während ein Teil der Durchflußmenge abgeleitet wird, ist ersichtlich, daß die Gesamt-Durchflußmenge zwischen den Arbeitsflächen 144, 146 abnimmt und sich der Kolben 126 dadurch abwärts bewegen kann. Eine solche Abwärtsbewegung reduziert die Durchflußmenge durch die Öffnung 149, wodurch der Druck in der Einlaßbohrung 152 auf dem vorgewählten Wert gehalten wird. Während die Durchflußmenge durch andere Vorrichtungen weiterhin einen Teil der Durchflußmenge vom Ventil 10 ablenkt, nähert sich die Arbeitsfläche 144 der Arbeitsfläche 146 an.
Das erfindungsgemäße Entlastungs-/Regelventil ermöglicht eine sehr flache Kurve Durchflußmenge/Druck. In anderen Worten: das Regelventil verhindert einen Anstieg des Drucks über einen vorgewählten Wert an den Einlaßbohrungen für einen sehr breiten Durchflußmengenbereich durch die Öffnung 149 von den höchsten bis hinab zu den niedrigsten Durchflußwerten, so daß es für das Ventil zu einer im wesentlichen quadratischen Kurve Durchflußmenge/Druck kommt.
Unter bestimmten Bedingungen im Hinblick auf Durchflußmenge und Kompression der Feder 78 befindet sich der Kolben 126, der in Figur 4 am besten zu sehen ist, im wesentlichen oberhalb seiner unteren Stellung (die in Figur 4 dargestellt ist), so daß ein erheblicher Spalt zwischen den Arbeitsflächen 144, 146 entsteht. Unter solchen anderen Bedingungen arbeitet der Kolben 126 im stationären Zustand nur knapp über dem ringförmigen Element 148 und die Arbeitsflächen 144, 146 kommen einander relativ nahe.
Wenn der Kolben 126 so arbeitet, daß sich die Flächen 144, 146 relativ nahe kommen, ist der Grad der konisch zulaufenden Konfiguration zwischen den Arbeitsflächen kritisch. Ist die konisch zulaufende Konfiguration für im wesentlichen flache Flächen, wie bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung, kleiner als etwa zwei (2) Grad, zwanzig (20 Minuten, kann der Druck zwischen den Arbeitsflächen 144, 146 bis zu dem Punkt abfallen, wo der Druck über dem Kolben 126 ein plötzliches Zufahren des Kolbens bewirkt, d.h. der Kolben 126 schlägt am ringförmigen Element 148 an und verhindert damit die oben beschriebene Druckregelung.
Der Druck an den radialen Innenperipherien der Arbeitsflächen 144, 146 kann atmosphärischen Druck erreichen, das heißt der Druck in Bohrung 149 wird zu einem Tank abgeführt, während der Druck an den radialen Außenperipherien der Arbeitsflächen 144, 146 den Regeldruck aufweist, der durch die Kompressionseinstellung der Feder 78 bestimmt wird. Das Ventil kann Drücke bis 340 bar (5000 psi) und höher regeln und erzeugt dadurch einen erheblichen Druckabfall zwischen den radialen Außen- und Innenperipherien der Arbeitsflächen 144, 146.
Im Falle der oben beschriebenen im wesentlichen parallel verlaufenden Platten beispielsweise neigt dieser Druckabfall dazu, gleichmäßig zwischen der Bohrung 149 und der radialen Außenperipherie der Arbeitsflächen 144, 146 verteilt zu werden, während sich die Arbeitsflächen einander annähern. Geschieht dies, so sinkt der Druck unter dem Kolben 126 erheblich ab, wodurch der Kolben durch den oben anstehenden Druck zugefahren wird, wie oben beschrieben wurde.
Um den Druckabfall zwischen den radialen Außenperipherien der Arbeitsflächen 144, 146 und den radialen Innenperipherien derselben in unmittelbarer Nähe der radialen Innenperipherien (d.h. in Nähe der Bohrung 149) aufrechtzuerhalten, müssen die Arbeitsflächen an den radialen Außenperipherien derselben weiter voneinander entfernt sein als an den radialen Innenperipherien. Im Falle von im wesentlichen flachen Arbeitsflächen, wie bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung, wurde festgestellt, daß es zu einem ausreichenden Abstand zwischen den Flächen kommt, wenn die Arbeitsflächen im Verhältnis zueinander einen Winkel von ca. zwei (2) Grad, zwanzig (20) Minuten einnehmen.
Wenn der Druckabfall in Nähe der Bohrung 149 statt an den Außenperipherien der Arbeitsflächen erfolgt, erscheint dieser niedrigere Druck unter einer kleineren Fläche des Kolbens 126, das heißt der an die Bohrung 149 angrenzenden Fläche, wodurch eine geringere Abwärtskraft erzeugt wird. Man wird verstehen, daß der Winkelgrad, wenigstens in den unteren Bereichen der konisch zulaufenden Konfiguration gemäß der Erfindung, d.h. über zwei (2) Grad, zwanzig (20) Minuten, Auswirkungen auf die Verteilung des Druckabfalls unter dem Kolben hat. Der Winkel der konisch zulaufenden Konfiguration kann somit so gewählt werden, daß am Kolben 126 für eine bestimmte relative Stellung der Arbeitsflächen 144, 146 eine bestimmte Abwärtskraft erzeugt wird.
Wenn die konisch zulaufende Konfiguration andererseits zu groß ist, d.h. in der Größenordnung von ca. 25 Grad oder mehr, beginnt das Ventil als Nadelventil zu arbeiten und bewirkt eine Wirbelströmung und die daraus resultierende Lärmentwicklung und Abnutzung der Arbeitsflächen 144, 146, die an die Schnittstelle der Öffnung 149 mit der Arbeitsfläche 146 angrenzen. Der ideale Kegelwinkel zwischen den Arbeitsflächen 144, 146 beträgt somit etwa zwischen zwei Grad, zwanzig Minuten und etwa fünfundzwanzig Grad.
Nunmehr wird die Aufmerksamkeit auf die Funktion des Ventils 10 in einer Reduzierventilkonfiguration, wie in den Figuren 8 und 11 dargestellt, gelenkt.
In Figur 8 sind die Öffnungen 58, 60, 62 ebenso durch Stopfen verschlossen wie die Einlaßbohrung 154. Die Öffnung 56 ist über eine Leitung 224 mit einem Fluidtank 226 verbunden. Eine fluidführende Rohrleitung ist an die Einlaßbohrung 152 angeschlossen, wobei das Fluid das Ventil über eine an die Auslaßbohrung 156 angeschlossene Rohrleitung verläßt.
In Figur 11 sind der Stopfen 30 und die Einsatzventilanordnung 38 so angeordnet, wie es in den Figuren 4 bis 6 dargestellt ist.
Bei der Konfiguration gemäß den Figuren 8 und 11 ist das Ventil in einer Strömungsleitung angeordnet, bei der die Eingangsströmung an die Einlaßbohrung 152 angelegt ist und die Ausgangsströmung aus der Auslaßbohrung 156 kommt. Bei dieser Konfiguration reduziert das Ventil den Druck am Einlaß 152 auf einen niedrigeren Druck am Auslaß 156. Bei dieser Konfiguration funktionieren die Innenkomponenten des Ventils 10 im wesentlichen so, wie es in Verbindung mit der Entlastungs-/Regelfunktion gemäß den Figuren 7 und 11 beschrieben wurde.
Während zunächst Fluid in den Einlaß 152 einströmt, wird der Kolben 126 nach oben gedrückt, bis der Druck in der Fluiddruckkammer über dem Kolben zu steigen beginnt, und an diesem Punkt beginnt der Kolben 126 seine Abwärtsbewegung, bis Aufwärts- und Abwärtsdrücke am Kolben ausgeglichen sind. Das Ventil 10 beginnt dann mit dem stationären Druckreduzierbetrieb. Es ist zu erkennen, daß, wenn der Druck an der Einlaßbohrung 152 zu steigen versucht, der Druckanstieg zur Arbeitsfläche 144 am Kolben weitergeleitet wird, wodurch dieser nach oben gedrückt und die Durchflußmenge durch die Öffnung 149 erhöht und damit ein Druckanstieg an der Einlaßbohrung 152 verhindert wird. Wie im Falle der Betriebsart Entlastung/Regelung werden Druckanstiege in der Fluiddruckkammer über dem Kolben 126, die entweder das Ergebnis einer aufwärts gerichteten Kolbenbewegung oder eines Drucks sind, der über das Einsatzventil 38 zur Kolbenkammer weitergeleitet wird, durch das Ventilelement 74 begrenzt, welches über die Leitung 224 Fluid zum Tank 226 abführt. Die Konfiguration der Figuren 8 und 11 bildet somit ein Druckreduzierventil, welches einen Anstieg des Drucks am Einlaß über einen festgelegten Wert hinaus verhindert.
Eine weitere Druckreduzierventilkonfiguration ist in den Figuren 8 und 10 dargestellt. Um von der soeben beschriebenen Konfiguration nach Figur 8 und 11 überzuwechseln, wird die Ventilanordnung 38 mit dem Stopfen 30 so geschaltet, daß die Konfiguration nach Figur 10 entsteht.
Wie im Falle der Beschreibung in Verbindung mit der Konfiguration aus den Figuren 8 und 11 ist das Ventil 10 ein Druckreduzierventil in einer Rohrleitung mit einem Strömungseintritt am Einlaß 152 und einem Strömungsaustritt am Auslaß 156. Eine Prüfung der Figur 10 zeigt, daß der Fluiddruck vom Auslaß 156 über die Bohrungen 214, 212 und das Einsatzventil 38, welches nunmehr in der Bohrung 204 angeordnet ist (in Figur 6), zur Fluiddruckkammer über dem Kolben weitergeleitet wird. Wie hier bereits früher beschrieben, füllt sich je nach Einstellung der Ventilanordnung 38 die Fluiddruckkammer mit Fluid, nachdem das Ventil durchströmt wird, wobei die Füllzeit von der Einstellung des Einsatzventils abhängt. Bei Beginn des Durchflusses wird der Kolben 126 nach oben gedrückt, bis sich die Fluiddruckkammer füllt und dadurch ein Druckanstieg in der Kammer bewirkt wird. Der Druckanstieg leitet die abwärts gerichtete Bewegung des Kolbens 126 ein, bis die auf beiden Seiten des Kolbens angreifenden Kräfte ausgeglichen sind und der stationäre Betrieb beginnt.
Bei dieser Konfiguration reduziert das Ventil 10 den Druck als Reaktion auf den Abwärtsdruck, der auf die Oberseite des Kolbens 126 einwirkt.
Wenden wir uns nunmehr der Konfiguration nach Figur 9 zu, so sind die Öffnungen 60, 62 durch Stopfen verschlossen und die Öffnung 56 ist über die Leitung 224 wieder mit dem Tank 226 verbunden. Über eine Leitung 230 und ein Drosselventil 232 wird eine externe Druckfluidquelle 228 mit der Öffnung 58 verbunden. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist das Ventil 232 entsprechend dem Drosselventil konstruiert, welches in den Figuren 14 bis 16 dargestellt ist und weiter unten beschrieben wird. Bei dieser Konfiguration kann das Ventil als Druckreduzierventil oder in Betriebsart Entlastung/Regelung betrieben werden.
Bei der Konfiguration gemäß Figur 9 wird eine entfernt liegende Druckfluidquelle 228 benutzt, um den Druck in der Fluiddruckkammer oben am Kolben 126 zu steuern, statt die an den Einlaß- oder Auslaßbohrungen des Ventils auftretenden Drücke zu erfassen. Bei dieser Anwendungsweise sind zwei Stopfen, wie zum Beispiel der Stopfen 30, in die Bohrungen 168, 204 eingeschraubt. Die Vorrichtung nach Figur 9 kann entweder als Entlastungs-/Regelventil oder als Druckreduzierventil in einer Strömungsleitung mit einem Strömungseingang zum Ventil an der Einlaßbohrung 152 und Strömungsausgang an der Bohrung 156 verwendet werden.
Die Konfiguration nach Figur 9 funktioniert so, wie es in Verbindung mit den zuvor beschriebenen Betriebsarten Entlastung/Regelung und Druckreduzierung geschildert wurde, außer daß der über dem Kolben 126 erfaßte Druck durch den Druck des Druckfluids 228 statt durch die Einlaß- oder Auslaßdrücke bestimmt wird. Bei dieser Konfiguration kann das Ventilelement 74 so eingestellt werden, daß es sich bei einem bestimmten Druck knapp über dem Druck des Druckfluids 228 öffnet, wodurch eine zusätzliche Sicherheitsdruckentlastung zustande kommt.
Wenden wir uns nunmehr den Figuren 12 bis 16 zu, so wird darin eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Allgemein mit 234 bezeichnet ist ein Ventil, welches in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Diese Konstruktion wurde bereits früher in Verbindung mit den Ausführungsformen nach Figur 1 und 2 beschrieben und trägt in den Figuren 12 und 13 die gleiche Bezugszahl. Allgemein gesagt, liegt der einzige Unterschied zwischen Ventil 10 und Ventil 234 darin, daß das Ventil 234 eine externe Ventilanordnung enthält, die allgemein mit 236 bezeichnet ist und die über Leitungen, wie weiter unten beschrieben, mit den Öffnungen 56, 58, 60, 62 verbunden werden kann, um mit dem Rest des Ventils 234 in gleicher Weise zusammenzuwirken, in der die Einsatzventilanordnung 38 mit dem Rest von Ventil 10 zusammenwirkt.
Das Ventil 234 enthält auch eine Kappe 238, die lösbar oben am Federmantel 50 angebracht ist, um, wie dargestellt, die Justiermutter 54 abzudecken und zu schützen.
Die Ventilanordnung 236 enthält einen Ventilkörper 240 mit einem im wesentlichen zylindrischen Element oder einer bündigen Mutter 242, die daran mittels Gewinde über eine Verbindung 244 angeschlossen ist (in Figur 14). Ein länglicher Schaft 246, auf den hier auch als auf ein zweites Ventilelement Bezug genommen wird, steht mittels Gewinde über den Anschluß 248 mit der bündigen Mutter in Eingriff. Eine Sicherungsmutter 249 verriegelt den Schaft 246 im Verhältnis zur bündigen Mutter 242, wie in Figur 14 dargestellt.
Der Ventilkörper 240 enthält eine Einlaßbohrung 250, auf die hier als auf eine erste Bohrung Bezug genommen wird, und eine Auslaßbohrung 252, auf die hier als auf eine zweite Bohrung Bezug genommen wird. Jede Bohrung schneidet sich mit einem Innenhohlraum 254, der im Ventilkörper ausgebildet ist. Eine weitere Bohrung 256 kann während des Betriebs von Ventil 246 verschlossen werden oder kann benutzt werden, um das Ventil 236 zu spülen, wenn Fluid hindurchströmt. Der Hohlraum 254 enthält ein im wesentlichen zylindrisches Ventilelement 258, woran eine Arbeitsfläche 260 ausgebildet ist. Der Schaft 246 ist im wesentlichen der gleiche wie der Ventilschaft 176 in Figur 4 und enthält am unteren Ende ebenfalls eine Arbeitsfläche 262. Ein Sprengring 264 sitzt in einer Nut, die an einer radialen Innenfläche des Ventilkörpers 240 ausgebildet ist, und verhindert das Entfernen der bündigen Mutter 242, wenn Fluid durch die Ventilanordnung strömt. Eine abwärts gerichtete Schulter 266 verhindert ebenfalls das Abschrauben des Schafts 246 von der bündigen Mutter, während die Ventilanordnung in Betrieb ist.
Die Ventilanordnung 236 ist an einer Platte 268 angebracht, die wiederum über die Schrauben 270, 272 an der Platte 46 angebracht ist.
Beim Betrieb können (nicht dargestellte) Leitungen mit Öffnungen 250, 252 in der Ventilanordnung 236 verbunden werden, um eine Verbindung mit dem Rest von Ventil 234 herzustellen. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, das Ventil als Entlastungs-/Regelventil auszuführen, ist die Öffnung 56 über eine Leitung mit der Öffnung 62 verbunden, die Öffnung 60 ist mit der Bohrung 250 in der Ventilanordnung 236 verbunden und die Bohrung 252 an der Ventilanordnung ist mit der Öffnung 58 verbunden. Daraus ist ersichtlich, daß das Fluid von der Einlaßbohrung 152 in den Drosselkörper 158, von dort zur Öffnung 60 und über die Bohrung 250 in die Ventilanordnung 236 strömt, die Ventilanordnung über die Bohrung 252 verläßt und über die Öffnung 58 wieder zum Ventilkörper zurückgelangt. Der Vorgang ist somit der gleiche, wie er in Verbindung mit den Figuren 7 und 11, Entlastung/Regelung, beschrieben wurde.
Wenn die Öffnung 62 verschlossen und die Öffnung 56, wie in Figur 8 dargestellt, zu einem Tank entleert wurde und die Ventilanordnung 236 zwischen den Öffnungen 56, 60, wie oben beschrieben, angeschlossen ist, befindet sich das Ventil in der Konfiguration für den Anschluß als Druckreduzierventil, wobei Druck von der Einlaßbohrung 152 an die Fluiddruckkammer über dem Kolben 126 gelegt ist. Das Ventil 234 arbeitet somit in der gleichen Weise, wie es in Verbindung mit der Funktion des Ventils 10 nach Figur 8 und 11 beschrieben wurde.
Alternativ kann das Ventil 234 als Druckreduzierventil konfiguriert sein, wobei der Abwärtsdruck auf die Oberseite des Kolbens 126 in gleicher Weise einwirkt, wie es in Verbindung mit der Ausführungsform des Ventils 10 nach den Figuren 8 und 10 beschrieben wurde. Dies geschieht wiederum durch Entleerung der Öffnung 56 in einen Tank und durch Verschließen der Öffnung 60. Eine Leitung verbindet die Öffnung 62 mit der Bohrung 250 der Ventilanordnung 236 und eine weitere Leitung verbindet die Bohrung 252 der Ventilanordnung mit der Öffnung 58, wobei der an der Auslaßbohrung 156 auftretende Druck über die Ventilanordnung 236 der Fluiddruckkammer über dem Kolben 126 zugeleitet wird.
Schließlich kann, wie es in Verbindung mit der Ausführungsform nach Figur 9 beschrieben wurde, eine externe Druckquelle an die Öffnung 58 angeschlossen sein. Wenn die Öffnung 56 mit der Öffnung 62 (oder einem Tank) verbunden und die Öffnung 60 verschlossen ist, kann das Ventil als Entlastungs-/Regeventil eingesetzt werden. Das Ventil 234 kann als Druckreduzierventil verwendet werden, wenn die Öffnung 56 zum Tank geführt, die Öffnung 60 verschlossen (oder an ein Druckmeßgerät angeschlossen) und die Öffnung 62 verschlossen ist.
Bei dieser Konfiguration kann das Ventil 234 als Entlastungs-/Regelventil oder als Druckreduzierventil betrieben werden, wie es in Verbindung mit der Konfiguration des Ventils 10 nach Figur 9 beschrieben wurde.
Wenn wir uns nunmehr den Figuren 17 bis 19 zuwenden, so wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung betrachtet. In Figur 17 allgemein mit der Bezugszahl 310 bezeichnet ist ein Mengenregelventil, welches in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Das Ventil 310 enthält ein rohrförmiges Gehäuse 312 mit einer darin ausgebildeten Bohrung 314. Das Gehäuse 312 enthält Einlaßmittel oder einen Einlaß 316, der über die Bohrung 318 mit dem Innenraum der Bohrung 314 kommuniziert. Der Einlaß 316 enthält einen Satz radialer Innengewinde 320 für dessen Anschluß an ein (nicht dargestelltes) Rohr, um so Fluid aus dem Rohr in die Bohrung 314 einzuleiten.
Das Gehäuse 312 enthält weiterhin eine Auslaßbohrung 322, die ebenfalls einen radialen Satz von Innengewinden 324 für den Anschluß der Auslaßbohrung 322 an ein weiteres Rohr (ebenfalls nicht dargestellt) enthält, um Fluid aus dem Inneren der Bohrung 314 vom Ventil weg zu transportieren.
Allgemein gesagt wird das Ventil 310 als Mengenregelventil in einer Rohrleitung verwendet, wobei das Fluid in den Einlaß 316 einströmt, die Bohrung 314 durchströmt und an der Bohrung 322 ausströmt. Wie später noch deutlich werden wird, kann das Ventil 310 so eingestellt werden, daß es die Fluid-Durchflußmenge in der Rohrleitung variabel drosselt.
Eine Justiermutter 326 steht am oberen Ende der Bohrung 314 über eine Widerlager-Gewindeverbindung 328 mit dem Gehäuse 312 mittels Gewinde in Eingriff. Auf die Justiermutter wird hier auch als auf ein Wellenbewegungsmittel und als ein zylindrisches Element Bezug genommen. Die Mutter 326 enthält einen im wesentlichen zylindrischen oberen Teil 330 mit einer Bohrung 332, die sich seitlich durch diesen erstreckt. Eine zweite Bohrung (in Figur 19 zu sehen) erstreckt sich durch den oberen Teil 330 im wesentlichen senkrecht zur Bohrung 332. Ein Stab oder eine Stange (nicht dargestellt) kann in oder durch die Bohrung 332 (oder die andere Bohrung) eingesetzt werden, um das Drehen der Mutter 326 zu erleichtern.
Die Mutter 326 enthält weiterhin einen zylindrischen Zwischenteil 333 mit einem Satz von drei parallel verlaufenden Leitungen 334, 336, 338, die um dessen Kreisumfang angezeichnet sind, wodurch koaxial zum zylindrischen Teil 333 angeordnete Kreise begrenzt werden.
Ein unterer zylindrischer Teil 340 enthält einen Satz radialer Außengewinde, die mit Gewinden an der radialen Innenfläche des oberen Teils der Bohrung 314 in Verbindung stehen, um die Gewindeverbindung 328 zu bilden.
An der oberen Fläche des Gehäuses 312 ist mittels Schrauben 344, 346 (in Figur 17) und der Schraube 348 (in den Figuren 18 und 19) ein ringförmiger Skalenring 342 angebracht. Schlitze, wie im Ring 342 gezeigt sind, gestatten die Einstellung der radialen Position des Skalenrings. Wie am besten in Figur 18 zu sehen, enthält der Ring 342 aufgedruckte Zahlen und Striche, die, wie weiter unten noch näher beschrieben wird, eine Anzeige der Einstellung des Ventils 310 bilden.
Der obere zylindrische Teil 330 der Justiermutter 326 enthält einen daran angebrachten Strich 350, der in Verbindung mit dem Ablesen der Skala 342 verwendet wird.
Der untere zylindrische Teil 340 enthält eine abwärts gerichtete axiale Bohrung 352. Ein Paar einander gegenüberliegender ringförmiger Lagerringe 354, 356 sitzen im oberen Teil der Bohrung 352 und dazwischen befindet sich ein Längslager, welches allgemein mit 358 bezeichnet ist. Auf die Laufringe 354, 356 und die Lager 358 wird hier kollektiv als auf Lagermittel Bezug genommen. Zwischen der unteren Fläche des Laufrings 356 und der oberen Fläche einer im wesentlichen zylindrischen Welle 362 ist eine im wesentlichen planare Scheibe 360 eingesetzt.
Eine ringförmige Wellenführung 364 sitzt über dem oberen Ende der Welle 362. Ein Sprengring 366 ist an der unteren Fläche einer Wellenführung 364 angebracht, um so die Wellenführung, die Scheibe 360, die Laufringe 354, 356 und das Lager 358 in der dargestellten Position festzuhalten. Der Sprengring 366 befindet sich in einer ringförmigen Nut, die an der radialen Innenfläche der Bohrung 352 ausgebildet ist.
Ein Sprengring 368 sitzt in einer Nut 370, die an der radialen Außenfläche der Welle 362 ausgebildet ist. An der Unterseite des Rings 368 liegt eine Unterlegscheibe 372 an. Das Vorspannmittel oder die Feder 374 wird zwischen der Unterlegscheibe 372 und einer Scheibe 376 zusammengedrückt. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung schließt eine Vielzahl handelsüblicher Federscheiben die Feder 374 ein; eine handelsübliche Schraubenfeder würde jedoch ebensogut funktionieren.
Die Scheibe 376 enthält eine zentrale Bohrung 378, die die Welle 362 aufnimmt. Eine kreisförmige Lippe 380 enthält eine abwärts gerichtete ringförmige Fläche, die auf einer in der Bohrung 314 ausgebildeten, aufwärts gerichteten, ringförmigen Schulter 382 ruht. Ein Gewindebund 384 steht mit den Widerlagergewinden an der radialen Innenfläche der Bohrung 314, wie dargestellt, in Eingriff. Der Bund liegt an der Scheibe 376 an, um diese an ihrem Platz zu halten. Es sind Bohrungen, wie zum Beispiel die Bohrung 385, vorgesehen, um am Bund 384 einen (nicht dargestellten) Schlüssel zur Herstellung oder Lösung der Gewindeverbindung zwischen Bund und Bohrung 318 anzusetzen. Ein Sprengring 387 sitzt in einer Nut, die an der radialen Innenfläche der Bohrung 314 unmittelbar über der Scheibe 376 ausgebildet und diese dadurch an ihrem Platz hält. Die O-Ringe 386, 388 bewirken die Abdichtung zwischen der radialen Außenfläche der Scheibe 376 und der radialen Innenfläche der Bohrung 314 bzw. zwischen der radialen Innenfläche der zentralen Bohrung 378 und der radialen Außenfläche der Welle 362. Auf die Scheibe 376 und die O-Ringe 386, 388 wird hier kollektiv als auf Dichtungsmittel Bezug genommen.
Im Gehäuse 312 ist eine Bohrung 389 vorgesehen, die im Falle einer Leckage durch die O-Ringe 386, 388 als Ableitung dient.
Ein Führungsmittel oder Kolben 390 ist aus einem Stück mit der Welle 362 ausgebildet und enthält eine im wesentlichen flache Oberseite 392 und eine konisch zulaufende Unterseite 394. Aus einem Stück mit der Welle 362 und dem Kolben 390 ist ein ringförmiger, erhabener Teil 396 ausgebildet. Wenn sich die Welle 362 nach oben bewegt, schlägt der Teil 396 an der Unterseite der Scheibe 376 an und unterhält dadurch die Fluidkommunikation zwischen den Flächen 394, 392 über die Bohrungen 398, 400. Ein O-Ring 402 bewirkt die Abdichtung zwischen der radialen Außenfläche des Kolbens 390 und der radialen Innenfläche der Bohrung 314. Der O-Ring 402 dient als Führung, um den Kolben 390 und die damit zusammenhängende Konstruktion im wesentlichen koaxial zum Gehäuse 312 zu halten. Die radiale Außenfläche des Kolbens 390, die unmittelbar an die radiale Innenfläche der Bohrung 314 angrenzt, wird hier als ein zylindrischer Teil des Kolbens 390 bezeichnet.
Eine Welle 404, die koaxial zur Welle 362 angeordnet ist, verbindet den unteren Teil des Kolbens 390 mit dem oberen Teil eines Ventilelements 406. Die Welle 404 ist aus einem Stück mit dem Kolben 390 und dem Ventilelement 406 ausgebildet. Das Ventilelement 406 enthält eine erste Unterseite, woran eine kreisförmige Arbeitsfläche 408 ausgebildet ist, und eine zweite Oberseite 410, die einen konisch zulaufenden Teil gemäß Darstellung enthält. Ein zylindrischer Teil 412 des Ventilelements 406 begrenzt einen ringförmigen Raum 414 zwischen der radialen Außenfläche eines zylindrischen Teils 412 und der radialen Innenfläche der Bohrung 314.
Die Arbeitsfläche 408 enthält einen im wesentlichen flachen, kreisförmigen Teil 416, der daran zentriert ist. Wie daraus zu ersehen, ist der Durchmesser des kreisförmigen Teils 416 etwas größer als der einer Auslaßöffnung 418, die in einem Ventilelement 420 (worauf hier als auf ein erstes Ventilelement Bezug genommen wird) unter dem kreisförmigen Teil 416 ausgebildet ist. Ein konisch zulaufender Teil 422 ist zwischen dem kreisförmigen Teil 416 und der radialen Außenkante des Ventilelements 406 definiert. Das Ventilelement 420 enthält eine im wesentlichen flache, aufwärts gerichtete Arbeitsfläche 424. Die Arbeitsfläche 424 und der kreisförmige Teil 416 verlaufen im wesentlichen parallel zueinander. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung beträgt der Winkel zwischen dem konisch zulaufenden Teil 422 und der Arbeitsfläche 424 ca. vier (4) Grad, vierunddreißig (34) Minuten.
Man wird verstehen, daß die vorliegende Erfindung ebensogut funktioniert, wenn der konisch zulaufende Teil 422 am Ventilelement 420 ausgebildet und das untere Ende des Ventilelements 406 im wesentlichen flach ausgeführt ist, wodurch eine konisch zulaufende Öffnung zwischen den Ventilelementen am Kreisumfang entsteht, wenn diese aneinanderliegen.
Wenn die Welle 362 auf eine weiter unten zu beschreibende Weise abwärts gedrückt wird, schlägt das Ventilelement 406 am Ventilelement 420 an und die Arbeitsflächen 408, 424 definieren dazwischen einen im wesentlichen keilförmigen Querraum.
Wie in Verbindung mit den Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 bis 17 beschrieben, muß der Kegelwinkel ausreichend bemessen sein, so daß der größte Teil des Druckabfalls unter dem Ventilelement 406 an der Bohrung 418 auftritt. Andernfalls (d.h. wenn der Druckabfall gleichmäßig zwischen den Arbeitsflächen verteilt ist) könnte das Ventil zuschlagen.
Auf die Auslaßbohrung 322 und die Auslaßöffnung 318 wird hier kollektiv als auf Auslaßmittel Bezug genommen. Ein O-Ring 426 bewirkt die Abdichtung zwischen der radialen Außenfläche des Ventilelements 420, welches in eine Gegenbohrung 428 im Gehäuse 312, wie dargestellt, gedrückt wird, um die Abdichtung zwischen der radialen Innenfläche der Gegenbohrung und der radialen Außenfläche des ringförmigen Ventilelements zu bewirken.
Während des Betriebs ist der Einlaß 316 mit einem Rohr (nicht dargestellt) verbunden, welches über die Bohrung 318 einen Fluidstrom in die Bohrung 314 liefert. Ein weiteres Rohr (ebenfalls nicht dargestellt) ist mit der Auslaßbohrung 322 verbunden, um einen Fluidstromweg von der Bohrung 314 zu bilden.
Nachdem das Fluid durch die Bohrung 318 in die Bohrung 314 eintritt, strömt es durch die Bohrungen 398, 400 aufwärts in den Raum zwischen der oberen Seite 392 des Kolbens 390 und der unteren Seite der Scheibe 376. Fluid strömt auch über den ringförmigen Raum 414 in den Raum zwischen den Arbeitsflächen 408, 424. Selbst bei hohen Drücken und Durchflußmengen verteilt der ringförmige Raum 414 das Fluid im wesentlichen gleichmäßig rund um die äußeren Peripherien der Arbeitsflächen 408, 424, wodurch eine seitliche Belastung des Ventilelements 406 und der damit verbundenen Konstruktion verhindert wird.
Fluid strömt zwischen den Arbeitsflächen von den radialen Außenperipherien derselben zur Öffnung 418 hin, in die Öffnung hinein und in die Auslaßbohrung 322.
Das Ausmaß, in dem das Ventil 310 die hindurchströmende Fluidmenge drosselt, kann durch die Justiermutter 326 verändert werden. Wenn eine Verringerung der Fluidstromdrosselung gewünscht wird, wird die Mutter 326 von der Gewindeverbindung 328 abgeschraubt und dadurch wird eine Aufwärtsbewegung der Welle 362 ermöglicht. Da die Welle durch die Feder 374 nach oben vorgespannt wird, bewegt die Feder, während sich die Mutter 326 aufwärts bewegt, die Welle ebenfalls nach oben, während der Kontakt zwischen der Oberseite der Welle 362 und der Scheibe 360 erhalten bleibt. Während die Welle sich hebt, wird der Raum zwischen den Arbeitsflächen 408, 424 größer und damit vergrößert sich die Durchflußmenge durch das Ventil.
Alternativ kann die Mutter 326 in der Gewindeverbindung 328 durch Drehen der Mutter 326 in umgekehrter Richtung nach unten geschraubt werden. Dadurch werden die Arbeitsflächen zueinander hin gedrückt und die durch das Ventil strömende Fluidmenge wird verringert. Der Laufring 354 dreht sich mit der Mutter 326, während der Laufring 356 stationär bleibt. Somit ist ersichtlich, daß sich die Welle 362 bei der Aufwärts- und Abwärtsbewegung als Reaktion auf das Drehen der Mutter 326 nicht dreht.
Die kombinierten Kräfte von Fluiddruck und Feder 374, die auf die Welle 362 einwirken, werden im wesentlichen nach oben und unten selbst bei relativ hohen Drücken und Durchflußmengen ausgeglichen, wenn kein größerer Abwärtsdruck vorliegt. Befindet sich das Ventil beispielsweise in Betriebsstellung, d.h. ist es mit durchströmendem Fluid gefüllt, so wirkt der Fluiddruck auf den Teil der Arbeitsfläche 408, die sich über der Arbeitsfläche 424 befindet, nach oben. Ebenso wirkt der Fluiddruck auf die konisch zulaufende Fläche 410 nach unten. Im Falle hoher Abwärtsdrücke kann das Ventilelement 406 einer geringfügigen Netto-Aufwärtsdruck ausgesetzt werden. Bei Vorliegen allgemein niedriger Abwärtsdrücke sind die auf das Ventilelement 406 einwirkenden Aufwärts- und Abwärtsfluiddruckkräfte im wesentlichen gleich. Es ist ersichtlich, daß, da die Welle 404 einen etwas kleineren Durchmesser hat als die Welle 362 und da der Fluiddruck auf beide Flächen 392, 394 des Kolbens 390 einwirkt, auf den Kolben 390 ein geringfügiger Netto-Aufwärtsdruck ausgeübt wird. Die Feder 374 erzeugt ebenfalls einen geringfügigen Netto-Aufwärtsdruck.
Eine auf diesem Gebiet normal qualifizierte Person kann einen geeigneten Kolben, eine Welle und eine Federspannung wählen, um die auf das Ventilelement 406 und seine zugehörige Konstruktion einwirkenden Aufwärts- und Abwärtskräfte auszugleichen, wodurch ein Ventil entsteht, welches selbst bei hohen Drücken und Durchflußmengen leicht einstellbar ist. Soll das Ventil in einem System zum Einsatz kommen, welches einen hohen Abwärtsdruck einschließt, wirkt dieses auf einen kreisförmigen Teil 416 ein. Dies kann bei der Wahl der Kolben- und Wellengrößen und der Spannung der Feder 374 in Betracht gezogen werden, um die auf das Ventilelement 406 einwirkenden Aufwärts- und Abwärtskräfte im wesentlichen auszugleichen und dadurch eine leichte Ventileinstellung zu ermöglichen, selbst wenn hohe Abwärtsdrücke vorliegen.
Die Feder 374 verhindert Hysterese, die durch eine lockere Gewindeverbindung 328 bewirkt werden könnte, indem der Aufwärtsdruck an der Welle 362 und der Mutter 326 jederzeit aufrechterhalten wird.
Der Skalenring 342 ist so geeicht, daß der Strich 350 einen gleichwertigen Öffnungsdurchmesser am Skalenring bezeichnet. Der gleichwertige Öffnungsdurchmesser wird errechnet, indem man die Mindest-Querschnittsströmungsfläche durch Ventil 310 bestimmt und diesen Wert dann in den Durchmesser einer runden Öffnung mit gleicher Querschnittsfläche umrechnet.
Die Mindest-Querschnittsfläche, durch den das Fluid im Ventil 310 strömt, wird durch die radiale Außenfläche eines Zylinders definiert, dessen Durchmesser der Öffnung 418 entspricht, und dessen Höhe dem Abstand zwischen dem zentralen Teil 416 und der Arbeitsfläche 424 entspricht. Der radiale Außenflächenbereich eines solchen Zylinders ist die Mindest-Querschnittsströmungsfläche, die vom Fluid im Ventil durchströmt wird. Durch eine relativ geringe Drehbewegung der Mutter 326 wird die Querschnittsströmungsfläche wesentlich verändert und dadurch wird eine weitgehende Mengenregelung mit relativ geringen Bewegungen der Welle 362 möglich.
Die am Skalenring 342 erscheinenden Zahlen sind Durchmesser von Kreisflächen in Vierundsechzigsteln eines Zoll (1 Zoll = 25,4 mm), die gleich der oben beschriebenen Mindest-Querschnittsströmungsfläche im Ventil 310 sind, wenn der Strich 350 sich mit einer gewählten Zahl an der Skala 340 deckt. Wenn der Strich 334 in der Ansicht nach Figur 17 nur über der Skala 342 zu sehen ist, dient der Strich 350 zur Ablesung der radial am weitesten außen gelegenen Skala des Rings 342, d.h. der Skala von 0 bis 34. Wenn beide Striche 334, 336 zu sehen sind, erfolgt die Skalenablesung durch Einstellen des Strichs 350 auf eine Skalenzahl von 34 bis 48 und wenn sämtliche Striche 334, 336, 338 zu sehen sind, ist das Ventil voll geöffnet.
Nunmehr wenden wir uns der Figur 20 zu, in der bei 430 allgemein ein viertes Ventil bezeichnet ist, welches in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Die Konstruktion, die zuvor in den Figuren 17 bis 19 beschrieben wurde, behält in Figur 20 die gleiche Bezugszahl. Die Welle 362 sitzt in einer axialen Bohrung 432, die im unteren zylindrischen Teil 340 ausgebildet ist. Ein Paar Bohrungen 434, 436 sind quer zueinander durch das obere Ende der Welle 362, wie dargestellt, ausgebildet. Ein Paar entsprechender Bohrungen, eine davon die Bohrung 438, sind in Querrichtung durch den zylindrischen Teil 340 ausgebildet, so daß, wenn die Welle 362 in der Bohrung 432 sitzt, die Bohrung 436 koaxial mit der Bohrung 438 fluchtet und die Bohrung 434 ebenso koaxial mit einer (nicht sichtbaren) entsprechenden Bohrung fluchtet, die durch den zylindrischen Teil 340 ausgebildet ist.
Ein Stift 450 sitzt in den Bohrungen 436, 438 und ein Stift 452 sitzt in der Bohrung 434 und der entsprechenden (nicht sichtbaren) Bohrung, die im zylindrischen Teil 340 ausgebildet ist.
Die Anordnung von Stift und Bohrung gemäß der Beschreibung erlaubt somit sowohl eine Dreh- als auch Längsbewegung der Welle 362 im Verhältnis zum zylindrischen Teil 340.
Die Funktionsweise der Ausführungsform der Erfindung, die in Figur 20 dargestellt ist, ist im wesentlichen die gleiche wie bei den Figuren 17 bis 19. Bei der Ausführungsform nach Figur 20 wird jedoch die Welle 362 im Falle eines Druckabfalls unter dem Ventilelement 406 an einer Abwärtsbewegung gehindert, wodurch das Ventilelement 106 in der durch Drehung des zylindrischen Teils 340 gewählten Position verbleibt.

Claims

1. Fluidventilanordnung mit einem Gehäuse (12, 312), einem ersten, auf dem Gehäuse angebrachten Ventilelement (148, 420), wobei das erste Ventilelement eine Arbeitsfläche (146, 424) aufweist, einem zweiten Ventilelement (126, 404), das in dem Gehäuse zur Bewegung in Richtung auf und weg von dem ersten Ventilelement aufgenommen ist, wobei das zweite Ventilelement auf einer Seite davon eine Arbeitsfläche (144, 394), die auf das erste Ventilelement gerichtet ist, und auf der anderen Seite eine Rückseite (128, 392) aufweist, einer zentral angeordneten Öffnung (149, 418), die sich ausgehend von dessen Arbeitsfläche in eines der Ventilelemente erstreckt, Einlaßmitteln (152, 316), die in dem Gehäuse ausgebildet sind und einen Fluidstrom zu einer Stelle nahe der Außenumfänge der Arbeitsflächen erlauben, dadurch gekennzeichnet, daß Kanäle (190-201, 398, 400) zur Übermittlung des Drucks auf den Arbeitsflächen (144, 394) des zweiten Ventilelements zu der Rückseite (128, 392) vorgesehen sind, und daß die Arbeitsflächen (144, 146, 422, 424) der ersten und zweiten Ventilelemente im wesentlichen den ganzen Druckabfall auf eine Stelle begrenzen, die sich sehr nahe bei der Öffnung für im wesentlichen alle beabstandeten Positionen der Arbeitsflächen befindet, wenn sich das Ventil im Betriebszustand befindet.

2. Fluidventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine konisch zulaufene Konfiguration (144, 422) auf der Arbeitsfläche zumindest eines der Ventilelemente ausgebildet ist, um dazwischen einen in Querrichtung im wesentlichen keilförmigen, ringförmigen runden Raum zu bilden, wenn die Ventilelemente aneinanderstoßen.

3. Fluidventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflächen in einem Winkel von zwischen 2º20' und etwa 25º angestellt sind.

4. Fluidventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidventilanordnung außerdem Mittel (158) umfaßt, die sich zwischen den Einlaßmitteln und den Außenumfängen der Arbeitsflächen (144, 146) zur Verteilung des Fluidstroms um diese herum befinden.

5. Fluidventilanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilungsmittel ein ringförmiges Loch (158) umfaßt, das sich um die Außenumfänge der Arbeitsflächen herum befindet, wobei das ringförmige Loch durch die Außenfläche eines der Ventilelemente und von einer Innenfläche des Gehäuses begrenzt wird und eine Querschnittsfläche von weniger als zweimal so viel wie die Querschnittsfläche der Öffnung aufweist.

6. Fluidventilanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des ringförmigen Lochs größer als die Hälfte der Querschnittsfläche der Öffnung ist.

7. Ventilanordnung der Art mit einem Gehäuse (12, 312), einem in dem Gehäuse angebrachten Ventil (126, 148, 420, 424), das geöffnet und geschlossen werden kann, wobei das Ventil ein Paar von Ventilelementen aufweist, von denen (126, 404) eines beweglich ist, wobei jedes der Ventilelemente eine Arbeitsfläche (144, 344, 146, 424) aufweist, wobei das Gehäuse Einlaßmittel (152, 154, 316) aufweist, die einen Fluidfluß dort hinein und zu einer Stelle nahe einer Seite des Ventils erlauben, wobei eines der Ventilelemente eine Öffnung (149, 418) aufweist, die sich ausgehend von seiner Arbeitsfläche dort hinein erstreckt, wobei die Arbeitsflächen miteinander in Eingriff kommen können, um das Ventil zu schließen, wobei die Öffnung geschlossen ist, wenn das Ventil geschlossen ist, mit Mitteln, die mit Gehäuse gekoppelt sind, um einen Fluidfluß aus dieser Öffnung heraus zu erlauben, und mit Mitteln, die sich zwischen den Einlaßmitteln (152, 154) und den Außenumfängen der Arbeitsflächen befinden, um den Fluidstrom dort herum zu verteilen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilungsmittel die Form eines ringförmigen Lochs (158, 414) aufweist und sich um die Außenumfänge der Arbeitsflächen herum befindet und von der Außenfläche (161, 412) des einen der Ventilelemente und durch eine Innenfläche (150, 314) des Gehäuses begrenzt wird, wobei das ringförmige Loch eine Querschnittsfläche von weniger als das Doppelte der Querschnittsfläche der Öffnung (149, 418) beträgt.

8. Fluidventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilungsmittel ein ringförmiges Loch umfaßt, das zwischen einem der Ventilelemente und dem Gehäuse für alle Betriebspositionen des zweiten Ventilelements ausgebildet ist.

9. Fluidventilanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des ringförmigen Lochs im wesentlichen für alle Betriebspositionen des zweiten Ventilelements konstant ist.

10. Ventilanordnung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des ringförmigen Lochs größer als die Hälfte der Querschnittsfläche der Öffnung ist.

11. Fluidventilanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidventilanordnung außerdem ein Paar von entgegengesetzten flachen Abschnitten umfaßt, die auf den Arbeitsfläche ausgebildet sind, wobei die Öffnung geschlossen ist, wenn diese flachen Abschnitte aneinander anliegen.

12. Fluidventilanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilelement-Arbeitsflächen starr sind.

13. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilanordnung außerdem Mittel zum Eingrenzen (144, 146, 422, 424) im wesentlichen des ganzen Druckabfalls auf eine Stelle umfaßt, die sich sehr nahe bei der Öffnung für im wesentlichen alle beabstandeten Positionen der Arbeitsfläche befindet, wenn sich das Ventil im Betriebszustand befindet.