したがって、この従来技術から出発して、本発明の課題は、これに対して改良された、作動中の機能がより安全であり、かつ、弁制御ピストンによる時間的にも迅速に連続する切り替えプロセスが達成される、弁装置を提供することである。この課題は、全体として、本願請求項1の特徴を有する弁装置によって、解決される。本発明の好ましい実施形態が、従属する請求項2から10から明らかにされる。
本願請求項1の特徴部分によれば、本発明に係る弁装置において、弁制御ピストンが、少なくとも1つの補償装置によって、少なくとも、それぞれの圧力供給入口に生じる媒体の圧力に関して圧力を均等化されて、弁ハウジング内で案内されている。
これによって、本発明に係る解決は、圧力供給入口において支配する流体圧力が、弁ピストンに、弁制御ピストンが特に意図されずに弁座から持ち上げられ、あるいは許容できない高い圧力をもって弁座上に乗せられるような、変位させる力を加えることがない、という利点を有し、さもなければ、この領域内でシールが損傷する危険がある。したがって、弁制御ピストンを弁座に保持し、もしくは、これを弁座から持ち上げるために、従来技術の弁と比べて小さい操作力を使用するだけで済むので、弁制御ピストンを制御するために対応づけられた操作装置を、より小さく寸法設計することができる。本発明によって、弁制御ピストンが、それぞれその移動位置において圧力を均等化されて、弁ハウジング内で案内されていることによって、接続箇所の間で媒体又は流体を案内する接続をもたらし、かつ、この接続を再び互いに分離するために、極めて迅速な切り替えプロセスが行われる。又、圧力を均等化された移動方法は、機能安全性の向上を許す。というのは、いずれにしても、弁制御ピストンが移動する場合に障害及び妨害のない作動が保証されているからである。さらに、本発明に係る弁装置は、形成する場合のコストパフォーマンスがよい。
特に好ましくは、補償装置が第1のシール手段を有しており、この第1のシール手段は、弁制御ピストンの媒体制御側において、補償装置の他の第2のシール手段と同一の直径でシールを行い、この第2のシール手段は、弁制御ピストンの操作側において、この弁制御ピストンをシールする。それぞれのシール手段を介して、特に、閉鎖位置において、弁制御ピストンの確実なシールが達成されるだけでなく、少なくともシール手段を介して、開放位置へ移動する場合の、弁制御ピストンのための確実な長手方向ガイドも、確実にされている。
好ましくは、弁制御ピストンは、閉鎖位置において見て、少なくとも2つのシール手段の間において、等しい直径を有している。このタイプの弁制御ピストンは、特に簡単に形成することができる。というのは、輪郭が周側において付加的な段部又は斜面を有する必要がないからである。さらに、このようにして、弁制御ピストンの径方向においても、軸方向においても、流体圧力のための望ましくない作用面が生じないことが確実にされている。媒体接続箇所の領域内で、弁制御ピストンの外径が一定に延びていることに基づいて、開放された位置において、それぞれその制御ピストンに作用する圧力流体又は圧力媒体は一様であって、外周面の回りに力がかからない態様で案内することができる。この力がかからない作動は、従来技術においては相当するものを持たない。好ましくは空気で作動する操作装置を制御するために、市場で一般的なパイロット弁、たとえば化学工業(NAMUR)の規格化された接続、測定、及び、制御技術、の基準に相当するものも、使用することができる。
特に好ましくは、弁制御ピストンは、中空ピストンとして設計されており、この中空室は、負荷出口へ同軸に連通している。さらに好ましくは、中空ピストンは、操作側の方向に、好ましくは緩衝孔として形成されている、少なくとも1つの連通箇所を有しており、この連通箇所が、中空ピストンの中空室を、恒久的な媒体の流れに関して、弁ハウジングの均等化チャンバーと接続し、弁制御ピストンが、弁ハウジング内で、この均等化チャンバー内へ進入可能に案内されている。上述した中空ピストンの中空室は、内周面側は同様に円筒状に形成されているので、それぞれ媒体接続箇所の間で案内される流体が、中空ピストンへ均一に作用して、弁制御ピストンが移動する際の所望の圧力均等化のされた作動を支援する。それぞれの緩衝孔によって弁制御ピストンのための流体圧力の閉鎖緩衝が達成されるので、弁装置を作動させる場合の流体の圧力衝撃が確実に阻止される。
さらに、圧力逃し構造は、弁ハウジング内で均等化チャンバーと弁の周囲環境との間に設けることができる。補償導管の形式のこのような圧力逃し構造を介して、場合によって漏れ量が生じた場合でも、これを弁ハウジングから排出することができる。
弁ハウジングは、好ましくは、いわゆるカートリッジ構造で形成することができ、弁ブロック内へ再び外すことができるように挿入することができ、挿入された位置において、弁ハウジングの媒体接続箇所と弁ブロックの媒体接続箇所が、流体を案内するように、互いに接続されている。このような構造で形成された弁は、特に容易に交換可能であり、したがって、フレキシブルに使用することができる。さらに、弁装置のコンポーネントと弁装置自体は、不具合又は修理の場合に迅速に、新しい新部品あるいは新しい弁装置と交換することができる。
さらに、弁制御ピストンに、磁場センサと協働するリングマグネットを配置することができる。このようにして終端スイッチが形成される。この終端スイッチによって、弁制御ピストンのそれぞれの位置が、制御プロセスのためのコンピューター等によって、分析される。
以下、図面に示す実施例を用いて本発明を詳細に説明する。図は、原理的なものであって、縮尺を考慮しない概念図である。
図1から5には、様々な種類の媒体の流れを制御するための本発明に係る弁装置1が示されている。弁装置1は、カートリッジ構造で形成されており、特に幾つかに分けて形成された弁ハウジング3を有し、その弁ハウジングは、たとえば、ねじの形式の、3つの固定手段7によって弁ブロック5に固定可能である。弁ハウジング3は、1つの軸方向の媒体接続箇所9と、媒体接続箇所9に対して横方向に延びる、共通の径方向の媒体接続箇所11としての径方向の2つの穴と、を有している。本発明の枠内において、媒体接続箇所9又は11の各々は圧力供給入口Pとすることができ、その場合にはそれぞれ他方の媒体接続箇所11又は9が負荷出口Aとなる。図示される場合において、接続箇所11が圧力供給入口Pであって、接続箇所9が負荷接続Aに相当する。弁ハウジング3が弁ブロック5内へ挿入された位置において、弁ハウジング3の媒体接続箇所9、11は、対応して配置されている弁ブロック5の媒体接続箇所15もしくは13と流体を案内するように接続されている。
弁ハウジング3の側方に、直方体形状のいわゆる5/2方向NAMUR弁の形式のパイロット弁17が配置されている。さらに、弁ハウジング3の種々の部分21、23、25、27、29及び31を互いに結合するために、特にねじの形式の、他の固定手段19が設けられている。すなわち弁ハウジング3は、弁ハウジング下部21、保持部分21、制御室ハウジング25、中間部分27、弁ハウジング上部29及びカバー部分31を有している。弁ハウジング3の上述した部分21から31を互いに少なくとも部分的に結合するための他の固定部分19と、弁ブロック5内に弁ハウジング3を固定するための第1の固定手段7は、特に図2の上面図から明らかなように、円弧上に互いに対して変位して交互に配置されている。さらに、他の固定手段19と第1の固定手段7は、それらを固定する場合に固定手段の取り違えを排除することができるようにするために、その長さ及びその直径に関して異なっている。
さらに、図4と5が示すように、弁制御ピストン33が設けられており、その弁制御ピストンは弁ハウジング3の部分内で長手方向に移動可能に案内されており、かつ弁ハウジング3内で2つの媒体接続箇所9、11の間の媒体接続を制御し、そのうちの1つが、この場合においては、すでに説明したように圧力供給入口Pとして、他方が負荷出口Aとして定められている。
本発明によれば、弁制御ピストン33は、全体を符号35で示す少なくとも1つの補償装置によって、少なくともそれぞれの圧力供給入口Pに生じる媒体の圧力に関して、弁ハウジング3内で各移動位置において圧力を均等化するように案内されている。その場合に補償装置35は、特に第1のシール手段37を有しており、その第1のシール手段は、弁制御ピストン33の媒体制御側39を、弁制御ピストン33の操作側43においてこの弁制御ピストンに作用する補償装置35の他の第2のシール手段41と同じ直径Dでシールする。その限りにおいて、弁制御ピストン33は、その外周面に関して同一の直径Dを有しており、その直径は少なくともその、図4と5に示す閉鎖位置において、2つのシール手段37、41の間の予め定めることができる軸方向の長さにわたって、好ましくはさらに上方へ向かって見て充分に、延びている。
第1のシール手段37は、負荷出口Aの領域内に配置された、リング形状のソフトシールであって、そのソフトシールに対して弁制御ピストン33が閉鎖位置をとりながら端面側で添接する。ソフトシール37は、横断面で見てL字形状の保持リング45によって保持されており、その保持リングも固定リング47によって弁ハウジング3内のその組み込み位置に固定されている。保持リング45と固定リング47によるソフトシール37の固定が、必要な場合に、特に磨耗した場合に、ソフトシール37を特に迅速に新しいシールと交換することを、可能にする。ソフトシール37は、その外周側において付加的にOリングシール51によってシールされてり、そのOリングシールは弁ハウジング3の溝53内に収容されている。他のシール手段41は、同様にOリングの形式で形成されており、そのOリングは弁制御ピストン33の後ろの操作側43を完全に包囲し、かつ、横断面で見てカップ形状に形成された制御室ハウジング25の切り欠き55内に配置されており、その制御室ハウジングは横断面で見て他のL字状の保持部分23によって弁ハウジング3の一部としてのその位置において、弁ハウジング3内に保持されている。
保持部分23は、他のリング形状のシール部材57を有しており、そのシール部材が保持部分23の内周溝59内に配置されている。このようなシール部材57を有する保持部分23が、同様に弁制御ピストン33を支持しており、この弁制御ピストンを、補償装置の他の部分と同様に、力がかからないように保持する。したがって弁制御ピストン33は、図4と5に示すその閉鎖位置において、2つのシール手段37、41の間及び後ろ側の領域内で予め定めることができる張り出しをもってシール手段41を越えて一定の外径Dを有している。このようにして弁制御ピストン33はその側方の媒体接続箇所11に関していつでも圧力を均等化されているので、作動中に接続箇所9、11の間に生じる、弁制御ピストン33に軸方向及び/又は径方向の力を加える圧力差が、弁制御ピストンにその位置を変位させるように作用することはない。このようにして弁制御ピストン33の各可能な変位位置において、弁制御ピストンのための障害のない、力の釣り合いのとれた作動が達成される。
弁制御ピストン33は、その後ろの駆動側又は操作側43において、好ましくはパイロット弁17を介し、空気によって作動される操作装置61によって制御可能である。そのために、弁制御ピストン33は、このようなその操作側において、それと一体的に結合された弁ロッド63を有しており、その自由端部65に操作ピストン67が固定されている。操作ピストン67は、弁ハウジング上部29の中空室69内に、その内側上で軸方向に滑り移動可能に収容されている。このようにして、操作ピストン67の軸方向に互いに逆となる側71、73において、作動中に異なる圧力水準を有する2つの圧力チャンバー75もしくは77が形成され、それらの圧力チャンバーによって操作ピストン67とそれに伴って弁制御ピストン33が空気により2つの軸方向ARに移動することができる。
さらに、圧縮ばねの形式のエネルギ貯蔵器79が設けられており、その圧縮ばねは、操作ピストン67の切り欠き81内へ嵌入して操作ピストンの上側に張り出し、この操作ピストンに1方向に力を加え、操作ピストン67が弁ロッド63の段部に対して押圧される。エネルギ貯蔵器79は、図示されるこの実施例において、カバー部分31に支持され、そこで、他の自由なばね端部に作用する突出部83によって案内される。弁制御ピストン33は、パイロット弁17を介して弁制御ピストンへ操作力を及ぼす必要のない、そのノーマル位置においては、エネルギ貯蔵器79のばね力によって閉鎖位置に保持されている。このノーマル位置は、専門用語では、「常閉」とも称される。しかしまた原則的に、本発明に係る弁解決の図示されない実施形態において、エネルギ貯蔵器79を操作ピストン67の逆側に作用させることも、可能である。このような場合においては、弁装置1は、ノーマル位置において、図示されないばねで付勢された開放位置をとり、その場合にパイロット弁17は操作装置61を用いて空気により然るべく閉鎖プロセスを行わなければならない。
弁ロッド63は、操作ピストン67内の切り欠き85を貫通して、弁ハウジング上部29内に配置されている、内側へ張り出す突出部87を介して付加的に案内される。操作ピストン67は、ここでも周シール89によって弁ハウジング上部29に対してその2つの逆方向の移動方向ARにシールされており、このような周シール89を終端側で固定するために、操作ピストン67はその中央にリング形状の突出部91を有している。
弁ハウジング上部29内の上述した2つの圧力チャンバー75、77は、弁ハウジング上部29の外側97(図3)へ連通する圧力接続箇所93、95を介してパイロット弁17に媒体を案内するように接続されている。弁ハウジング上部29のこの外側97には、特に5/2方向弁の形式の、NAMURパイロット弁17用の規格化された接続箇所画像99が設けられている。この配置は、180°回動してもNAMUR弁17が弁ハウジング上部29に固定できるように選択されており、それは、エネルギ貯蔵器79が詳しく図示されていないが、説明されているその第2の可能な組み込み位置をとる限りにおいて、特に簡単なやり方で、必要な場合には弁装置1の操作方向の反転を許す。
弁制御ピストン33は、全体として中空ピストンと考えられており、その中空室101は負荷出口Aへ同軸に連通する。弁制御ピストン33の自由端部において、弁制御ピストン33の壁105は、中空室側107とは逆の側に横断面で見て三角形状のシールエッジ109を有しており、そのシールエッジは、中空ピストン33の変わらない外形Dにおいて、この領域内で中空ピストンの内径を増大させ、それによって弁制御ピストン33の閉鎖位置においての自由端部がソフトシール37に線形に添接する。したがってこのシールは、弁制御ピストン33の外径Dに相当する外周ライン上で行われる。
中空室33は、その操作側43の方向に、緩衝孔として形成されている、補償装置35の構成要素としての少なくとも2つの連通箇所111(図5)を有している。緩衝孔111は、弁制御ピストン33の底113内に設けられており、その底が中空ピストン33と弁ロッド63の間の一体的な移行部を形成している。このようにして、中空ピストン33の中空室101は恒久的に媒体を案内するように弁ハウジング3の均等化チャンバー115と接続されており、弁制御ピストン33がその閉鎖位置から出てその開放位置において、弁ハウジング3内のその均等化チャンバー内へ進入可能に案内される。その場合に連通箇所111は、軸方向の媒体接続箇所9に生じる流体圧力に関して閉鎖された弁の方向への弁制御ピストン33の運動を緩衝する主旨でゆっくりと圧力を均等化する。連通孔111は、それぞれ弁装置1の形態に応じて異なる直径を有することができ、その場合に直径が小さく選択されるほど、底113を介しての媒体の流れの絞りがそれだけ強くなる。それによって特に、弁装置1のための流体圧力閉鎖緩衝が得られる。
さらに、弁ハウジング3内には、少なくとも1つの貫通する同一の圧力逃し導管あるいはリーケージ導管117が設けられている。それぞれの導管117は、弁ハウジング下部21と中間部分27を貫通して、弁ハウジング上部29と制御室ハウジング25の対応づけ可能な切り欠き121内に配置された2つの対向するOリングシール119の間で弁制御ピストン33の弁ロッド63に隣接する。このOリングシール119は、中間部分27によってそのそれぞれの切り欠き121内の位置に保持され、かつ弁の作動中にこのシールによっては捕捉できない漏れが生じた場合には、その漏れは導管117を介して弁ハウジング3から流出することができる。
本発明に係る弁装置1は、弁制御ピストン33の各移動位置における圧力供給入口P又は利用接続箇所又は負荷接続箇所Aにおける流体圧力の変化が、弁制御ピストン33へ有効な横方向の力をもたらすことできない、という利点を有しており、そうでない場合には、その横方向の力によって弁制御ピストンが弁座37から意図せずに持ち上がり、あるいは閉鎖プロセスの際には大きすぎる閉鎖力をもって弁座に乗ってしまうおそれがある。したがって弁制御ピストン33を弁座37に保持し、あるいはそれを弁座37から持ち上げるために、従来技術の比較可能な弁におけるよりも小さい力を使えば済む。このようにして弁制御ピストン33へわずかな駆動力をもたらせば済む、操作装置61を設けることができる。さらに、弁制御ピストン33には、操作側43の方向に緩衝孔として用いられる連通箇所111が設けられているので、弁制御ピストン33は、同軸の媒体接続箇所9に関しても圧力を均等化することができ、かつ緩衝するようにして、接続箇所9と11とを互いに分離する位置へ移動させることができる。その限りにおいて、弁制御ピストン33を操作するために、既知の弁において部分的に普通であるような、列をなして接続された複数の作動ピストンの代わりに、1つの操作ピストン67を設けるだけでよい。
弁装置1のコンパクトな構造により、組立大きさが同様である場合に、いずれにしても少なくともそれぞれ次に大きい公称量をカバーすることができる。このようにして1つの構造で6つまでの異なる設計上の変形をカバーすることができるので、弁装置1は、標準化構造システムの主旨における広範な変形の多様性を実現することを可能にする。