DE2410541C3

DE2410541C3 - Umschaltventil

Info

Publication number: DE2410541C3
Application number: DE2410541A
Authority: DE
Inventors: Hidetsugu Fujitani; Naotake Oneyama
Original assignee: Shoketsu Kinzoku Kogyo Kk Tokio
Current assignee: Shoketsu Kinzoku Kogyo Kk Tokio
Priority date: 1973-11-07
Filing date: 1974-03-06
Publication date: 1979-08-16
Also published as: GB1490369A; JPS5326686B2; FR2250055B1; US3955597A; DE2410541A1; FR2250055A1; DE2410541B2; JPS5074822A

Description

.τ

ist, wobei Ds der wirksame äußere Durchmesser, Eh der wirksame innere Durchmesser und t die Höhe des ringförmigen Ventilverschlußteils ist.

Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil mit einer Absperreinrichtung zur Umschaltung der Richtung eines Fluidstroms durch Verbindung einer ausgewählten Austrittsöffnung mit einer Eintrittsöffnung bei gleichzeitiger Herstellung eines Abflusses über eine zweite Eintrittsöffnung zu einer anderen Austrittsöffnung, bestehend aus einem Ventilgehäuse mit einer im Inneren vorgesehenen, im wesentlichen zylindrischen Ventilkainmer mit einem Paar von einander gegenüberliegenden Ventilsitzen und mit Führräumen an gegen-

jo überliegenden Enden für einen in der Ventilkammer verschiebbaren Hauptventilkörper mit Endbereichen, die in dichtender Berührung mit den Wänden der Führräume des Ventilgehäuses stehen, sowie mit einem Paar von einander gegenüberliegenden Ventilsitzen zwischen den Endbereichen, welche den Ventilsitzen des Ventilgehäuses zugewandt sind, aus einem locker um den Hauptventilkörper angeordneten, ringförmigen Ventilverschlußteil mit rechteckigem Ringquerschnitt, das in Berührung mit den Ventilsitzen von Ventilgehäuse und Hauptventilkörper bringbar ist, und aus einer Ventilbetätigungseinrichtung zur Verschiebung des Hauptventükörpers von einer ersten in eine zweite Umschaltstellung.

Ein derartiges Umschaltventil, das ein Ventilgehäuse mit im wesentlichen zylindrischer Ventilkammer und einander gegenüberliegenden Ventilsitzen aufweist, ist beispielsweise aus der AT-PS 2 65 791 bekannt. In der Ventilkammer dieses Ventils ist ein verschiebbarer Hauptventilkörper mit ebenfalls gegenüberliegenden Ventilsitzen angeordnet, zwischen denen ein ringförmiges Ventilverschlußteil locker liegt. Das Verschließen des jeweils abzusperrenden Strömungspfades erfolgt bei dem bekannten Umschaltventil durch Anpressen des kreisringförmigen, ebenen Ventilsitzes des Hauptventilkörpers an eine erste Dichtfläche des Ventilverschlußteils, das dadurch mit seiner zweiten gegenüberliegenden Dichtfläche gegen den ebenfalls kreisringförmigen, ebenen Ventilsitz des Ventilgehäuses gepreßt wird. Die Stärke des Anpreßdruckes und damit die Dichtwirkung

bo hängen ausschließlich von dem auf die Stirnfläche bzw. die Kolbenstirnseite seines Steuerkolbens ausgeübten Mediendruck ab.

Fs sind ferner bereits Umschaltventile bekannt, die sich im wesentlichen in zwei Gruppen einteilen lassen,

hi nämlich in Umschaltventil mit einem verschiebbaren, im allgemeinen stangenartigen Verschlußteil und in Umschaltventile mit einem von einem Ventilsitz abhebenden Verschlußteil. Ein Ventil mit verschiebba-

rem Verschlußteil hat die Vorteile, daß es nur eine geringe Anzahl von Bauelementen erfordert und einfach aufgebaut ist, daß es lediglich durch Änderungen verschiedene Abmessungen eines einzigen Verschlußteils eine Umschaltung in viele Richtungen und Stellungen ermöglicht, und daß es sich einfach an Konstruktionen mit abgeglichenem Druck anpassen läßt, wodurch eine vorteilhafte Verringerung der erforderlichen Ventilbetätigungskraft ermöglicht wird und verhältnismäßig große Fluidmengen verarbeitet werden können, insbesondere dann, wenn ein System mit unmittelbar betätigtem Magnetventil verwendet wird.

Ventile mit verscniebbarem Ventilglied haben jedoch auch unvermeidbar die Nachteile, daß sich nur schwer eine sichere Abdichtung an den gleitenden Bereichen des Verschlußteils erreichen läßt und daß kleine Fluidmengen sowie Staub oder Fremdstoffe im Fluid in den Bereich der gleitenden Teile gelangen urd so einen erhöhten Reibungswiderstand für das Verschlußteil hervorrufen, wodurch Betriebsausfälle eintreten können, etwa ein Durchbrennen einer Magnetspule, wenn ein unmittelbar betätigtes Magnetventil benutzt wird. Um dies zu verhindern, muß der Zustand des Fluids sehr sorgfältig gesteuert werden.

Andererseits hat ein Ventil mit sich von einem Ventilsitz abhebenden Verschlußteil die Vorteile, daß es das Fluid auf sichere Weise abdichtet, daß man durch eine geringe Verschiebung des Verschlußteils einen großen Fluidstrom bewirken kann und daß sich keine Betriebsschwierigkeiten infolge Durchtritts kleiner Fluidmengen oder infolge Staubs und Fremdstoffen ergeben, so daß auch keine genaue Steuerung der Qualität des Fluides erforderlich wird. Die Nachteile der bekannten Ventile mit sich vom Ventilsitz abhebendem Verschlußteil bestehen darin, daß die Herstellung eines druckabgeglichenen Aufbaus, der nur eine geringe Betätigungskraft benötigt, schwierig ist und daß zur Umschaltung in mehr als drei Richtungen oder in mehr als drei Stellungen die Verwendung einer entsprechenden Anzahl von Ventileinheiten erforderlich wird, so daß ein Ventilaufbau entsteht, der eine erhöhte Anzahl von Bauelementen aufweist, was nachteilig bezüglich Größe und bezüglich Herstellungskosten ist.

Die Betriebseigenschaften von Ventilen mit verschiebbarem Verschlußteil und Ventilen mit sich von einem Ventilsitz abhebendem Verschlußteil sind, wie vorstehend erwähnt, gegensätzlich, so daß diese Ventile in der Praxis auch für unterschiedliche Anwendungszwecke benutzt werden. Im allgemeinen wird ein Ventil mit verschiebbarem Verschlußteil zum Umschalten in mehr als drei Richtungen und ein Ventil mit von einem Ventilsitz abhebenden Verschlußteil für Umschpltungen in weniger als drei oder in zwei Richtungen benutzt. Es gibt bereits ein Vierrichtungs- oder Vierwege-Ventil mit sich vom Ventilsitz abhebendem Verschlußteil, das aus einer Anzahl von Zwei- oder Dreiwege-Ventileinheiten aufgebaut ist oder eine Achse enthält, die eine Anzahl von Ventilsitzen aufweist ähnlich wie bei einem Ventil mit verschiebbarem Verschlußteil. Dieser Aufbau hat jedoch den Nachteil, daß er eine erhöhte Anzahl von Bauelementen benötigt und kompliziert konstruiert sein muß, um Durchlässe zu bilden, die die verschiedenen Ventileinheiten verbinden, so daß eine Ventilanordnung von unerwünscht großen Abmessungen entsteht und ihre Herstellung teuer ist. Es könnte auch ein Aufbau in der Größe eines Ventils mit vu-schiebbarem Verschlußteil realisiert werden, doch hätte dies den Nachteil, daß eine axial wirkende Ventilbetätigungskraft sich nur schwer gleichförmig auf eine Anzahl von Dichtungsbereichen zwischen Verschlußteil und einem Ventilsitz verteilen läßt

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfach aufgebautes und zur Erzielung einer sicheren und festen Abdichtung nur eine geringe Betätigungskraft benötigendes Umschaltventil mit von einem Ventilsitz abhebendem Verschlußteil zu schaffen, das auch bei

ίο Steuerung von verschmutztem Fluid kein nachteiliges Betriebsverhalten zeigt

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Umschaltventil in der aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ersichtlichen Weise ausgebildet

Das ringförmige Ventilverschlußteil wird durch die Wirkung des Hauptventilkörpers und einem bei Verschiebung dieses Hauptventilkörpers in die erste oder zweite Umschaltsteliung in der Ventilkammer entstehenden Fluiddruck fest zwischen den kegelstumpfförmigen Sitzen des Hauptventilkörpers und des Ventilgehäuses gehalten, wodurch eine sichere Dichtung um den Hauptventilkörper entsteht, um eine Fluideinlaßöffnung mit einer gewählten Fluidauslaßöffnung zu verbinden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verläuft ein Fluidausti ittsdurchlaß axial durch den Hauptventilkörper und ist über eine radiale Öffnung zwischen dem Paar von kegelstumpfförmigen Ventilsitzen des Hauptventilkörpers mit der Ventilkammer verbunden.

Das ringförmige Ventilverschlußteil wird mittels einer Führeinrichtung in koaxialer Lage bezüglich dem Hauptventilkörper gehalten.

Ein Merkmal der Erfindung ist in dem ringförmigen Ventilverschlußteil zu sehen, das bewegbar in einem Raum zwischen dem Ventilgehäuse und dem Hauptventilkörper angeordnet ist In der ersten und der zweiter·. Umschaltstellung wird durch das ringförmige Ventilverschlußteil und die kegelstumpfförmigen Ventilsitze im Gehäuse und im Hauptventilkörper eine sichere Ventildichtung infolge der kombinierten Wirkung einer von einer geeigneten Ventilbetätigungseinrichtung verursachten Kraft und eines auf das ringförmige Ventilverschlußtei! selbst wirkenden Fluiddruckes aufrechterhalten. Der Hauptventilkörper kann mittels einer extrem geringen Betätigungskraft ohne Einfluß von dem auf das ringförmige Ventilverschlußteil wirkenden Fluiddruck von einer Umschaltstellung in die andere bewegt werden.

Da außerdem das ringförmige Ventilverschlußteil

so locker bezüglich dem Hauptventilkörper angeordnet ist, so daß der auf das ringförmige Ventilverschlußteil wirkende Fluiddruck nicht auf den Betrieb des Hauptventilkörpers wirkt, kann das Ventil mit einem druckabgeglichenen Aufbau arbeiten, ähnlich wie die bekannten, abgeglichenen Umschaltventile mit verschiebbarem Ventilglied, oder es kann als einfaches Umschaltventil dienen, das unter dem Einfluß eines Fluiddrucks in eine Ausgangsstellung zurückkehrt. Außerdem kann es als sich selbst haltendes Doppel-Um-

bo schaltventil arbeiten, das unter dem Einfluß des Fluiddrucks dauernd in einer Umschaltstellung gehalten wird. Die erfindungsgemäße Ventilanordnung ist somit für vt.-schiedene AnwendungszweeKe geeipnc·., da sie in ihrer Funktionsweise sehr vielseitig ist

Hj Darüber hinaus weist dai erfindungsgemäße Umschaltventil alle Vorteile der bekannten Vemile mit von einem Ventilsitz abhebendem Verscliiußteil und mit einem verschiebbaren Ver^iilußteil auf, ohne daß deren

Nachteile vorhanden wären.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispiele zeigenden Figuren näher erläutert

Fig ' ^eigt eine⁷: 5-?hnitt durch ein I'mschalivemil gemäli der Erfindung;

Fig.2 zeigt das Ventil aus Fig. 1 in einer anderen Umschaltstellung;

F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch ein anderes Ausfiihrungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Umschaltventils;

Fig.4 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Umschaltventils;

F i g. 5 neigt in einem Schnitt den Aufbau eines ringförmigen Ventilverschlußteils gemäß der Erfindung;

F i g. 6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie VI-VI aus Fig.5;

F i g. 7 zeigt einen Schnitt durch eine abgewandelte Führung des ringförmigen Ventilverschlußteils in der Stellung gemäß F i g. 6.

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Umschaltventil gemäß der Erfindung hat ein Ventilgehäuse 1 mit einer im Inneren vorgesehenen, im wesentlichen zylindrischen Ventilkammer 2. In dieser Ventilkammer befindet sich ein in axialer Richtung verschiebbarer Hauptventilkörper 3 sowie ein ringförmiges Ventilverschlußteil 4, das locker um den Hauptventilkörper angeordnet ist und in einem Raum zwischen einander gegenüberliegenden Ventilsitzen am Ventilgehäuse 1 und am Hauptventilkörper 2 eingeschlossen wird, wie dies später erläutert werden wird.

Das die Ventilkammer 2 bildende Ventilgehäuse 1 hat eine Fluideintrittsöffnung P₁ Austrittsöffnungen A und B sowie eine Auslaßöffnung E, die jeweils in Verbindung mit der Ventilkammer 2 stehen. Diese Ventilkammer weist zylindrische Endräume 5 und 6 auf, die in Eingriff mit den zylindrischen Endbereichen des Hauptventilkörpers 3 stehen, um diesen bei der axialen Verschiebung in der Ventilkammer 2 zu führen. Im Inneren des Ventilgehäuses 1 befinden sich zwei im Winkel zueinander angeordnete, kegelstumpfförmige Ventilsitze 7 und 8, die am inneren Umfang eine Ringnut mit trapezförmigem Querschnitt bilden. Die Eintrittsöffnung fist zwischen den kegelstumpfförmigen Ventilsitzen 7 und 8 mit der Ventilkammer 2 verbunden, während die Austrittsöffnungen A und B an gegenüberliegenden Seiten der Ventilsitze 7 und 8 in Verbindung mit der Ventilkammer 2 stehen. Die Auslaßöffnung E führt in da« äußere Ende des zylindrischen Endraumes 5, der am unteren Ende der Ventilkammer 2 gezeigt ist (F i g. 1 und 2). In den Figuren ist das Ventilgehäuse 1 als ein einstückiger Block dargestellt Es ist jedoch klar, daß ein entsprechendes Gehäuse auch durch Verbindung einer Anzahl von Bauelementen oder Teilen hergestellt werden kann.

Der in der Ventilkammer 2 verschiebbar angeordnete Hauptventilkörper 3 weist an gegenüberliegenden Enden zylindrische Gleitbereiche 10 und 11 auf, deren Durchmesser mittels Dichtungsringen 9 an die zylindrischen Endräume 5 und 6 des Ventilgehäuses 1 angepaßt ist Diese Dichtungsringe 9 dienen zum Abdichten der Ventilkammer 2 und können gegebenenfalls auch durch andere Elemente ersetzt werden, beispielsweise durch Membranen. Der Hauptventilkörper 3 hat ein Paar im Winkel zueinander angeordneter, kegelstumpfförmiger Ventilsitze 12 und 13, die am äußeren Umfang des Ventilkörpers 3 eine Ringnut mit trapezförmigem Querschnitt bilden und gegenüber den kegc-klunipffc:"-migen Ventilsitzen 7 umi fs ;»m inneren Umfang des Ventilgehäuses 1 angeordnet sind bzw. diesen zugewandt sind. Der untere Gleitbereich des Hauptventil-, körpers 3 ist hohl und bildet einen sich in axialer Richtung erstreckenden Verbinüiingsdurchlaß 14 mit einem zylindrischen äußeren Raum größeren Durchmesseis und einem zylindrischen inneren Raum geringeren Durchmessers. Der Durchlaß 14 ist mit einer

κι radialen öffnung 16 verbunden, die in einem einen geringeren Durchmesser aufweisenden Bereich 15 des Hauptventilkörpers 3 zwischen den kegelstumpfförmigen Ventilsitzen 12 und 13 vorgesehen ist
Der Hauptventilkörper 3 kann durch Zusammensets zen von 2 getrennten Teilen hergestellt werden, die in dem Bereich 15 mit geringerem Durchmesser miteinander verbunden sind, d. h., ein Teil enthält den Ventilsitz 12 und den zylindrischen Gleitbereich 11 und ein Teil enthält den Ventilsitz 13 und den hohlen zylindrischen Gleitbereich 10. Die Verbindung der beiden Teile kann beispielsweise durch Verschrauben, durch Einpressen, durch Kleben o. ä. erfolgen, oder die beiden Teile können auch unter Aufrechterhaltung eines Freiheitsgrades über eine schwenkbare Gelenkverbindung miteinander verbunden sein. Gegebenenfalls läßt sich der Hauptventilkörper 3 auch einstückig herstellen.

Das ringförmige Ventilverschlußteil 4 hat die Form eines Ringes, der locker um den Bereich 15 mil geringerem Durchmesser des Hauptventilkörpers 3 angeordnet ist und in einem Schwimmerraum eingeschlossen wird, der von den kegelstumpfförmiger Ventilsitzen 12 und 13 des Hauptventilkörpers 3 und der kegelstumpfförmigen Ventilsitzen 7 und 8 am innerer Umfang des Ventilgehäuses 1 gebildet wird. Das ringförmige Ventilverschlußteil 4 hat vier parallele Dichtungskanten 4a, Ab, 4c und 4d, die jeweils in dichtenden und festen Eingriff mit den kegelstumpfförmigen Ventilsitzen 7, 8, 12 und 13 bringbar sind. In der dargestellten Ausführungsbeispielen hat das ringförmige Ventilverschlußteil einen rechteckförmigen Querschnitt. Es kann jedoch auch im Querschnitt X-H-förmig oder rund sein.

Das ringförmige Ventilverschlußteil 4 kann durch Formung eines elastischen Materials, etwa Nitrilkautschuk, zu einer Ringform hergestellt werden, doch ist e< auch möglich, auf einen starren Ring eine äußere Schicht aus elastischem Material aufzubringen. Da« Schwimmerventil 4 könnte auch aus einem Ring au; starrem Material bestehen, wenn die Oberflächen dei

so Ventilsitze 7,8,12 und 13 mit einem elastischen Materia beschichtet wären. Andererseits können sowohl da« ringförmige Ventilverschlußteil 4 als auch die erwähnten Ventilsitze starr sein, wenn sie zur Sicherung einei dichtenden Berührung mit einem elastischen Materia beschichtet sind.

Das Umschaltventil gemäß der Erfindung enthäli außerdem eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Bewe gung des Hauptventilkörpers aus der Stellung gemät F i g. 1 in die Stellung gemäß F i g. 2. In den Zeichnunger ist diese Ventilbetätigungseinrichtung schematisch al; Block 17 dargestellt, da alle möglichen Einrichtunger verwendet werden können, die auf den Hauptventilkör per 3 von außen eine Ventilbetätigungskraft ausüben Um den Hauptventilkörper 3 und das ringförmig« Ventilverschlußteil 4 von einem Ende der Ventilkammei zum anderen Ende zu bewegen, können bekannt« Ventilbetätigungseinrichtungen verwendet werden, di« auf den Hauptventilkörper wirken, beispielsweise da;

Aufbringen oder Entfernen eines Ventilbetätii-ungssignals, etwa eines F!uiddr_l·:¹'·^, einer elckt;v.nagnetischcp Kraft, einer mechanischen Kraft o.a. Eine entsprechende Betätigungseinrichtung l-ann zur Rückbewegung des Hauptventilkörper' in die entgegenge- -, setzte Richtung, d. h. in den Zeichnungen nach oben, benutzt werden, so daß dann die Feder 20 nicht erforderlich Ki. In dem dargestellter Ausführungsoeispiel ruht die Feder 20 an einem Ende auf einem abgesetzten Bereich 18 zwischen dem inneren und >, äußeren Raum im Hauptventilkoiper 3 und mit dem anderen Ende auf der äußeren Endwand des zylindrischen Endraums 5 der Ventilkammer 2, so daß der Hauptventilkörper 3 nach oben gedruckt wird.

Das gemäß der vorstehenden Beschreibung aufge- \-, baute Umschaltventil arbeitet in der nachfolgend beschriebenen Weise.

In F i g. 1 befindet sich das Umschaltventil in einer Stellung, in der die Ventilbetätigungseinrichtung 17 von ihrem Antrieb getrennt ist und in der der kegelstumpf- 2n förmigc Ventilsitz 13 des Hauptventilkörpers 3 infolge der Kraft der Feder 20 an der Kante Ad des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 anliegt, während die Kante Ab des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 am kegelstumpfförmigen Ventilsitz des Ventilgehäuses 1 anliegt. In dieser Lage, die zur Vereinfachung der Beschreibung im folgenden als die erste Umschaltstellung bezeichnet wird, bewirken die Kanten Ab und Ad des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 eine dichtende Berührung mit den kegelstumpfförmigen Ventilsitzen 8 jo und 13, da die Feder den Hauptventilkörper 3 axial nach oben drückt (Fig. 1) und unter Druck stehendes Fluid, das durch die Eintrittsöffnung P zugeführt wird, auf das ringförmige Ventilverschlußteil 4 wirkt. Andererseits befinden sich die Kanten Aa und Ac des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 in der ersten Umschaltstellung im Abstand von den kegelstumpfförmigen Ventilsitzen 17, 7 und 12, so daß sie einen offenen Durchlaß bilden. Somit kann unter Druck stehendes Fluid durch die Eintrittsöffnung P in die Ventilkammer 2 gelangen und durch den offenen Durchlaß zwischen dem Ventilsitz 7 und dem ringförmigen Ventilverschlußteil 4 und dann um den Umfang des Hauptventilkörpers 3 zur Austrittsöffnung A strömen. Demgegenüber wird das Fluid in der Austrittsöffnung B durch den offenen Durchlaß zwischen Ventilsitz 12 und ringförmigem Ventilverschlußteil 4 hindurch und dann durch die öffnung 16 und den Verbindungsdurchlaß 14 geführt, so daß es zur Auslaßöffnung £ gelangt.

Wird der Betätigungseinrichtung 17 ein Umschaltsignal zugeführt, so bewirkt diese eine Abwärtsbewegung des Hauptventilkörpers 3 aus der ersten Umschaltstellung gemäß F i g. 1. Sobald sich der Hauptventilkörper 3 verschiebt, wird die dichtende Berührung der Kanten 4b und 4d des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 mit den Ventilsitzen 8 und 13 aufgehoben, und das ringförmige Ventilverschlußteil 4 befindet sich innerhalb der Ventilkammer 2 in einem »schwimmenden« Zustand. Der Hauptventilkörper 3 ist druckabgleichend aufgebaut wie dies später beschrieben werden wird, so daß er vollständig frei von Einflüssen des unter Druck stehenden Fluids bleibt und durch Aufbringen einer Betätigungskraft auf den Hauptventilkörper 3, die die Wirkung der Feder 20 überwindet, in die zweite Umschaltstellung (Fig.2) verschoben werden kann. Insbesondere liegen die Kanten 4c und 4a des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 in der zweiten Umschaltstellung dichtend an den Ventilsitzen 12 und 7 an. Mit anderen Worten, das ringförmige Ventilverschlußteil 4 wird durch den Hauptventilkörper 3 nach unten gegen den kegelstumpfförmigen Ventilsitz 7 des Venlilgehäuses 1 gepreßt, und zwar durch die kombinierte Wirkung der von der Ventilbetätigungseinrichtung 17 auf den Hauptventilkörper 3 aufgebrachten und gegen die Feder 20 wirkenden Betätigungskraft und des auf das ringförmige Vontilverschlußteil 4 wirkenden Fluiddruckes.

In dieser zweiten Umschaltstcliung wird das Fluid von der Einlaßöffnung P durch den offenen Durchlaß zwischen Ventilsitz 8 und ringförmigem Ventilverschlußteil 4 und dann um den Umfang des Hauptventilkörpers 3 in die Austrittsöffnung B geführt. Andererseits gelangt das Fluid in der Austrittsöffnung A durch den offenen Durchlaß zwischen Ventilsitz 13 und ringförmigem Ventilverschiußteil 4 und dann durch die Öffnung 16 und den Verbindungsdurchlaß 14 zur Auslaßöffnung E

Im folgenden werden nun die Abmessungsbeziehungen der jeweiligen Ventilelemente beschrieben, die die Umschaltwirkung des vorstehend beschriebenen Ventils charakterisieren.

Wird der Öffnungswinkel des kegelstumpfförmigen Ventilsitzes 13 des Hauptventilkörpers 3 mit Ψ, der öffnungswinkel des kegelstumpfförmigen Ventilsitzes 8 des Ventilgehäuses 1 mit Φ und der von den diagonalen durch die Kanten Ab und Ad des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 an radial gegenüberliegenden Stellen mit θ bezeichnet, so muß die folgende Beziehung erfüllt sein

wobei

Ψ" < 180" - (■)'■ < Φ

_c 360 TD₅ - Df

(-) = — ■ arc tan 1 ———-.τ L 2( _

und Ds den wirksamen Durchmesser oder wirksamen Sitzdurchmesser der Kante Ab des Schwimmerventils, Di den wirksamen Sitzdurchmesser der Kante 4</und t die wirksame axiale Länge des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 zwischen den Kanten Ab und 4c/bezeichnet.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die Winkel der kegelstumpfförmigen Ventilsitze 7 und 12 die gleiche Zuordnung bezüglich den Kanten Aa und Ac des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 haben.

Die vorstehenden Beziehungen sind erforderlich, um sicherzustellen, daß das zugeführte Fluid ausreichend stark auf die Dichtungsbereiche des ringförmigen Ventilverschlußteils drückt um dieses zwischen dem Ventilsitz am Hauptventilkörper 3 und dem Ventilsitz am Ventilgehäuse 1 festzuhalten. Die auf das ringförmige Ventilverschlußteil wirkende Dichtungskraft wird entsprechend der Vergrößerung der Differenz zwischen Φ und (180° -Θ) oder Ψ und (180° -Θ) erhöht so daß sich eine sichere Dichtung des Ventils erreichen läßt selbst wenn die Kraft der Feder 20 und die von der Ventilbetätigungseinrichtung 17 ausgeübte Kraft klein sind. Ferner läßt sich die auf die Dichtungen an den einander diagonal gegenüberliegenden Kanten des ringförmigen Ventilverschlußteils wirkende Dichtungskraft durch unabhängige Änderung der Winkel Φ und Ψ einstellen, um den Fluiddruck im gewünschten Verhältnis auf die beiden Dichtungsbereiche des Ventils zu verteilen und gleichzeitige Abdichtungen zu bewirken. Wird die Beziehung gemäß Formel (1) nicht erfüllt so

wird es schwierig, die Belastung durch den Fluiddruck als Dichtungskraft zu verwenden, und der Dichtungsvorgang wird vollständig abhängig von einer äußeren Betätigungskraft.

Bezüglich der Beziehungen der Durchmesser der -, verschiedenen Bereiche der Ventilanordnung gilt folgende Beziehung, wenn die inneren Dichtungskanten 4c und 4d des Schwimmerventils die effektiven Sitzdurchmesser von Dt₁ und Eh und die oberen und unteren Gleitbereiche D\ und Eh der entsprechenden Dichtungsringe 9 sind,

₁ = D₂= D., = D₄.

(3)

Mit dieser Beziehung hat der Hauptventilkörper 3 einen druckabgeglichenen Aufbau und ist vollständig frei von vorbelastenden Einflüssen durch den Druck des zugeführten Fluids, der sonst in der ersten oder zweiten Umschaltstellung oder während der Verschiebung wirksam werden würde. Der Hauptventilkörper 3 wirkt somit in der gleichen Weise wie ein abgeglichenes Umschaltventil mit verschiebbarem Ventilglied, das nur eine sehr kleine Betätigungskraft benötigt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß das Ventil gemäß dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführurigsbeispiel die Formel (1) und (3) erfüllt, so daß üer auf das ringförmige Ventilverschlußteil wirkende Fluiddruck den größten Teil der erforderlichen Dichtungskraft liefert, wodurch die Ventilbetätigungseinrichtung 17 und die Feder 20 nur einen kleinen Kraftanteil für die Ventilbetätigung beizutragen brauchen. Während der Zeitspanne vom Beginn des Umschakvorganges bis zu dessen Ende werden der Hauptventilkörper 3 und das ringförmige Ventilverschlußteil 4 in einem nicht vorgespannten Zustand gehalten, so daß bereits die Ausübung einer kleinen Kraft durch die Ventilbetätigungseinrichtung 17 oder durch die Feder 20 ausreicht, um den Hauptventilkörper 3 von der einen Umschaltstellung in die andere Umschaltstellung zu bewegen, da der im Ventil vorhandene Fluiddruck während des Umschaltvorganges nicht als Gegenkraft wirkt. Mit anderen Worten, das Ventil ist so aufgebaut, daß der Fluiddruck zur Sicherstellung einer großen Dichtungskraft auf die Ventilsitzbereiche wirkt, ohne eine vorspannende Kraft auf den Hauptventilkörper auszuüben, die dem Umschaltvorgang entgegen wirken würde. Dadurch kann die Umschaltung eines Fluidstroms mit großer Strömungsrate mittels einer kleinen Betätigungskraft erreicht werden.

Außerdem wird bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau des Umschdtventils die während der Umschaltung auf das Ventil wirkende Stoßkraft auf einem minimalen Wert gehalten und in geeigneter Weise absorbiert Bei einem üblichen Umschaltventil mit verschiebbarem Verschlußteil, bei dem das Verschlußteil über eine verhältnismäßig große Strecke verschoben wird, wirkt auf sein Ende eine große Stoßkraft, wodurch mechanische Schaden auftreten können. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß bei Ventilen mit sich von einem Ventilsitz abhebendem Verschlußteil die Bewegungsstrecke des Ventilgliedes verhältnismäßig klein ist, jedoch wird die Belastung auf den Ventilsitz konzentriert, so daß dieser beschädigt oder beschleunigt abgenutzt wird.

Im Gegensatz dazu hat das erfindungsgemäße Umschaltventil, das in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist, eine erhöhte Lebensdauer, denn zusätzlich dazu, daß es sich um ein Ventil mit sich von einem Ventilsitz abhebendem Verschlußteil handelt, bei dem die Bewegung des Ventilgliedes nur über eine kurze Strecke erfolgt, hält es das ringförmige Ventilverschlußteil 4 zwischen den Ventilsitzen des Hauptventilkörpers 3 sowie an der Innenwand des Ventilgehäuses 1, um die Bewegung des Hauptventilkörpers 3 zu stoppen, so daß der Umschaltstoß von den elastischen Kanten des ringförmigen VentilverschluÜteils 4 und gleichzeitig durch die Elasti/iiüt des ringförmigen Ventilverschluß teils als ganzes absorbiert wird. Zur Erzielung dieser Stoßabsorption besteht das ringförmige Ventilverschlußteil 4 vorzugsweise aus einem elastischen Material, wie vorstehend bereits beschrieben.

In den F i g. 3 bis 5 sind Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Grundform des erfindungsgemäßen Ventilaufbaus dargestellt.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 sind die Beziehungen der Abmessungen der verschiedenen Durchmesser der wesentlichen Teile des Umschaltventils geändert. Während in dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 und 2 die oberen und unteren Gleitbereicbe 10 und 11 an den gegenüberliegenden Enden des Hauptventilkörpers gleicher. Durchmesser haben, ist bei dem Ausführungsbeispiei gemäß F i g. 3 der Durchmesser des unteren, zylindrischen Gleitbereiches 10a kleiner als der des oberen Gleitbereiches Ma, so daß sich die folgende Beziehung ergibt:

JO D₂ = D₃ = D₄ > D₁.

Außer dieser geänderten Durchmesserbeziehung unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 nicht vom Grundaufbau gemäß F i g. 1 und 2, und

J₅ aus diesem Grund sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen und Bezeichnungen versehen.

In der ersten dargestellten Umschaltstellung wirkt der Fluiddruck auf die Differenzfläche des Hauptventilkörpers, die sich aus dem Unterschied zwischen Eh ( = Da= Eh) und D\ ergibt und drückt den Hauptventilkörper 3 nach oben, um die Feder 20 beim Festlegen des ringförmigen Ventilverschlußteils 4 an den Ventilsitzen zu unterstützen. Bei diesem Aufbau ist es möglich, die Belastung der Feder 20 zu verringern oder diese Feder gar vollständig wegzulassen. Während der Hauptventilkörper 3 von der ersten Umschaltstellung in die zweite Umschaltstellung verschoben wird, muß er gegen den auf seine Differenzfläche wirkenden Fluiddruck arbeiten. Sobald jedoch der Hauptventilkörper die zweite Umschaltstellung erreicht hat, in der Da = D₂ ist, verschwindet der entgegenwirkende Fluiddruck, so daß die Betätigungskraft das ringförmige Ventilverschlußteil fest gegen die kegelstumpfförmigen Ventilsitze drücken kann. Ist in diesem Fall D₂ geringfügig größer als A, so entsteht eine Kraft, die den Hauptventilkörper 3 entsprechend der gebildeten Differenzfläche gegen die Betätigungskraft drückt, so daß der Hauptventilkörper 3 in die erste Umschaltstellung zurückkehrt, sobald die Betätigungskraft verschwindet

In dem Ausführungsbeispiei gemäß F i g. 3 kehrt der Hauptventilkörper nahezu unabhängig von der Wirkung der Feder aus der zweiten Umschaltstellung in die Ausgangslage zurück, d.h., der Hauptventilkörper 3 gelangt bei Wegnahme der auf ihn von der Ventilbetätigungseinrichtung 17 ausgeübten Betätigungskraft in die erste Umschaltstellung zurück. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn ein Ausfall der Feder 20 infolge Brechens sonst zu ernsthaften Schwierigkeiten oder

gefährlichen Situationen im Betrieb der Anlage '.Viren würde. Das Ventil arbeitet somit als einseitige Sicherheitskonstruktion.

F i g. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die Abmessungsbeziehtinger d<-:\ Hauptteile des Ventils geändert sind. In diesem FaIi besteht zwischen den Durchmessern ,"·, bis D₄ die folgende Beziehung:

n, -

D₁ =- D..

Außerdem ist der Durchlaß 14a über die gesamte Länge des Hauptventilkörpers"J geführt, und es sind nn gegenüberliegenden Eiiden der Ventükammer 2 Auslaßöffnungen E< und Ei sowie zwei Ventilbetätigungseinrichmngen Ma und 17b vorgesehen. Bezüglich der übrigen Teile entspricht das Au*führungsbeispiel gemäß F i g. 4 dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 und 2, und daher sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen und Bezeichnungen verwendet.

Bei dem Umschaltventil gemäß F i g. 4 wirkt der Fluiddruck auf die Differenzflächen des Hituntventilkörpers 3, die sich aus dem Unterschied der Durchmesser Di (D₂) und D₃ (D<) ergeben, wodurch das ringförmige Ventilverschlußteil in der ersten und der zweiten Umschaltstellung gegen die Ventilsitze gedrückt wird. Infolge Di = Di empfängt der Hauptventilkörper 3 während des Umschaltvorganges einen abgeglichenen Fluiddruck, so daß er durch Aufbringen einer extrem kleinen Betätigungskraft in die erste oder zweite Umschaltstellung bewegt werden kann, in der er dann dauernd durch den auf die Fläche entsprechend Eh oder Da, wirkenden Fluiddruck gehalten wird, selbst wenn die Betätigungskraft entfernt ist. Somit arbeitet das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 als doppelt wirkendes, zwei stabile Stellungen einnehmendes Umschaltventil, denn der Hauptventilkörper 3 wird unter dem Einfluß des Fluiddruckes auf die Eh oder Da, entsprechende Fläche in der ersten oder zweiten Umschaltstellung gehalten.

Obwohl vorstehend zwei typische Ausführungsbeispiele von Abwandlungen des erfindungsgemäßen Ventils beschrieben wurden, die sich durch Änderung der Durchmesserbeziehungen der verschiedenen Teile ergaben, ist es klar, daß verschiedene andere Abwandlungen möglich sind, um das gewünschte Ventilverhalten zu erzielen.

Fig.5 bis 7 zeigen Aufbauten des ringförmigen Ventilverschlußteils, das in dem vorstehend beschriebenen Umschaltventil verwendet werden kann.

Das verwendete Ventilverschlußteil 4 hat im wesentlichen Ringform und weist vier parallele innere und äußere Dichtungskanten auf, die in Eingriff oder außer Eingriff mit den zugehörigen Ventilsitzen kommen, um eine Dichtung oder einen Fluiddurchlaß zu bilden. Zu diesem Zweck ist das ringförmige Ventilverschlußteil 4 locker zwischen den jeweiligen Ventilsitzen angeordnet Das in den Fig.6 und 7 gezeigte ringförmige Ventilverschlußteil ist besonders zur Verhinderung von Verschiebungen ues rineförmigen Venulverschlußteils in radialer Richtung gegenüber dein Hauptventilkörper Z geeignet. Derartige Verschiebungen !;^v-!nen zu

■) .Störungen des Umschaltbetriebes fuhren.

Das in den Fig. 5 und 6 dargestellte ringförmige Ventilverschlußteil ⁴' weist an seinem inneren Umfang eijj'w einstückig mit dem übrigen T?il ausgebildete Führung in Form einer Anzahl von Vorsprüngen 21 auf,

in di? in gleitender Berührung reit f'em äußeren Umfang des Huuptventilkörpers 3 stehen. D:e Führungsvorsprünge können gegebenenfaMs -<"\ch am äußeren Umfang des ringförmigen Ventilverschlußteils vorgesehen werden, um in gleitende Berührung mit der Innenwand des Ventilgehäuses 1 zu kommen. Andererseits kann zur Führung des ringförmigen Ventilverschlußteils 4' ein Ringeiemcni 22 mit einer Anzahl von nach innen gerichteten Vorsprüngen 23 verwendet werden, wobei das Ringelement 22 in eine Ringnut 23 in der Innenwand des Ventilgehäuses 1 eingesetzt ist (F i g. 7) und in Gleitberührung mit dem äußeren Umfang des ringförmigen Ventilverschlußteils 4' steht. Gegebenenfalls kann das ringförmige VentilverschluD-teil 4' auch von einer Membran gehalten werden, die Fluiddurchlässe aufweist.

Die Führungen für das ringförmige Ventilverschlußteil in Form von Vorsprüngen, in Form eines Ringelements oder einer Membran sollten so aufgebaut sein, daß sie radiale Verschiebungen des ringförmigen

jo Ventilverschlußteils 4 gegenüber dem Hauptventilkörper 3 verhindern, ohne den Fluidstrom durch das Ventilgehäuse 1 zu unterbrechen. Die Führungen können unterschiedlichste andere Formen haben, wenn sie nur diese Bedingung erfüllen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Umschaltventil beispielsweise durch vorhandene hydraulische oder pneumatische, mechanische oder elektromagnetische Betätigungseinrichtungen geschaltet werden kann. Zudem ist ein einfach und ein doppelt wirkender Betrieb möglich. Bei der Umschaltung ergibt sich nur eine sehr geringe Verschiebung, und da für diese Verschiebung nur eine kleine Betätigungskraft erforderlich ist, kann ein Umschaltventil mit großer Kapazität durch ein sehr kleines Solenoid umgeschaltet werden. Bei Verwendung von hydraulischen, pneumatischen oder hilfsgesteuerten elektromagnetischen Betätigungseinrichtungen reicht zur Erzeugung der Betätigungskraft der geringe Steuerdruck aus, und falls eine einen großen Durchmesser aufweisende Steuereinrichtung mit einer Membran o. ä. an einem Ende des Hauptventilkörpers vorgesehen ist, läßt sich das Ventil mit geringen Drücken steuern.

Obwohl die Erfindung vorstehend an Hand eines vier Öffnungen aufweisenden Umschaltventils beschrieben

wurde, ist es klar, daß auch ein Ventil mit drei Öffnungen in der erfindungsgemäßen Weise aufgebaut werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Umschaltventil mit einer Absperreinrichtung zur Umschaltung der Richtung eines Fluidstroms durch Verbindung einer ausgewählten Austrittsöffnung mit einer Eintrittsöffnung bei gleichzeitiger Herstellung eines Abflusses über eine zweite Eintrittsöffnung zu einer anderen Austrittsöffnung, bestehend aus einem Ventilgehäuse mit einer im Inneren vorgesehenen, im wesentlichen zylindrischen Ventilkammer mit einem Paar von einander gegenüberliegenden Ventilsitzen und mit Führräumen an gegenüberliegenden Enden für einen in der Ventilkammer verschiebbaren Hauptventilkörper mit Endbereichen, die in dichtender Berührung mit den Wänden der Führräume des Ventilgehäuses stehen, sowie mit einem Paar von einander gegenüberliegenden Ventilsitzen zwischen den Endbereichen, welche den Ventilsitzen des Ventilgehäuses zugewandt sind, aus einem locker um den Hauptventilkörper angeordneten, ringförmigen Ventilverschlußteil mit rechteckigem Ringquerschnitt, das in Berührung mit den Ventilsitzen von Ventilgehäuse und Hauptventilkörper bringbar ist, und aus einer Ventilbetätigungseinrichtung zur Verschiebung des Hauptventilkörpers von einer ersten in eine zweite Umschaltstellung, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Ventilverschlußteil (4) in den Umschaltstellungen des Hauptventilkörpers (3) jeweils mit im Ringquerschnitt diagonal gegenüberliegenden Dichtungskanten (4b, 4d; 4a, 4c) auf den kegelstumpfförmigen Ventilsitzen (7, 8; 12, 13) liegt, daß die jeweils den diagonal gegenüberliegenden Dichtungskanten (4b, Ad; 4a, 4c) zugeordneten Ventilsitze (7, 8; 12, 13) einen spitzen Winkel gemäß der Dimensionierungszuordnung von iP° < Φ" einschießen, wobei Ψ der Öffnungswinkel der kegelstumpfförmigen Ventilsitze (12, 13) des Hauptventilkörpers (3) und Φ der öffnungswinkel der kegelstumpfförmigen Ventilsitze (7, 8) des Ventilgehäuses (1) ist, und daß eine Vorspanneinrichtung (20) zum Drücken des Hauptventilkörpers (3) von der zweiten in die erste Umschaltstellung vorgesehen ist.

2. Umschaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Ventilverschlußteil aus elastischem Material besteht.

3. Umschaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Ventilverschlußteil aus starrem Material besteht und mindestens im Bereich der Dichtungskanten mit einem elastischen Material beschichtet ist.

4. Umschaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß im Hauptventilkörper ein axial verlaufender Austrittsdurchlaß vorgesehen ist, der über eine radiale öffnung zwischen den Ventilsitzen des Hauptventilkörpers mit der Ventilkammer verbunden ist.

5. Umschaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung der kegelstumpfförmigen Ventilsitze von Ventilgehäuse und Hauptventilkörper sowie die Lage der Dichtungskanten des ringförmigen Ventilverschlußteils gegeben sind durch

Ψ" < 180° -Θ° < Φ",
wobei Ψ der öffnungswinkel cW kegelstiimpfförmi-

gen Ventilsitze des Hauptventilkörpers, Φ der öffnungswinkel der kegelstumpfförmigen Ventilsitze des Ventilgehäuses und θ der Schnittwinkel von zwei voneinander diagonal gegenüberliegenden Dichtungskanten des ringförmigen Ventilverschlußteils bestimmten Diagonalen an zwei radial gegenüberliegenden Stellen des ringförmigen Ventilverschlußteils ist, wenn