DE69301937T2 - Ventilvorrichtung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein in erster Linie für ein Höchstdruckfluid von mehreren tausend Atmosphären vorgesehenes Ventilsystem.
• Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Ventilsteuerungsmechanismus für ein Höchstdruckfluid, bei dem die Bezugszeichen 41 und 45 ein Ventilgehäuse bzw. einen Ventuschaft bezeichnen.
• In dem mittleren Teil des Ventilgehäuses 41 ist ein Hohlraum 42 ausgebildet, und um Fluid von außerhalb des Ventilgehäuses 41 in den Hohlraum 42 und aus dem Hohlraum nach außerhalb des Ventilgehäuses 41 strömen zu lassen, sind Durchlässe 43,44 vorgesehen. Ein Ventilschaft 45 ist in ein von außerhalb des Ventilgehäuses 41 bis zu dem Hohlraum 42 durchgehendes Loch eingesetzt. Ein konisches Vorderende des Ventilschaftes 45 ist einem an einem Ende des in den Hohlraum 42 mündenden Durchlasses 43 ausgebildeten Ventilsitz 42a zugekehrt. Das andere Ende des Ventilschaftes 45 ist mit einem Hydraulikzylinder 46 gekoppelt.
• Bei dem herkömmlichen Ventilsteuerungsmechanismus bei einer Konstruktion wie oben kann das druckbeaufschlagte Fluid von dem einen Durchlaß 43 in Pfeilrichtung zu dem anderen Durchlaß 44 passieren, wenn der Hydraulikzylinder 46 zum Zurückziehen des Ventilschaftes 45 aus dem Ventilsitz 42a angetrieben ist. Falls notwendig, ist der Hydraulikzylinder 46 aktiviert, um das Vorderende des Ventilschaftes 45 gegen den Ventilsitz 42a anzudrücken und anstoßen zu lassen, um dadurch den Durchlaß 43 zu verschließen.
• Da das Vorderende des Ventilschaftes 45 mit gewaltiger Kraft gegen den Ventilsitz gedrückt wird, können die aneinanderstoßenden Flächen sowohl des Ventilsitzes 42a als auch des Ventilschaftes 45 sich leicht abnutzen oder schließlich beschädigt werden, wodurch die Lebensdauer des Mechanismus verkürzt wird. Gleichzeitig ist häufig eine mühsame Kontrolle zwecks Wartung oder Erneuerung von Teilen erforderlich.
• EP-A-0 029 396, die den im Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Stand der Technik offenbart, betrifft ein unverzweigtes Einwegventil. Ein Gehäuse weist einen elastischen zylindrischen Körper auf, der um einen Stab herum angeordnet ist. Der zylindrische Körper ist durch druckbeauf schlagtes Gas oder Fluid in einer den Körper umgebenden Kammer zusammendrückbar, so daß der Durchlaß zwischen dem Stab und der Innenfläche des Körpers geschlossen werden kann. Durch das Schließen und Öffnen dieses Durchlasses kann der Strom eines Fluids oder Gases durch den Durchlaß geregelt werden.
• US-A-4 085 942 beschreibt einen an einem Rohrende montierten Aufsatzkopf, der im Inneren des Rohres zum Prüfen des unter Hochdruck stehenden Rohres auf Lecks hin dient. Der Aufsatzkopf ist mit einer Ausnehmung versehen und an einem Ende des Rohres angebracht, wobei die Ausnehmung den Endbereich des Rohres umfaßt. Der Aufsatzkopf weist auf der Innenfläche der Ausnehmung eine kreisförmige Dichtung auf, die sich zusammenziehen kann, um zu bewirken, daß der Aufsatzkopf den Endbereich und das Innere des Rohres nach außen isoliert.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein für Hochdruck geeignetes einfaches und zuverlässiges Mehrwegventil zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
• Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines herkömmlichen Ventilsteuerungsmechanismus;
• Fig. 2 ist ein Längsschnitt, der den Aufbau einer einen erfindungsgemäßen Ventilsteuerungsmechanismus verwendenden Druckbehandlungsvorrichtung zeigt;
• Fig. 3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer in dem Ventilsteuerungsmechanismus dieser Erfindung verwendeten Dichtung;
• Fig. 4 ist eine Teilschnittansicht und eine perspektivische Ansicht der Dichtung von Fig. 3;
• Fig. 5 ist ein den Vorgang des Einleitens eines Behandlungsfluids in einen Hohlraum erläuterndes Diagramm; und
• Fig. 6 ist ein den Vorgang des Ausleitens eines behandelten Fluids aus dem Hohlraum erläuterndes Diagramm.
• Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit einem ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen dargestellt.
• Fig. 2 ist ein Längsschnitt, der den schematischen Aufbau einer einen erfindungsgemäßen Ventilsteuerungsmechanismus verwendenden Druckbehandlungsvorrichtung zeigt. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Hauptkörpergehäuse des erfindungsgemäßen Ventilsteuerungsmechanismus und das Bezugszeichen 8 eine Höchstdruckbeaufschlagungsvorrichtung. Das Hauptkörpergehäuse 1 ist aus einer einstückigen Anordnung aus einem Hauptblock 11 und einem oberen und unteren Block 12,13 gebildet und widersteht insgesamt Drücken von wenigstens mehreren tausend Atmosphären.
• Der Hauptblock 11 hat die Form eines kurzen Zylinders mit einer dicken Wandung und einer axial hindurchgehenden mittigen Bohrung. Die Bohrung hat am oberen und unteren Ende einen größeren Durchmesser als in dem mittleren Teil, der einen Hohlraum 2 bildet. In den betreffenden oberen und unteren Blöcken 12,13 ausgebildete Paßteile 12a,13a sind an die oberen und unteren Enden der Bohrung angesetzt. Darüber hinaus sind zwischen den Paßteilen 12a,13a und dem mittleren Teil der Bohrung, der einen Hohlraum bildet, Ringnuten 11a,11b ausgebildet.
• In den oberen und unteren Blöcken 12,13 sind Durchlässe 3,4 ausgebildet, die sich L-förmig von außerhalb des einen Blockes durch den Hohlraum 2 und nach außerhalb des anderen Blockes erstrecken. Die Mündungsenden der Durchlässe 3,4 nach außen sind über (nicht dargestellte) Rohre mit einem Tank mit Behandlungsfluid bzw. einem Tank mit behandeltem Fluid verbunden. In der Nähe der Mündungsenden der Durchlässe 3,4 zu dem Hohlraum 2 hin sind ein Kolben 14 und ein zylindrischer Körper 15 jeweils konzentrisch dazu angeordnet, um um sie herum ringförmige Durchlässe 3a,4a zu bilden. Die Enden des Kolbens 14 und des zylindrischen Körpers 15 an der Seite des Hohlraums 2 ragen über die Ringnuten 11a,11b hinaus in den Hohlraum 2 hinein, wobei ihre Endflächen einen vorbestimmten Abstand voneinander haben. Das obere Ende des Kolbens 14 ist fest in eine Ausnehmung 12b des oberen Blockes 12 eingedrückt. Das untere Ende des zylindrischen Körpers 15 ist fest in ein Loch 13b eingedrückt, das sich zu der Unterseite des unteren Blockes 13 erstreckt.
• Ringförmige Dichtungen 16,17, für die nach der Anmeldung durch die Anmelder dieser Erfindung usw. bereits ein Patent ausgegeben worden ist (Japanische Patentveröffentlichung Nr. 55-6855 (1980) und entsprechende U.S.-Patente Nrs. 4 085 942, 4 149 731, Deutsches Patent Nr. 2 640 221, Englisches Patent Nr. 1 552 493, Kanadisches Patent Nr. 1 053 284 und Japanische Patentveröffentlichung Nr. 58-17897 (1983)), sind in die Ringnuten 11a,11b eingesetzt. Druckeinleitwege 11c,11d verlaufen von außerhalb des Hauptblockes 11 zu den Ringnuten 11a,11b.
• Die Einleitwege 11c,11d sind über Hilfsventile 5,6 mit einer Pumpe P und über ein Ablaßventil 7 mit einem Tank T verbunden. Dementsprechend wird von der Pumpe P hochdruckbeaufschlagtes Wasser durch Öffnen/Schließen der Hilfsventile 5,6 in die Ringnuten 11a,11b eingeleitet, um den Wasserdruck auf den Außenumfang der in diese eingesetzten Dichtungen 16,17 aufzubringen. Dagegen wird das hochdruckbeaufschlagte Wasser in den Ringnuten 11a,11b durch Öffnen des Ablaßventils 7 in den Tank T abgelassen.
• Da die Dichtungen 16,17 im wesentlichen denselben Aufbau haben, ist die folgende konkrete Beschreibung unter Bezugnahme auf Fig. 3,4 auf die Dichtung 16 gerichtet.
• Fig. 3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Dichtung 16, und Fig. 4(a) und 4(b) sind eine Teilschnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines Verstärkungsteus der Dichtung in Fig. 3. Die Dichtung 18 weist einen ringförmigen Hauptkörper 21, auf einer Seite der Innenumfangsfläche des Hauptkörpers 21 angeordnete Verstärkungsteile 22 und jeweils die Gleitbewegung der Verstärkungsteile 22 unterstützende Adapterteile 23 auf. Der Hauptkörper 21 der Dichtung besteht aus Rohgummi wie Polyurethangummi oder dergleichen von hoher Elastizität und weist an den Rändern an seiner Außenumfangsfläche ausgebildete axial abstehende Flansche 24 auf. Die Mitte der Innenumfangsfläche des Hauptkörpers, an der die Verstärkungsteile 22 installiert sind, ist abgestuft. Der Durchmesser der Innenumfangsfläche des Hauptkörpers 21 ist auf der Seite, an der die Verstärkungsteile 22 installiert sind, größer als auf der anderen Seite, und die Innenfläche läuft von dem Punkt aus, an dem das Verstärkungsteil 22 installiert ist, zu dem anderen Seitenende hin konisch zu, um den Innendurchmesser allmählich zu verringern.
• Jedes Verstärkungsteil 22 besteht aus Metall, wie beispielsweise Aluminiumlegierung, und ist bogenförmig ausgebildet, wie in Fig. 4(b) gezeigt, und die Teile 22a, 22b an den beiden Enden in Krümmungsrichtung sind mit einander gegenüberliegenden Einkerbungen versehen, so daß ein Verstärkungsteil 22 an den eingekerbten Teilen 22a,22b mit dem benachbarten Verstärkungsteil zusammenpaßt. Die Verstärkungsteile sind mit erforderlichem Abstand voneinander, bei nicht komprimiertem Dichtungshauptkörper 21, installiert.
• Von der Rückseite des Verstärkungsteils 22, das heißt, der an dem Dichtungshauptkörper 21 zu befestigenden Fläche, steht ein elastischer Stift 25 ab. Gleichzeitig sind in die abgestufte Innenumfangsfläche in der Befestigungsposition des Verstärkungsteils 22 entsprechenden Abständen Montagelöcher 21a gebohrt. In das Montageloch 21a ist eine Hülse 26 eingepaßt. Wenn der elastische Stift 25 des Verstärkungsteils 22 in die Hülse 26 eingeführt ist, ist das Verstärkungsteil 22 an dem Hauptkörper 21 installiert.
• Der aus elastischem Material, beispielsweise Federstahl, bestehende elastische Stift ist rohrförmig und weist in axialer Richtung einen Dehnschlitz 25a auf. Die Hülse 26 verhindert das Eindringen des Dichtungshauptkörpers 21 in den Dehnschlitz 25a des elastischen Stiftes 25 beim Zusammendrücken des Dichtungshauptkörpers 21, so daß an der Position, an der der Dichtungshauptkörper 21 mit dem Kolben 14 und dem zylindrischen Körper 15 in Berührung ist, die Dichtungskraft nicht abgeschwächt wird.
• Das aus Aluminiumlegierung usw. bestehende L-förmige Adapterteil 23 ist zwischen dem Bereich, in dem das Verstärkungsteil 22 mit den benachbarten Verstärkungsteil zusammenzupassen ist, und dem Dichtungshauptkörper 21 vorgesehen. Die Rückseiten der beiden aneinandergrenzenden Verstärkungsteile 22 sind in Gleitkontakt mit dem Schenkelteil 23a des Adapterteils 23, und die Außenflächen der beiden aneinandergrenzenden Verstärkungsteile 22 sind in Gleitkontakt mit dem Stützteil 23b des Adapterteils 23.
• Wenn die Hilfsventile 5,6 geöffnet/geschlossen werden und das von der Pumpe P produzierte druckbeaufschlagte Wasser durch die Einleitwege 11c,11d in die Ringnuten 11a,11b eingeleitet wird, werden die Hauptkörper 21 der Dichtungen 16,17 komprimiert, und gleichzeitig gleiten die Verstärkungsteile 22 über die Adapterelemente 23. Folglich verringert sich der Abstand zwischen den Verstärkungsteilen 22, um dadurch den Dichtungshauptkörper 21 zusammenzudrücken. Infolgedessen wird die Innenumfangsfläche des Dichtungshauptkörpers 21 in engen Kontakt mit den Außenumfangsflächen des Kolbens 14 und des zylindrischen Körpers 15 gebracht, um die ringförmigen Durchlässe 3a,4a zu schließen.
• Dagegen wird der Dichtungshauptkörper 21 durch seine Elastizität in seinen Ursprungszustand zurückversetzt, indem das Ablaßventil 7 so gehandhabt wird, daß es das hochdruckbeaufschlagte Wasser durch die Einleitwege 11c,11d in die Ringnuten 11a,11b zu dem Tank T abläßt. Dementsprechend löst sich die Innenumfangsfläche des Dichtungshauptkörpers 21 von den Außenumfangsflächen des Kolbens 14 und des zylindrischen Körpers 15, um dadurch die ringförmigen Durchlässe 3a,4a zu öffnen.
• Die Höchstdruckbeaufschlagungsvorrichtung 8 ist mit einem Hydraulikzylinder 31 und einem Wasserdruckzylinder 32 versehen. Eine Stange 33 mit einem Kolben 34 an einem Ende ist in dem Hydraulikzylinder 31 angeordnet. Das andere Ende der Stange 33 ragt aus dem Hydraulikzylinder 31 heraus und arbeitet als in dem Wasserdruckzylinder 32 verschobener Stößel.
• Das Vorderende des Wasserdruckzylinders 32 ist mit der Öffnung des zylindrischen Körpers 15 verbunden, der fest in das Loch 13b des unteren Blockes 13 in dem Gehäuse 1 eingedrückt ist, um durch den zylindrischen Körper 15 einen Hochdruck von mehreren tausend Atmosphären in den Hohlraum 2 zuzusetzen.
• Nunmehr wird der Betrieb dieser Vorrichtung mit Bezug auf den Längsschnitt von Fig. 2 und auf die Fign. 4,5, die erläuternde Diagramme des Betriebs sind, beschrieben.
A: Zufuhr eines Behandlungsfluids
• Wie in Fig. 5 gezeigt, wird, nachdem das hochdruckbeaufschlagte Wasser dem Außenumfang der unteren Dichtung 17 zugeführt worden ist, um die Dichtung 17 zusammenzudrücken und dadurch den unteren ringförmigen Durchlaß 4a zu schließen, das Hilfsventil 6 geschlossen. Währenddessen sind das Hilfsventil 5 und das Ablaßventil 7 offen, um das hochdruckbeaufschlagte Wasser um den Außenumfang der Dichtung 16 zu dem Tank T abzulassen und dadurch die Dichtung 16 auseinanderzudrücken, um den oberen ringförmigen Durchlaß 3a zu öffnen.
• Im obigen Zustand wird der Kolben 34 durch Zufuhr von Wasser von einem Port 31a der Höchstdruckbeaufschlagungsvorrichtung 8 von Fig. 2 und Ablassen von Wasser durch den Port 31b zurückgezogen, was bewirkt, daß sich die Stange 33 aus dem Wasserdruckzylinder 32 nach hinten bewegt. Aufgrund des zu diesem Zeitpunkt erzeugten Unterdrucks wird das Behandlungsfluid aus einem (nicht dargestellten) Tank über den Durchlaß 3 und den ringförmigen Durchlaß 3a in den Hohlraum 2 eingeleitet, wie dies durch einen weißen Pfeil in Fig. 5 angedeutet ist.
• Wenn der Kolben 34 der Höchstdruckbeaufschlagungsvorrichtung 8 die Rückzugsgrenze erreicht, wird die Pumpe P so angetrieben, daß sie das hochdruckbeaufschlagte Wasser durch den Einleitweg 11a in Richtung auf den Außenumfang der oberen Dichtung 16 führt, so daß die Dichtung 16 zusammengedrückt wird, um den ringförmigen Durchlaß 3a zu schließen. Auf diese Weise wird sie in den Zustand von Fig. 2 zurückversetzt.
B: Druckbehandlung
• In dem in Fig. 2 gezeigten Zustand wird der Kolben 34 durch Zufuhr des hochdruckbeaufschlagten Wassers durch den Port 31b der Höchstdruckbeaufschlagungsvorrichtung 8 bei währenddessen erfolgendem Ablassen von Wasser durch den Port 31a vorgeschoben und die Stange 33 wird in das Innere des Wasserdruckzylinders 32 gebracht, wodurch Höchstdruck erzeugt wird. Dieser Druck wird durch den zylindrischen Körper 15 in den Hohlraum 2 zugegeben. Dementsprechend wird das Behandlungsfluid zur Sterilisierung mit einem Druck von mehreren tausend Atmosphären beaufschlagt. Nach einem vorbestimmten Zeitraum in obigem Zustand wird der Druck der Höchstdruckbeaufschlagungsvorrichtung 8 entlastet.
C: Ausleiten eines behandelten Fluids
• Der Hochdruck auf die untere Dichtung 17 wird durch Öffnen des Hilfsventils 6 weggenommen, wodurch die Dichtung 17 gelöst und der ringförmige Durchlaß 4a geöffnet wird. Auf diese Weise wird die Vorrichtung aus dem Zustand von Fig. 2 in den Zustand von Fig. 6 gebracht.
• Anschließend wird das behandelte Fluid in dem Hohlraum 2 durch den ringförmigen Durchlaß 4a und den Durchlaß 4 mittels des Restdrukkes in der Höchstdruckbeaufschlagungsvorrichtung 8 zu dem externen Tank geleitet.
• Zwar wurde in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäße Mechanismus auf eine Druckbehandlungsvorrichtung angewandt, aber die Erfindung ist nicht auf das obige Anwendungsgebiet beschränkt. Sie kann vielmehr so konzipiert werden, daß sie beispielsweise den zylindrischen Körper 15 mit einem gewöhnlichen Fluidzufuhrrohr zur Bildung eines Ventilsteuerungsmechanismus verbindet, um ein durch das Zufuhrrohr in den Hohlraum eingeführtes Fluid selektiv durch Handhaben der Dichtungen 16,17 durch die Durchlässe 3,4 strömen zu lassen.
• Wie zuvor beschrieben, ist der erfindungsgemäße Mechanismus mit zwei Durchlässen, die mit dem Hohlraum in dem Hauptkörpergehäuse in Verbindung stehen und wenigstens teilweise ringförmig sind, und mit einer Dichtung in dem ringförmigen Durchlaß zum Öffnen/Schließen des ringförmigen Durchlasses durch auf das Zusetzen oder Wegnehmen von Druck zurückzuführende Zusammendrücken und Rückstellen. Wenn von einem Durchlaß aus ein Behandlungsfluid in den Hohlraum geführt und mit Druck beaufschlagt und weiter nach außen abgeleitet wird, kann dementsprechend eine Folge von Abläufen dafür ohne Verwendung von mechanisch bewegbaren Teilen ausgeführt werden, wodurch die auf Reibung usw. zurückzuführende Abnutzung der Teile vermieden und die Lebensdauer der Vorrichtung bemerkenswert verlängert wird.

Claims (6)

1. Ventilsystem für ein Medium, mit

einem Hauptkörpergehäuse (1) mit einer Zuleitung und einem ersten Durchlaß (4,4a), die jeweils von außen durch das Hauptkörpergehäuse (1) zu dessen Innerem verlaufen,

einer ersten Dichtung (17), die an einem Endbereich des ersten Durchlasses (4,4a) zum Öffnen und Schließen des ersten Durchlasses (4,4a) durch Kontraktion der Dichtung (17) und deren Rückführung in den Ausgangszustand vorgesehen ist, und

einer ersten Druckeinrichtung (P,T,7) zum Aufbringen von Druck, damit die erste Dichtung (17) sich zusammenzieht, und zum Lösen des aufgebrachten Drucks, damit die Dichtung in den Ausgangs zustand zurückkehrt,

gekennzeichnet durch

einen zweiten Durchlaß (3,3a), der an einem seiner Endbereiche mit einer zweiten Dichtung (16) versehen ist und der von außen durch das Hauptkörpergehäuse (1) zum Inneren verläuft,

eine zweite Druckeinrichtung (P,T,7) zum Aufbringen von Druck, damit die zweite Dichtung (16) sich zusammenzieht, und zum Lösen des aufgebrachten Drucks, damit die Dichtung in den Ausgangs zustand zurückkehrt,

einen im Inneren des Hauptkörpergehäuses (1) zwischen der ersten und zweiten Dichtung (17,16) vorgesehenen Hohlraum (2), wobei die Zuleitung sich in den Hohlraum (2) hinein erstreckt, und

eine zu den Druckeinrichtungen (P,T,7) gehörende Ventileinrichtung (5,6) zum selektiven Öffnen und Schließen der Dichtungen (16,17), um den Hohlraum (2) mit einem der Durchlässe (3,4) oder beiden zu verbinden.

2. Ventilsystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Druckbeaufschlagungsvorrichtung (8), die mit der Zuleitung verbunden ist, um ein Medium in dem Hohlraum (2) mit Druck zu beaufschlagen.

3. Ventilsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ventileinrichtung (5,6) zum selektiven Öffnen und Schließen der Dichtungen (16,17) selektiv bewirkt, daß das Medium in dem Hohlraum (2) zu einem Durchlaß (3,3a,4,4a) strömt.

4. Ventilsystem nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem wenigstens die Endbereiche (3a,4a) der Durchlässe (3,3a,4,4a) auf der Hohlraumseite ringförmig sind und die Dichtungen (16,17) ringförmig sind.

5. Ventilsystem nach Anspruch 4, ferner mit einem zylindrischen Körper (15), der als ein die Zuleitung enthaltendes Rohr ausgebildet ist, wobei die Umfangsfläche des Körpers (15) den Endbereich (4a) des ersten Durchlasses (4,4a) bildet und von der Dichtung (17) umgeben ist.

6. Ventilsystem nach Anspruch 4, ferner mit einem zylindrischen Kolben (14) im Inneren des Hauptkörpergehäuses (1), der an den Hohlraum (2) angrenzt, wobei die Umfangsfläche des Kolbens (14) den Endbereich (3a) des zweiten Durchlasses (3,3a) bildet und von der Dichtung (16) umgeben ist.