CZ279095B6 - Non-return valve - Google Patents

Description

Zpětný ventil

Oblast techniky

Vynález se týká lu, odolného proti

membránového bezpružinového zpětného ventinabobtnávání, určeného pro plynná média

a používaného například v servozařízeních automobilových brzdových posilovačů.

Dosavadní stav techniky

Zpětné ventily, používané v servozařízení automobilových posilovačů brzd, jsou obvykle vřazeny mezi sací potrubí a servoagregát. Zpětný ventil slouží k tomu, aby otevřel průchod mezi sacím potrubím a vakuovou nádrží, jakmile v ní tlak přeroste nad tlak v sacím potrubí. Protože moderní automobily jsou vybaveny zmíněnými servoagregáty s výraznými posilovacími účinky brzdového systému, má zvyšování jejich funkční spolehlivosti velký význam pro to, aby nedošlo k úplnému selhání brzd i při výpadku posilovače.

Spolehlivá funkce musí být zajištěna zejména za nepříznivých podmínek, které přicházejí v úvahu při provozu automobilu. Například, jestliže se palivo, které se nachází v sacím potrubí, nashromáždí ve zpětném ventilu, dochází k nabobtnávání jeho membrány. Stejně tak je důležité, aby ventil stále lehce uzavíral a otevíral a zachoval si dobré uzávěrné účinky i při nepatrných tlakových rozdílech a aby nedocházelo k nežádoucímu snížení vakua v tlakových nádržích servoagregátu.

V automobilu je zpětný ventil zabudován buď do spojovacího potrubí mezi sacím potrubím a vakuovou nádobou, nebo přímo na ní. Jsou známy pružinové zpětné ventily z umělých hmot s pryžovým těsněním ventilové desky nebo takové, u nichž se využívá vratné síly pryže samotné k uzavření plynného proudu.

V patentovém spisu USA č. 571 359 se popisuje zpětný ventil, který pracuje s pryžovou membránou, umístěnou ve svém vnitřku. Membrána je upevněna závěsem ve středovém otvoru nosné desky. Ploché těsnění však vykazuje při malých tlakových rozdílech jen omezené těsnicí schopnosti. Tento typ ventilu nezavírá spolehlivě v závislosti na poloze jeho zabudování a únava nebo deformace pryže následkem stárnutí a bobtnání snižuje jeho funkční schopnost a spolehlivost.

Ve franc. patentu č. 1 417 355 je chráněn podobný ventil, který na rozdíl od výše uvedeného amerického patentu se vyznačuje vyklenutou ventilovou deskou a využívá se tak elastické síly pryže. Dosedací styk je utvářen tak, že membrána těsní jen na stykové čáře, čímž se dosahuje vyšší měrný tlak. Funkce tohoto ventilu je velmi závislá na vlastnostech pryže, jejíž stárnutí má nepříznivý vliv na funkci ventilu a která je touto materiálovou volbou silně omezena.

V patentovém spisu USA č. 3 663 613 je chráněn ventil, který pracuje podobné jako výše zmíněný francouzský, který má však navíc odlehčovač tlaku, který chrání systém, např. hadici a mem-1CZ 279095 B6 bránu, před poškozením tlakovými špičkami. Na dnešní konstrukční součásti se však klade požadavek, aby přestály bez poškození tlakové špičky, k nimž dochází u zpětných rázů motoru, aniž by musely být vynakládány zvýšené náklady na přídavná ochranná opatření.

V německém patentovém spisu č. 1 106 568 je popisován membránový zpětný ventil, u něhož se utěsňuje průtokový průřez jeho kónickými stěnami. Ventil má tendenci k blokování, zejména když membrána působením paliva nebobtná, zvětší se a není poté schopna dále zabezpečovat volný průtok.

V něm. přihlášce DE 2 315 870 se popisuje zpětný ventil, který má zvláštním způsobem tvarovanou pryžovou membránu, která těsní obvodově a svým středem je upevněna na děrované desce. Tento ventil je přednostně předurčen pro jeho výrobu z umělých hmot. Ale podobně jako u výše zmíněných ventilů je i zde jeho funkce silně závislá na vlastnostech pryže, zejména poklesu její ohebnosti za nízkých teplot a zkřehnutí stárnutím. Se dvěma konstrukčními díly, ventilovou deskou a membránou sestává ventil ze čtyř částí, přičemž je navíc pamatováno na vestavbu filtrů.

US patent č. 3 889 710 chrání zpětný ventil, který sestává pouze ze tří dílů. Protože počet součástek a s tím související sestavná montáž představuje jeden z nejdůležitějších nákladových faktorů, je tento vynález velmi výhodným řešením. Nevýhodou jeho konstrukce nicméně zůstává, že membrána je přestavné uspořádána v radiálním směru a proto pracuje jen s redukovaným uzávěrným účinkem, nebo v okrajových oblastech pracovního rozsahu. Uzávěrný účinek je kromě toho, podobně jako je tomu u dříve popisovaných provedení, silně ovlivňován vlastnostmi pryže.

V něm. přihlášce DE 31 47 708 AI je popisován ventil, v němž membránu nahrazuje těsnicí prvek, který je usazen na kotouči, přetlačovaném pružinou k ventilovému sedlu. Tím je sice podstatně snížena funkční závislost na vlastnostech pryže, ale za cenu zvýšeného počtu součástek. Ventil sestává z dvoudílného tělesa, kotouče, pružiny a těsnicího prvku. I když se u tohoto řešení usilovalo o zvládnutí problematiky kmitání, která je pro tlakové systémy s pružinami typická, je toto pojetí charakteristickým představitelem soudobých konstrukčních snah ve stavbě zpětných ventilů.

Evropským patentem č. 0 170 007 je chráněn zpětný ventil, který za účelem snížení počtu součástek vynechává pružinu a opět využívá vratné schopnosti pryže k utěsnění ventilu v jeho uzávěrné funkci. Fixací těsnicího kotouče v jeho středovém otvoru se dosahuje jistějšího nastavení polohy ve ventilu. Speciální žebra sice zamezuji tomu, aby membrána i při silném nabobtnání zabránila průchodu vzduchu otvory, avšak omezení funkčnosti ventilu nelze ani v tomto případě úplné zabránit, protože při možném vysunutí ventilu ze středového uložení vzniká při uzávěrné funkci prosakování podél tohoto uložení. I když tento zpětný ventil není náchylný k úplnému výpadku, jisté snížení jeho funkčnosti je možné .

Ve spisu DE 31 35 461 se popisuje bezpečnostní zařízení k ochraně plynových přívodů svařovacích, řezacích a letovacích aparatur před explozí a tvorbou výbušné směsi, které představuje

-2CZ 279095 B6 integrovaný dvoucestný plynový zpětný ventil, který není konstrukčně uzpůsoben pro kapaliny. Vlastní těleso zpětného ventilu je kovové, vícedílné, ovládané pružinou, a je válcového tvaru, přecházející do pístové tyčky. Funkčním posláním tohoto zařízení je ovládání plynového proudu z původního směru proudění.

Ze spisu US 4 612 960 je znám třídílný kapalinový zpětný ventil s chlopňovou membránou, vhodný pro použití v lékařství. Mezi vstupní a výstupní částí tohoto ventilu je uložen regulátor průtoku s chlopněmi, který není uvnitř ventilového tělesa axiálně veden a regulaci průtoku obstarává pružnost chlopní, které na základě rozdílného tlaku se deformováním otevírají a uzavírají. Ventil není vhodný pro průtok plynných látek nebo plynů, odtékaných z kapalin, protože ve směru zpětného proudění ventil nemůže těsnit a tlakové prosakování způsobuje funkční poruchy.

Je také znám podle spisu EP 261 317 zpětný, vícedílný ventil s elastickým, jmenovitě pryžovým membránovým kotoučem, který se otevírá a uzavírá tlakem kapaliny na klín. Ventil je pro dopravu tekutých uhlovodíků a jejich odtékaných plynných zplodin málo vhodný, protože těsnicím prvkem zůstává pryžová membrána, podléhající tvarovým a objemovým změnám vlivem bobtnání, a deformace membrány na ostroúhlém klínu zvyšuje pravděpodobnost rychlého tvarového stárnutí membrány.

Úkolem nově vyvinutého zpětného ventilu je, aby při nízkých výrobních nákladech zajišťoval bezpečný provoz i za nepříznivých podmínek, které se mohou vyskytnout při nashromáždění paliva ve ventilu nebo při urychleném stárnutí membrány následkem vysokých okolních teplot a zvýšeného množství agresivních složek paliva. Protože novější paliva jsou aditována tetraetylem olova, který působí na pryž velmi agresivně, má tento aspekt zvlášť velký význam. K tomu přistupuje další nový požadavek, nutný pro opětné užití opotřebovaných dílů palivového oběhu, protože součásti rozsáhlého konstrukčního celku jsou vyrobeny z jednoho druhu materiálu. Na potrubní vedení mezi sacím potrubím a podtlakovým posilovačem brzd se používají ve zvýšené míře umělé hmoty. Jestliže jsou tedy všechny díly ventilu, který je vřazen do potrubního systému, zhotoveny z téhož- druhu materiálu jako potrubní vedení, může být celý potrubní systém společné s ventilem znovu použit, aniž by bylo tyto součásti nutno separovat. Toto je obzvláště důležité také z toho důvodu, že trubky z umělých hmot se sice racionálně pokročilou technologií spojují, ale jejich rozpojování je spojeno se značnou námahou. Demontáž ventilu samotného k vyjmutí pryžových dílů nebo kovových pružin je pracná, nákladná a nereálná. Předloženému vynálezu vyvstává tedy úkol sestrojit ventil také tak, aby jak těleso ventilu, tak membrána byly zhotoveny z téhož materiálu, jako potrubní vedení.

Podstata vynálezu

Vytyčený úkol řeší zpětný ventil, zejména bezmembránový a bezpružinový ventil pro plynná média, k jehož výrobě je použito umělých hmot, odolných proti nabobtnávání zejména působením palivových uhlovodíků, například polymerových materiálů, sestávající ze vstupního a výstupního dílu, v jejichž vnitřním prostoru se nachází uzávěrné těleso, axiálně přestavitelně v podélné ose souose uloženého vstupního a výstupního dílu zpětného ventilu,

-3CZ 279095 B6 a podstata vynálezu spočívá v tom, že v oblasti největšího průměru vnitřního propustného prostoru vstupního dílu je uspořádán stator zpětného ventilu tvořený komůrkou, vyhloubenou ve stěně vstupního dílu, a její těsnicí hranou, přičemž uzávěrné těleso zpětného ventilu je v ose rotační symetrie suvně uloženo na vodicím čepu vstupního dílu. Ve výstupním dílu jsou vytvořena radiální výstupní žebra se sešikmenými výstupními opěrnými hranami a vodicím čepem. Ve vstupním dílu jsou vytvořena žebra se sešikmenými dosedacími hranami. Uzávěrné těleso sestává z trychtýřovité části, která je v podélné ose opatřena trubkovým vodítkem, které je uzavřeno dnem, přičemž trubkové vodítko je suvně uspořádáno na vodicím čepu a přitom největší průměr trychtýřovité části uzávěrného tělesa je menší než největší průměry vnitřního prostoru vstupního dílu a vnitřního prostoru výstupního dílu. Těsnicí hranu statoru vstupního dílu tvoří vrub prstencového tvaru. Uzávěrné těleso má v oblasti hrany své trychtýřovité části vytvořen kuželový prstenec, zhotovený z elastického polymeru. Těsnicí hrana stěny vstupního dílu a/nebo uzávěrné těleso jsou zhotoveny z elastického polymeru.

Absence membrán a pružin, které bývají nejčastějším zdrojem nežádoucích změn funkčních parametrů a poruch zpětného ventilu, je nahrazena u tohoto ventilu konstrukcí statoru. Ohyb proudu vzduchu okolo vnější hrany uzávěrného tělesa z hlediska aerodynamického způsobuje, že odpor kladený proudění je v propustném směru menší než v uzávěrném stavu. Rozdílné hodnoty odporu proudění se dosahuje ve statoru, u něhož, podobně jako u rozváděcího kola v plynové turbině, se dosahuje ohybu plynného proudu v závislosti na směru nátoku. Stator způsobuje u této konstrukce ohyb proudu vzduchu do protisměru, jestliže do statoru proudí vzduch při uzávěrném postavení a v jeho prostoru dochází k růstu tlaku. Tento tlakový přírůstek způsobuje, že membrána se přesouvá do těsnicího sedla a uzavírá ventil. Když proudění postupuje v propustném směru, dostává se vzduch v komůrce statoru pouze do rotace a vzniká vzduchový válec, rotující ve směru proudění, způsobující jen malý odpor. Dochází k tomu proto, že při proudění v uzávěrném směru vzrůstá tlak na vnitřní straně trychtýře, který pohybuje uzávěrným tělesem do polohy uzavřeno.

Toto uspořádání je potřebné k tomu, aby pro funkci zpětného ventilu nemusela být úvažována pružina a vratná síla materiálu membrány. U zvláštního provedení zpětného ventilu podle vynálezu je možné, aby uzávěrné těleso bylo zhotoveno z tuhého materiálu a hranu statoru, kterou musí uzávěrné těleso utěsňovat, lze pak zhotovit z elastického materiálu. Tímto opatřením se ještě lépe potlačí rozměrové změny, způsobené bobtnáním. Rovněž je myslitelné zhotovit z elastického materiálu pouze obvodovou část uzávěrného tělesa a zbytek trychtýře, jakož i trubkové vodítko, zhotovit z materiálu, který nemusí být nutně elastomerem.

Další výhodou uzavřeného trubkového vodítka uzávěrného tělesa je jeho nenáchylnost k nabobtnávání, což znemožňuje při rozměrových změnách vznik průsaků podél vedení. Trychtýřovitý tvar uzávěrného tělesa má dále tu přednost, že vytváří na statoru přídavný odpor, závislý na směru proudění, čímž podporuje zlepšenou funkci ventilu. Další výhoda trychtýřovitého uzávěrného tělesa spočívá v tom, že na rozdíl od plochých membrán působí bobtnání více na změny vrcholového úhlu než na zborcení v rovině těsni-4CZ 279095 B6 cí linie. Změny vrcholového úhlu trychtýře lze eliminovat potřebnou vůlí mezi dosedací plochou a uzávěrným tělesem, zatímco deformace plochy nutně vede k netěsnostem v uzávěrné poloze. Dále je zřejmé, že vedení uzávěrného tělesa na čepu s malým průměrem umožňuje lepší vystředění, než je tomu u vedení na vnějším obvodu. Uzávěrné těleso i při značném nabobtnání neinklinuje k uvíznutí .

Zpětný ventil podle vynálezu a zejména jeho uzávěrné těleso jsou zhotoveny z termoplastických polymerů a zejména takových, které pocházejí ze stejné skupiny polymerů. Použitý druh polymerů patří do skupiny polyamidů, polyolefinů nebo polyesterů. Tyto látky jsou skutečně pružné jen v malé deformační oblasti, což nicméně u ventilu podle tohoto vynálezu postačuje, protože uzávěrné těleso musí vyrovnávat pouze nerovinnost těsnicího sedla a jiné deformace u něho nepřicházejí v úvahu. Tyto látky pocházejí z téhož materiálového typu jako ty, které se používají pro přívody ke zpětnému ventilu. Zpětný ventil tak představuje i z hlediska racionální náhrady a pozdější recyklace zvláště výhodné řešení.

Ve variantním uspořádání je uzávěrné těleso zhotoveno z tuhého materiálu a těsnicí hrana na statoru je z elastického polymeru. Sdruženým vstřikovým litím lze například na stator nanést elastický těsnicí břit, přičemž uzávěrné těleso, zhotovené z tuhého materiálu, vykazuje zvýšenou odolnost proti nabobtnávání. Rovněž tak lze uvažovat o tom, že by metodou sdruženého vstřikového lití byla zhotovena jen ta oblast uzávěrného tělesa, která musí být těsněna a zbytková část tělesa by pozůstávala z tuhého materiálu.

Přehled obrázků na výkresech

Podstata vynálezu je blíže objasněna v dalším popisu s odkazem na připojené výkresy, na nichž představuje obr. 1 zpětný ventil v otevřené poloze, obr. 2 zpětný ventil v uzavřené poloze, obr; 3 výstupní díl ventilu, obr. 4 uzávěrné těleso, obr. 5 vstupní díl ventilu, obr. 6 pohled na vnitřní stěnu vstupního dílu, obr. 7 pohled na vnitřní stěnu .výstupního dílu, obr. 8 proudění vzduchu okolo hrany uzávěrného tělesa v propustném stavu, obr. 9 proudění ve statoru v uzavřené poloze ventilu, obr. 10 uzávěrné těleso v uzavřené poloze a obr. 11 variantní provedení zpětného ventilu s uzávěrným tělesem, zhotoveným z tuhého materiálu, a elastickou těsnicí hranou statoru.

Příklad provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje zpětný ventil v otevřené poloze. Uzávěrné těleso 30 je vlivem proudění plynu přitlačováno na dosedací hrany 13 výstupního dílu 11, z něhož vystupuje plynový proud výstupem 10.

Obr. 2 znázorňuje zpětný ventil v uzavřené poloze. Uzávěrné těleso 30 je vlivem tlaku na straně výstupu 10, který je oproti vakuu na vstupu 40 vyšší, přitlačováno na vstupní díl 41 a utěsňuje ho na těsnicí hraně 51 statoru 50.

-5CZ 279095 B6

Obr. 3 znázorňuje výstupní díl 11 Výstupní žebra 12 jsou opatřena vodicím čepem 14 pro uzávěrné těleso 30 . Výstupní opěrná hrana 13 těchto výstupních žeber 12 má přibližně stejný sklon jako trychtýřovité uzávěrné těleso 30 na svém vnitřním povrchu 34, takže uzávěrné těleso 30 se v otevřené poloze ventilu může opřít o tato výstupní žebra 12.· Mezi výstupními žebry 12 jsou ponechány volné propustné prostory 16 pro průchod proudění. Obě poloviny tělesa ventilu, vstupní díl 41 a výstupní díl 11 jsou konstruovány tak, aby mohly být zhotoveny postupem vstřikového lití s jednoduchým nářadím a jedním postupovým krokem. Stykový spoj 15 je řešen tak, aby mohl být spojen s druhým dílem ventilového tělesa rotačním svařováním, svářením pomocí ultrazvuku nebo jiným vhodným způsobem.

Obr. 4 znázorňuje uzávěrné těleso 30 s trychtýřovitou částí 31, která je opatřena trubkovým vodítkem 32, které je na konci uzavřeno dnem 33. Uzávěrné těleso 30 vytváří stykovou linii 36 kruhového tvaru. Úhel sklonu vstupní dosedací plochy 35 je shodný s úhlem sklonu výstupní dosedací hrany 43.

Obr. 5 znázorňuje vstupní díl 41 ventilového tělesa. Těsnicí hrana 51 statoru 50 má průměr menší než je průměr vstupní stykové čáry 36 uzávěrného tělesa 30., které tak spolehlivě na těsnicí hraně 51 těsní. Stator 50 spolu s vnitřní stěnou 47 vytvářejí komůrku 52. Výstupní dosedací hrany 43 vstupních žeber 42 leží nepatrně hlouběji, než těsnicí hrana 51 a přídavně podepírají trychtýřovitou, část 31 uzávěrného tělesa 30 při větších přítocích. Úhel výstupních dosedacích hran 43 je přibližně roven úhlu trychtýřovité části 31, přičemž se přihlíží k možným změnám úhlu vlivem bobtnání, ovlivněného volbou použitého materiálu. V prodloužení vstupních žeber 42 ke vstupu 40 proudění se vnitřním hranám 44 vstupních žeber 42 ponechává volný prostor, který je průměrově větší, než vnější průměr trubkového vodítka 32 uzávěrného tělesa 30 tak, že trubkové vodítko 32 je hladce vedeno po vodicím čepu 14. Také vstupní díl 41 je navržen tak, aby mohl být zhotoven jediným postupovým krokem při vstřikovém lití.

Obr. 6 je pohledem v axiálním směru do vstupního dílu 41. Mezi vstupními žebry 42 zůstávají vnitřní propustné prostory 46. k průchodu proudění.

Obr. 7 jé axiální pohled do vnitřku výstupního dílu 11. Jeho výstupní žebra 12 jsou opatřena vodicí osou 14. Mezi výstupními žebry 12 jsou ponechány propustné prostory 16 pro průchod proudění .

Obr. 8 znázorňuje stav proudění 60 v propustné poloze ventilu, které obtéká hranu 37 uzávěrného tělesa 30 a plynné médium v komůrce 52 se uvádí do cirkulačního proudění 61.

Obr. 9 představuje situaci při změně proudění s průtokové polohy ventilu do polohy uzavřeno. Proudění 62 se ohýbá u vratné stěny 55 a opouští stator 50 ve směru výstupu 57, který je protisměrně orientován vůči prouděni 62, vznikajícímu při uzávěrné poloze ventilu, takže odpor k obtékání hrany 37 uzávěrného tělesa 30 vzrůstá. Při tomto odporu vzniká tlakový spád mezi oběma stranami uzávěrného tělesa 30., které se pohybuje ve směru 64 tlakového spádu k místu s nižším tlakem.

-6CZ 279095 B6

Obr. 10 znázorňuje konečně uzávěrné těleso 30, přitlačované tlakem 63 do uzávěrného postavení.

Obr. 11 znázorňuje variantu zpětného ventilu, vytvořeného podle vynálezu, v níž je uzávěrné těleso 74 zhotoveno z tuhého materiálu, nikoliv z elastomerů. Naproti tomu těsnicí hrana 71 této varianty statoru 70 je zhotovena z elastického materiálu. Dnešní výrobní postupy umožňují nanést takový těsnicí břit jediným postupem při vstřikovacím lití bez dodatečného opracování. V příkladu znázorněná drážka 72 zvyšuje přitom stykové plochy obou materiálů, u nichž navíc vzniká tvarový styk.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zpětný ventil, zejména bezmembránový a bezpružinový ventil pro plynná média umělých hmot, odolných proti nabobtnávání zejména působením palivových uhlovodíků, například polymerových materiálů, sestávající ze vstupního a výstupního dílu, v nichž je vytvořen vnitřní prostupný prostor tvarově uzpůsobený pro uložení uzávěrného tělesa rotačního tvaru, které je axiálně přestavitelné v podélné ose souose uloženého vstupního a výstupního dílu zpětného ventilu, vyznačující se tím, že v oblasti největšího průměru vnitřního propustného prostoru (46) vstupního dílu (41) je uspořádán stator (50) zpětného ventilu, tvořený komůrkou (52), vyhloubenou ve stěně (47) vstupního dílu (41), a její těsnicí hranou (51), přičemž uzávěrné těleso (30) zpětného ventilu je v ose rotační symetrie suvně uloženo na vodicím čepu (14) vstupního dílu (41).
2. 2. Zpětný ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že ve výstupním dílu (11) jsou vytvořena radiální výstupní žebra (12) se sešikmenými výstupními opěrnými hranami (13) a vodicím čepem (14).
3. 3. Zpětný ventil podle nároku 1, vy_značující se tím, že ve vstupním dílu (41) jsou vytvořena vstupní žebra (42) se sešikmenými výstupními dosedacími hranami (43).
4. 4. Zpětný ventil podle nároků laž 3, vyznačující se tím, že uzávěrné těleso (30) sestává z trychtýřovité části (31), která je v podélné ose opatřena trubkovým vodítkem (32), které je uzavřeno dnem (33), přičemž trubkové vodítko (32) je suvně uspořádáno na vodicím čepu (14) a největší průměr trychtýřovité části (31) uzávěrného tělesa (30) je menší než největší průměry vnitřního propustného prostoru (46) vstupního dílu (41) a propustného prostoru (16) výstupního dílu (11).
5. 5. Zpětný ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že těsnicí hranu (51) statoru (50) vstupního dílu (41) tvoří vrub prstencového tvaru.

   -7CZ 279095 B6
6. 6. Zpětný ventil podle nároků 1,4 a5, vyznačující se tím, že uzávěrné těleso (30) má v oblasti hrany (37) své trychtýřovité části (31) vytvořen kuželový prstenec z elastického polymeru.
7. 7. Zpětný ventil podle nároků 1, 4 a5, vyznačující se tím, že těsnicí hrana (51) vnitřní stěny (47) vstupního dílu (41) a/nebo uzávěrné těleso (30) jsou z elastického polymeru.