DE3245667A1

DE3245667A1 - Druckbegrenzungsventil fuer hfa-fluessigkeiten

Info

Publication number: DE3245667A1
Application number: DE19823245667
Authority: DE
Inventors: Karl 5600 Wuppertal Krieger; Werner Ing.(grad.) 4630 Bochum Reinelt
Original assignee: Hermann Hemscheidt Maschinenfabrik & Co 5600 Wuppertal GmbH; Hemscheidt Hermann Maschinenfabrik GmbH and Co
Current assignee: Caterpillar Global Mining Europe GmbH
Priority date: 1982-12-09
Filing date: 1982-12-09
Publication date: 1984-06-14
Also published as: DE3245667C2; FR2537688A1; SU1324593A3; GB2133121A; ZA839034B; HU187617B; US4552172A; FR2537688B1; CS922383A2; CS274712B2; GB8332024D0; GB2133121B

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil für HFA-Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.1.

Druckbegrenzungsventile in der Kolben-0-Ring-Bauart sind seit langem in verschiedenen Ausführungen bekannt. Der O-Ring bietet eine gute Abdichtung auch bei unter hohem Druck stehenden HFA-Flüssigkeiten.

Die vorliegende Erfindung geht von einem Druckbegrenzungsventil aus, wie es aus der FR-PS 1 149 979 bekannt ist. Dieses Ventil besitzt in einer Ausfuhrungsform einen gleichförmig ausgebildeten, zylindrischen Schaltkolben, der auf der Einströmseite unterhalb der O-Ring Abdichtung zwei übereinander liegende Reihen sternförmig angeordneter Radialbohrungen aufweist. Die den Schaltkolben gegen die anstehende Druckflüssigkeit in Schließrichtung belastende Schließfeder bestimmt den Einstelldruck des Ventils.

Wenn der Druck auf der Einströmseite nur wenig über den Einstelldruck ansteigt, so verschiebt sich der Schaltkolben auch nur geringfügig in Öffnungsrichtung, ohne daß Druckflüssigkeit aus den radialen Querbohrungen abströmt. Der Druckanstieg wird bereits durch die hierbei erzielte Volumenvergrösserung ausgeglichen. Mit ansteigendem Druck verschiebt sich der Schaltkolben weiter gegen die Kraft der Schließfeder in die Öffnungsrichtung und überfährt die O-Ring-Abdichtung mit der ersten Reihe der Querbohrungen, durch die nun Druckflüssigkeit aus der axialen Innenbohrung des Schaltkolbens in den Abströmkanal abfließt. Nimmt dann auch die Flüssigkeitsmenge zu, so wird der Schaltkolben noch weiter in Öffnungsrichtung verschoben, bis auch die zweite Reihe der Radialbohrungen über die O-Ring-Abdichtung gefahren und zum Abströmkanal geöffnet ist. Mit den beiden Reihen von Radialbohrungen verfügt dieses Druckbegrenzungsventil über zwei nacheinander wirkende Ansprechstufen.

Das Ansprechverhalten eines Druckbegrenzungsventils wird maßgeblich von der Charakteristik der Schließfeder bestimmt, die den Druck über dem Weg des Schaltkolbens zwischen der Schließ- und Öffnungsstellung beeinflußt. Das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil soll so ausgelegt sein, daß der Druck während des überströmens und bei einer Zunahme des Durchflußstromes von 0,04 auf 30 l/min nicht mehr als 20% über den Einstelldruck ansteigt. Der Schließdruck soll nahe beim öffnungsdruck liegen. Mit diesen Forderungen wird angestrebt, über das Druckbegrenzungsventil den Druck im angeschlossenen System in der Nähe des Einstelldruckes konstant zu halten.

Der ersten Forderung kommt eine weiche Feder entgegen, die auf einem langen Federweg nur einen geringen Druckanstieg zu verzeichnen hat. Ein Druckbegrenzungsventil mit einer weichen Feder hat jedoch ein ausgesprochen schlechtes Schließverhalten, weil der Schaltkolben erst nach einem relativ starken Druckabfall in die Schließstellung zurückkehrt.. Die an das Schließverhalten des Ventils gestellte Forderung· wird am besten von einer sehr harten Feder erfüllt. Der damit belastete Schalt— kolben wird jedoch nur bei einem stark ansteigenden Druck weiter geöffnet.

Das aus der FR-PS 1 149 979 bekannte Druckbegrenzungsventil verfügt über eine weiche Schließfeder mit großem Federweg, so daß in kurzer Zeit eine große Flüssigkeitsmenge abströmen kann. Durch die zweireihige Anordnung von radialen Querbohrungen im Schaltkolben ist zudem gewährleistet, daß selbst bei einer außergewöhnlich hohen Zunahme der abströmenden Druckflüssigkeit kein unzulässiger Druckanstieg zu befürchten ist. Dagegen wird der Druck beim Schließvorgang sehr stark abfallen. Dieses Ventil ist daher nicht zur Einstellung und Konstanthaltung des Systemdruckes geeignet. Esa kann aber als Sicherheitsventil verwendet werden, das im Normalbetrieb immer geschlossen ist und nur in Notfällen öffnen soll, wenn der Druck aufgrund ungewöhnlicher Umstände unzulässig groß wird.

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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein in den Abmessungen kleines Druckbegrenzungsventil zu schaffen, mit dem sowohl bei kleinen als auch bei großen Durchflußmengen der Druck im angeschlossenen System weitgehend konstant gehalten wird.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Mitteln gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.

Das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil verwendet eine kurze, harte Schließfeder mit relativ hoher Federkraft. Es ist klein gebaut. Die durch den Eingangskanal in das Druckbegrenzungsventil eintretende Druckflüssigkeit trifft im Hochdruckbereich auf die große Kolbenfläche des stufenförmigen Schaltkolbens, der an der kleineren Querschnittsfläche durch die O-Ring-Dichtung abgedichtet ist. Bei einer allmählichen Zunahme des Druckes verschiebt sieh der Schaltkolben und geht nach dem Überschreiten des Einstelldruckes in die Öffnungsstellung, in der Druckflüssigkeit über die radialen Querbohrungen in den Abströmkanal abfließen kann. Während der Kolbenverschiebung erfolgt durch die in die Ringnut am schulterförmigen Absatz des Schaltkolbens einmündenden Radialbohrungen ein Druckausgleich mit dem Ringraum an der Kolbenmantelfläche.

Steigt die Durchflußgeschwindigkeit mit der Durchflußmenge stark an, so werden aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Druckbegrenzungsventils hydrodynamische Kräfte wirksam, die gegen die Schließkraft der Schließfeder gerichtet sind und somit den Öffnungsvorgang unterstützen. Der über den Eingangskanal zugeführte Flüssigkeitsstrom tritt zunächst in eine im Querschnitt erweiterte Druckkammer ein und wird anschließend.- wie bei einem Venturi-Rohr - durch einen im Strömungsquerschnitt verengten Abschnitt der axialen Innenbohrung des Schaltkolbens geleitet. In dieser Drosselstrecke nimmt die Strömungsge-. schwindigkeit weiter zu, während der Flüssigkeitsdruck abfällt. Die Druckflüssigkeit strömt dann in den im Querschnitt erweiterten Abschnitt der Innenbohrung, der ebenso groß ist wie die Summe

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der Austrittsquerschnitte der radialen Querbohrungen. Bei diesem Vorgang wird zunächst durch die kinetische Energie der Druckflüssigkeit eine in Öffnungsrichtung gerichtete Kraft auf den Schaltkolben ausgeübt. Beim Durchströmen der Drosselstrecke und durch die plötzliche Querschnittserweiterung am Ende dieser Strecke treten Druckverluste auf. Der Flüssigkeitsdruck im erweiterten inneren Abschnitt der axialen Innenbohrung ist dann - ebenso wie in dem damit durch die Radialbohrung verbundenen Ringraum am schulterförmigen Absatz des Schaltkolbens - kleiner als der auf der großen Kolbenfläche wirksame Druck auf der Einströmseite. Der Differenzdruck erzeugt auf der großen Kolbenfläche eine zusätzliche Kraft, die den Schaltkolben gegen die Schließfeder verschiebt. Er liegt dann mit dem schulterförmigen Absatz an einem Vorsprung der Ventilbohrung an. In der Öffnungsstellung ist das Abströmen einer großen Flüssigkeitsmenge ohne Druckerhöhung gewährleistet.

Beim Schließvorgang bewegt sich der Schaltkolben mit der großen Kolbenfläche gegen den anstehenden Druck. Der Ringraum über der Ringnut am schulterförmigen Absatz füllt sich wieder mit Druckflüssigkeit, die aber aufgrund der engen Führung des Schaltkolbens in der Druckkammer nicht über einen Spalt an der Mantelfläche, sondern nur über die axiale Innenbohrung des Kolbens und die Radialbohrungen gegen die Schließbewegung nachströmen kann, die dadurch gebremst wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß der Schaltkolben bei Druckstößen mit den radialen Querbohrungen im Bereich der O-Ring-Abdichtung hin- und her schwingt. Der in seinen Bewegungen gedämpfte Schaltkolben gewährleistet somit ein genaues Ansprechen des Druckbegrenzungsventils.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der ein Druckbegrenzungsventil im Längsschnitt dargestellt ist, wobei

Fig. 1 die Schließstellung und

Fig. 2 die Öffnungsstellung des Ventils zeigt..

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Das mit 1 bezeichnete Ventilgehäuse des Druckbegrenzungsventils ist zylindrisch ausgeführt und weist in Längsrichtung eine in sich stufenförmig abgesetzte Ventilbohrung 2 auf, die den Konturen der nachfolgend beschriebenen Einbauteile angepaßt ist. Das Gehäuse 1 wird auf der einen Seite der Ventilbohrung 2 durch ein Verschlußstück 3 und auf der anderen Seite durch ein Anschlußstück 4 verschlossen, in dem sich ein Einströmkanal 5 befindet, durch den Druckflüssigkeit über einen nicht dargestellten Anschluß in das Druckbegrenzungsventil zugeführt wird. Der Einströmkanal 5 mündet in eine im Querschnitt erweiterte Druckkammer 6 der Ventilbohrung 2 ein. Daran schließt sich der engste Abschnitt der Ventilbohrung 2 an, in dessen Mantelfläche eine Ringnut 7 umläuft, in die eine O-Ring-Dichtung 8 eingelegt ist.

Ein in Längsrichtung stufenförmig ausgebildeter, zylindrischer Schaltkolben 9 ist mit der im Querschnitt grösseren Mantelfläche in der Druckkammer 9 und mit der im Querschnitt kleineren Mantelfläche in dem Abschnitt der Ventilbohrung 2 axial verschiebbar geführt, in dem sich die O-Ring-Dichtung 8 befindet. Der Schaltkolben 9 ist an dem der Druckkammer 6 gegenüberliegenden Ende über einen Federteller 10 durch eine sich am Verschlußstück 3 abstützende, kurze, harte Schließfeder 11 in Schließrichtung belastet.

In dem Schaltkolben 9 ist eine als Sackbohrung ausgeführte, axiale Innenbohrung 12 eingebracht, von der im Bohrlochtiefsten radial nach außen gerichtete Querbohrungen 13 ausgehen. In der Schließstellung des Ventils befinden sich die Querbohrungen - von der Schließfeder 11 her gesehen - unterhalb der O-Ring-Dichtung 8. Im gleichen Sinne unterhalb der radialen Querbohrungen 13 sind weitere Radialbohrungen 1 4 in sternförmiger Anordnung vorgesehen, die in eine Ringnut 15 am schulterförmigen Absatz 16 einmünden, der zwischen der im Querschnitt grösseren Mantelfläche und der dazu abgesetzten kleineren Mantelfläche des Schaltkolbens 9 gebildet wird. Die axiale Innenbohrung besitzt an der in die Druckkammer 6 eintauchenden Einströmseite einen im Strömungsquerschnitt verengten Abschnitt 17. Der

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Querschnitt der über den Umfang des Schaltkolbens 9 verteilten radialen Querbohrungen 13 ist ebenso groß bemessen, wie der Querschnitt der axialen Innenbohrung 12 im nicht querschnittsverengten Bereich.

Das Druckbegrenzungsventil befindet sich in der in Fig. 1 dargestellten Schließstellung, solange die im Hochdruckbereich auf der Einströmseite von der Druckflüssigkeit auf den Schaltkolben 9 ausgeübte Kraft kleiner ist, als die entgegengerichtete Kraft der den Einstelldruck des Ventils vorgebenden Schließfeder 11. Bei einem den Einstelldruck übersteigenden Druck wird die Schließfeder 11 zusammengedrückt und der Schaltkolben 9 in die in Fig. 2 dargestellte Öffnungsstellung verschoben. Die radialen Querbohrungen 13 überfahren die O-Ring-Dichtung und Druckflüssigkeit strömt durch den Einströmkanal 5, die Druckkammer 6 in die axiale Innenbohrung 12 des Schaltkolbens und weiter über die radialen Innenbohrungen 13 in einen nach außen führenden Abströmkanal 18. Beim öffnen des Ventils verkleinert sich der über der Ringnut 15 gebildete Ringraum bis der Schaltkolben 9 in der Öffnungsstellung mit dem schulterförmigen Absatz 16 an einem'.korrespondierenden Vorsprung der axialen Ventilbohrung 2 anliegt.

Claims

Patentansprüche:

Druckbegrenzungsventil für unter hohem Druck stehende HFA-Flüssigkeiten mit einem zylindrischen, durch eine Schließfeder in Schließstellung gehaltenen Schaltkolben,

der in einer stufenförmig abgesetzten Ventilbohrung

im Ventilgehäuse geführt und auf der Einströmseite von der durch einen Einströmkanal zugeführten Druckflüssigkeit gegen die Kraft der den Einstelldruck des Ventils bestimmenden Schließfeder belastet ist,

-■ der durch eine O-Ring-Dichtung in einer umlaufenden Ringnut an der Innenwandung der zentralen Bohrung abgedichtet ist,

der eine axiale Innenbohrung aufweist, von der im Bohrlochtiefsten radial nach außen gerichtete Querbohrungen sternförmig in die Mantelfläche einmünden,

- der von der Druckflüssigkeit beim überschreiten des Einstelldruckes mit den radialen Querbohrungen über die O-Ring-Dichtung hinweg zu einem Abströmkanal in die Öffnungsstellung verschiebbar ist,

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— wobei mit Abstand von den radialen Querbohrungen weitere Radialbohrungen in den Schaltkolben eingebracht sind,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

der von einer harten Schließfeder (11) belastete Schaltkolben (9) besitzt im Hochdruckbereich auf der Einströmseite einen größeren Querschnitt als im Bereich der 0-Ring-Dichtung (8) und ist an der im Umfang größeren Mantelfläche in einer von der Ventilbohrung (2) gebildeten Druckkammer (6) mit geringem seitlichen Spiel geführt;

die axiale Innenbohrung (12) des Schaltkolbens (9) ist an der Einströmseite mit einem im Strömungsquerschnitt verengten Abschnitt (17) versehen und im nichtquerschnittsverengten Abschnitt durch die Radialbohrungen (14) mit der Druckkammer (6) verbunden;

die Radialbohrungen (14) münden in einen Ringraum der Druckkammer (6) ein, der von einer Ringnut (15) gebildet wird, die in der großen Mantelfläche des Schaltkolbens (9) am schulterförmigen Absatz (16) zur kleinen Mantelfläche umläuft.
2. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der axialen Innenbohrung (12) im nichtquerschnittsverengten Abschnitt so groß bemessen ist, wie die Querschnitte aller radialen Querbohrungen (13) zusammen, jedoch kleiner bemessen ist als der Querschnitt des Einströmkanals (5), der wiederum kleiner bemessen ist als der Querschnitt der Druckkammer (6).