DE69410893T2

DE69410893T2 - Rückschlagventil

Info

Publication number: DE69410893T2
Application number: DE69410893T
Authority: DE
Inventors: William D Fralick; James B Gauld; Robert M Patrick
Original assignee: Delavan Inc
Current assignee: Collins Engine Nozzles Inc
Priority date: 1993-08-18
Filing date: 1994-08-18
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2014-08-19
Also published as: DE9422105U1; US5323807A; DK0639407T3; ES2119033T3; EP0639407A1; EP0639407B1; DE69410893D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rückschlagventil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein Röckschlagventil dieser Art ist aus der US-A- 4,172,465 bekannt. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Rückschlagventil, bei dem der Druckabfall wesentlich reduziert oder beseitigt ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Wenn bei herkömmlichen Sprühanwendungen die Düsen ohne Rückschlagventil verwendet wurden, hatte dies beim Arbeitsbeginn die Folge, daß das Fluid aus der Düse zunächst tropft oder tröpfelt und dann mit einem zunehmenden Strom fließt, der sich zu einem Sprühstrahl entwickelt, wenn sich der volle Pumpendruck aufbaut. Erst dann erhält man das gewünschte Sprühmuster Beim Ausschalten kommt es, außer in Rückwärtsrichtung, zu einer ähnlichen Aufeinanderfolge. Wenn somit die Pumpe stoppt, verschlechtert sich das Sprühmuster zu einem kleinen Fluidstrom, der für eine kurze Zeitperiode von der Düse abgegeben wird, und dieser Strom wird zu einem Tröpfeln, wenn der Druck null erreicht. Das Vorhandensein solcher Ströme oder Tröpfchen ist nicht zuletzt eine Verschwendung des zu versprühenden Fluids und ist häufig überflüssig oder sogar gefährlich. Wenn beispielsweise bei Betrieb von Ölbrennern ein Kraftstoff in die Brennkammer in anderer Weise als dem gewünschten Sprühmuster eintritt, ist der Kraftstoff nur schwer zu entzünden, es tritt nach der Zündung eine unvollständige Verbrennung auf, es werden unerwünschte Verbrennungsprodukte erzeugt und es wird Kraftstoff verschwendet. Ein anderes Beispiel betrifft landwirtschaftliche Sprüharbeiten, bei denen Insektizide, Herbizide, Desinfektionsmittel und andere Chemikalien für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden. Hier umfassen, zusätzlich zur Verschwendung, andere potentielle Probleme Haut- oder Laubverbrennungen, Augenreizungen oder verletzungen, sowie die gefährliche Ansammlung von Chemikalien auf Oberflächen.
In jüngster Zeit gab es eine Vielzahl von Bemühungen, die Nachteile beim Anschalten und Abschalten zu verbessern, indem in Kombination mit Sprühdüsen Rückschlagventile verwendet werden. Bei einem typischen herkömmlichen Rückschlagventil kommt es zu einem signifikanten Druckabfall, wenn sich ein Ventil öffnet, weil ein auf die Rückseite des beweglichen Ventilelements wirkender Druck teilweise den Zufuhrdruck an der Vorderseite aufhebt. Dort gibt es schwerwiegende potentielle Probleme, die durch den Druckabfall durch ein solches typisches Rückschlagventil verursacht werden. Wegen des Drucks, der zum Offenhalten des Ventils erforderlichist, muß der Systemdruck erhöht werden, um den reduzierten Fluß zu kompensieren. Der Ausfall eines typischen Rückschlagventils könnte einen höheren als den spezifizierten Druck- und Fließzustand zur Folge haben. Das Entfernen eines Rückschlagventils aus dem System ohne Systemdruckkorrektur könnte auch einen höheren als den spezifizierten Druck- und Fließzustand zur Folge haben. Der Arbeits- oder Öffnungsdruck des typischen Rückschlagventils in einer Düse ist gewöhnlich signifikant geringer als der Düsenbetriebsdruck, um die Pumpenkapazität oder die Druckanforderungen zu minimieren. Dieser geringe Rückschlagventil-Druck reduziert den Wirkungsgrad des Ventils bei der Steuerung der vollständigen Sprühstrahlbildung beim Anschalten und dem vollständigen Fließstop beim Abschalten. Somit kann es z.B. erforderlich sein, einen Pumpendruck von 9,315 bar (135 psi) zu halten, und in der Sprühdüse eines Haus-Ölbrenners einen Druck von 6,9 bar (100 psi) zu halten. Somit beträgt der Druckabfall 2,41 5 bar (35 psi). Weil in diesem Fall der Fluidfluß durch die Düse nicht beginnt, bis der Druck 2,41 5 bar (35 psi) erreicht, ist die Zeitdauer zum Erreichen des vollen Drucks und des vollen Sprühstrahls im Vergleich zu einer Düse ohne Ventil ein wenig reduziert, und die Zeit, während der die Düse einen Tropfen oder Tröpfchen oder einen kleinen Strom oder ein unentwickeltes Sprühmuster entwickelt, ist auch auf ein Bruchteil reduziert. Obwohl diese Rückschlagventilldüsenkombinationen eine gewisse Reduktion der Zeitdauer erzielten, die zum Erreichen des vollen Drucks und des vollen Sprühstrahls erforderlich ist, vergeht immer noch störende Zeit vom Fließbeginn bis zur Entwicklung eines vollen Sprühmusters. Wenn umgekehrt die Pumpe abgeschaltet wird, kommt es zu einer reduzierten, jedoch immer noch signifikanten Zeit, bevor der Fluß vollständig unterbrochen ist. Solange man keine viel größere Pumpe verwendet, existieren bei Ventilldüsenkombinationen immer noch die gleichen Probleme, wie sie oben mit einfachen Düsen beschrieben sind, außer mit einem geringeren Grad.

WESEN DER ERFINDUNG

Ein Hauptziel der Erfindung ist es daher, ein Rückschlagventil aufzuzeigen, das einen Null- oder minimalen Druckabfall aufweist und das somit einen geringeren Eingangsdruck erfordert, um die volle Leistung zu erzielen.
Es stellte sich heraus, daß der oben beschriebene Druckabfall wesentlich reduziert oder sogar beseitigt werden kann, indem man in dem Rückschlagventil eine abgedichtete und unter Druck gesetzte Gaskammer verwendet, die dem Druck des ankommenden Fluids entgegenwirkt, nach Anspruch 1. Die Verwendung einer solchen Konstruktion eines Rückschlagventils ergibt eine Kombination, bei der nur wenig oder kein gesonderter Pumpendruck erforderlich ist. Weil nur wenig oder kein gesonderter Druck erforderlich ist, kann man den Öffnungs- und Schließdruck des Ventils sehr nahe an den Arbeitsdruck setzen, und die Zeitdauer vom Fließbeginn bis zum Fluß mit vollem Druck ist wesentlich reduziert, was bedeutet, daß Tropfen und Tröpfchenbildung im wesentlichen beseitigt ist und viel schneller ohne Vergrößerung der Pumpenabmessung ein vollständiges Sprühmuster aufgebaut wird. Ferner ergibt dies bei Ausfall oder Entfernen des Ventils keinen signifikant stärkeren Fluidfluß.
Ein weiteres Ziel ist es, ein solches Ventil anzugeben, das es in Kombination mit einer Sprühdüse erlaubt, den Ventilarbeitsdruck sehr nahe an den Düsenarbeitsdruck zu setzen. Dies wiederum führt zu einem sehr schnellen Aufbau eines vollen Sprühmusters, wenn das Ventil öffnet, und zu einem sehr schnellen Abschalten, wenn das Ventil schließt. Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Rückschlagventil anzugeben, das zu einer effizienteren Zerstäubung und Nutzung des zu bewegenden Fluids führt. In vielen Situationen kann dies zu reduzierten Emissionen giftiger oder schädlicher Materialien führen oder zur effizienteren Kraftstoffnutzung, und somit zu einem wirtschaftlicheren Betrieb.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein weitergehendes Verständnis der vorliegenden Erfindung erhält man anhand der folgenden detaillierten Beschreibung beim Lesen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, worin:
Figur 1 ist eine wesentlich vergrößerte Querschnittsansicht einer Rückschlagventil- und Ölbrennerdüsen-Kombination nach der Erfindung mit dem Ventil in der geschlossenen Stellung.
Figur 2 ist eine Ansicht ähnlich Figur 1, außer daß das Ventil in der offenen Stellung ist und der Fließweg gezeigt ist.

DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Anhand der Zeichnungen zeigt Figur 1 nun ein Ventil in Kombination mit einer Sprühdüse, wie etwa für einen Ölbrenner, bei dem es erwünscht ist, daß im Falle eines Ventilausfalls sich das Ventil in einer offenen Stellung befindet. Die Ventilanordnung 10 umfaßt einen Ventil körper 1 2, der mit einer langgestreckten ringförmigen Vertiefung 14 ausgebildet ist. In der Vertiefung 14 befindet sich ein Kolben 16, der bei fehlendem Fluidd ruck durch ein Kolbenbewegungsmittel, wie etwa eine Feder 18 in der geschlossenen Stellung gehalten wird. Die Feder 18 wird gegen den Kolben 16 durch einenventilkonus 20 in Position gehalten, der wiederum in der Vertiefung 14 durch ein umgebogenes Ende 22 des Körpers 12 am Ort gehalten wird. Der Kolben 16 weist eine inneren Vertiefung auf, die durch eine Wand 24 begrenzt ist. In dieser Vertiefung befindet sich ein Element 26 aus geschlossen-zelligem Schaummaterial. Die Wand 24 bildet zusammen mit einer Oberfläche 28 des Konus 20 und einem Dichtring 30 in Kombination eine abgedichtete Gaskammer 32, die in sich das geschlossenzellige Schaumelement 26 enthält. Eine Vertiefung in der Stirnfläche 34 des Kolbens 16 trägt einen ringförmigen Dichtring 36. Die gesamte Ventilanordnung 10 wird in der Basis einer Düse 40 durch eine Gewindeverbindung 42 gehalten, die durch einen Dichtring 44 abgedichtet ist. Bevorzugt umfaßt die Ventilanordnung 10 ein Einlaßsieb 46 zum Herausfiern von Verunreinigungsteilchen, die andernfalls das Ventil oder die Düse verstopfen könnten. Die Anordnung 10 umfaßt ferner bevorzugt eine Federführung 48, die dazu beiträgt, die Feder 18 in richtiger Ausrichtung zu halten, und Beschädigungsgefahren des Dichtrings 30 zu minimieren. Wenn bei Betrieb eine Pumpe (nicht gezeigt) angeschaltet wird, fließt Kraftstoff in die Einlaßkanäle 50. Wenn der Fluiddruck in den Einlaßkanälen 50 einen vorbestimmten Pegel erreicht, drückt der Kolben 1 6 die Feder 18 zusammen und hebt den Dichtring 36 von der Oberfläche 52 des Ventil körpers 12 ab, so daß Kraftstoff durch eine Passage 54 in den Abschnitt der Vertiefung 14 fließen kann, der sich hinter oder jenseits des Kolbens 16 befindet, und dann über Auslaßkanäle 56 in die Düse 40. Der Fließweg durch das Ventil und die Düse ist in Figur 2 mit der strichpunktierten Linie und den Pfeilen gezeigt, die genauso wie Figur 1 ist, außer daß sich das Ventil in der offenen Stellung befindet. Bei herkömmlichen Anordnungen bestand die Neigung, daß die Fluiddrücke jederseits des Kolbens 16 einander teilweise aufhoben, was einen wesentlichen Druckabfall zur Folge hatte und die Verwendung eines höheren Pumpendrucks erforderlich war, um eine ausreichende Kompressionskraft auf die Feder 18 auszuüben. Bei der vorliegenden Anordnung ergibt das Vorhandensein der abgedichteten Kammer 32 ein Mittel, um einen wesentlichen Teil des Fluiddrucks in dem Abschnitt der Vertiefung 14 hinter dem Kolben 16 auszugleichen, um hierdurch den Druckabfall über dem Kolben wesentlich zu reduzieren. Wenn sich der Kolben 1 6 von der Oberfläche 52 wegbewegt, bewegt sich die Dichtung 30 entlang derventilkonusoberfläche 28, wobei die Kammer 32 dicht gehalten wird, wodurch die Kammer 32 im Volumen reduziert wird und der Druck in dieser Kammer zunimmt und dazu beiträgt, die Feder zusammengedrückt zu halten und den Druck in der Vertiefung 14 auszugleichen. Die Ventilkonusoberfläche 28 ist bevorzugt ein wenig kegelstumpfförmig, so daß, wenn sich der Kolben zum Öffnen des Ventils bewegt, die Dichtung 30 stärker komprimiert oder zusammengequetscht wird und somit den höheren Druck, der sich in der Kammer 32 aufbaut, wirkungsvoller abdichtet. Falls der Dichtring 30 ausfällt und Kraftstoff in die Kammer 32 gelangt, stellt das Vorhandensein des geschlossen-zelligen Schaumelements 26 sicher, daß zumindest ein gewisser Gasdruck in der Kammer 32 gehalten wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß das Ventil offen ist, wenn die Pumpe arbeitet, obwohl dort ein gewisser Druckabfall möglich ist. Wenn die Feder 18 oder die Dichtung 36 fehlerhaft ist, wird fortlaufend Kraftstoff durch das Ventil 10 ausgegeben, solange die Pumpe arbeitet, obwohl wiederum ein gewisser Effizienzverlust wahrscheinlich ist.
Obwohl das neue Ventil in der bevorzugten Form ein geschlossen-zelliges Schaumelement 32 aufweist, um gegen vollständigen Verlust des Gasdrucks geschützt zu sein, wenn die Dichtung 30 ausfällt, kann eine geeignete alternative Ausführung ein Element mit einer einzelnen geschlossenen Zelle aufweisen. Eine solche Ausführung funktioniert richtig, solange die einzelne Zelle intakt und geschlossen bleibt. In einer noch anderen alternativen Ausführung kann das gasgefüllte geschlossen-zellige Element vollständig weggelassen sein. Wenn jedoch bei einer solchen Ausführung die Dichtung 30 ausfällt und sich die Kammer 32 vollständig mit Fluid füllt, funktioniert das Ventil nicht.
Außer für das zelluläre Element 26 in der Kammer 32 und die verschiedenen Dichtringe bestehen alle Elemente der Ventilanordnung bevorzugt aus Metallegierungen, wie etwa Messing oder Stahl, obwohl andere relativ starre Materialien wie verschiedene Kunststoffe oder Keramiken für eines oder mehrere Teile verwendet werden können. Die Dichtringe 30, 36 und 44 werden bevorzugt aus elastomerem Material hergestellt; es lassen sich jedoch andere elastische Materialien wie etwa einige Kunststoffe verwenden. Ein bevorzugtes Material für das Schaumelement 26 ist Epichlorhydrin, obwohl andere Elastomere oder Kunststoffe verwendet werden können.
Im Umfang der vorhergehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungen der Erfindung sind zahlreiche Varianten möglich. Obwohl bei Anwendungen etwa mit Ölbrennerdüsen ein solches Ventil bevorzugt in einem "Ausfall-offen-Modus" betrieben wird, könnte beispielsweise ein ähnliches Rückschlagventil, das ein gasgefülltes geschlossen-zelliges Schaumelement enthält, so gebaut werden, daß es bei Ausfall der abgedichteten Kammer an der Rückseite des Kolbens geschlossen bleibt. Eine solche Ausführung wäre beispielsweise bei landwirtschaftlichen Sprühanwendungen nützlich und würde bevorzugt beinhalten, die Kolben- undventilkonuselemente umzudrehen, so daß sie in die entgegengesetzte Richtung weisen. Ferner, obwohl die Erfindung in den Ventil-Düsenkombinationen besonders nützlich ist, die im Detail beschrieben wurden, liegen die neuen Merkmale in dem Ventil, das als Rückschlagventil in anderen Fluidhandhabungsvorrichtungen verwendet werden kann, die keine Düsen beinhalten. Somit sollte die vorstehende Beschreibung als Beispiel und nicht als beschränkend betrachtet werden, wobei der Umfang der Erfindung in den folgenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

1. Rückschlagventil&sub1; umfassend:

einen Ventilkörper (12) mit einer Kolbenaufnahmevertiefung (14) und zumindest einem Einlaßkanal (50), der durch ein ansonsten geschlossenes Ende des Körpers (12) verläuft,

einen Kolben (16), der in der Kolbenaufnahmevertiefung (14) angeordnet ist, wobei der Kolben (16) an einem Ende eine Stirnfläche und in seinem entgegengesetzten Ende eine Vertiefung aufweist,

wobei der Ventilkörper (12) einen Fließweg (54, 56) aufweist, wenn sich das Ventil in einer offenen Konfiguration befindet, damit ein Fluidstrom durch den zumindest einen Einlaßkanal (50) in das Ventil eintreten, zwischen der Kolbenaufnahmevertiefung (14) und dem Kolben (16) hindurchtreten und dann durch zumindest einen Auslaßkanal (56) das Ventil verlassen kann, gekennzeichnet durch

einen Ventilkonus (20), der in der Kolbenaufnahmevertiefung (14) axial außerhalb der Kolbenvertiefung gehalten wird,

ein erstes Dichtelement (36), das zwischen der Stirnfläche des Kolbens (16) und dem Ende des Ventilkörpers (12) angeordnet ist, um eine Dichtung um den zumindest einen Einlaßkanal (50) herum zu bilden, wenn sich das Ventil in einer geschlossenen Konfiguration befindet,

ein zweites Dichtelement (30) das zwischen einer Wand (24) der Kolbenvertiefung und einer Oberfläche des Ventilkonus (20) angeordnet ist, um somit eine abgedichtete Gaskammer (32) zu bilden und

ein Kolbenbewegungsmittel (18), das zwischen dem Kolben (16) und dem Ventilkonus (20) angeordnet ist, wobei das Mittel (18) ausgelegt ist, den Kolben (16) in seine geschlossene Stellung zu bewegen, wenn der Fluideintritt in den zumindest einen Einlaßkanal (50) aufhört.

2. Rückschlagventil nach Anspruch 1, wobei die abgedichtete Gaskammer (32) in sich ein Element (26) mit zumindest einer gasgefüllten geschlossenen Zelle aufweist.

3. Rückschlagventil nach Anspruch 2, wobei das Element einen Körper (26) mit einer Mehrzahl gasgefüllter geschlossener Zellen aufweist.

4. Rückschlagventil nach Anspruch 3, wobei der Körper (26) Schaumstoff umfaßt.

5. Rückschlagventil nach Anspruch 1, wobei das Kolbenbewegungsmittel (18) eine Feder (18) umfaßt.

6. Rückschlagventil nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Auslaßkanal (56) durch den Ventilkonus (20) verläuft.

7. Rückschlagventil nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Auslaßkanal (56) durch den Ventilkörper (12) verläuft.

8. Rückschlagventil nach Anspruch 1, wobei die abgedichtete Gaskammer (32) in sich ein Element (26) aufweist, das einen Körper (26) mit zumindest einer gasgefüllten geschlossenen Zelle umfaßt.

9. Düsen- und Ventilanordnung mit einem Rückschlagventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.