DD287761A5

DD287761A5 - Thermisch gesteuertes ventil

Info

Publication number: DD287761A5
Application number: DD89332432A
Authority: DD
Inventors: Werner Foeller; Holm Klann
Original assignee: ��@��k��
Priority date: 1988-09-16
Filing date: 1989-09-07
Publication date: 1991-03-07
Also published as: JPH02120584A; CA1323344C; GB8920838D0; IT8948373A0; BR8904654A; DE3831487A1; BE1003257A5; IT1232664B; GB2224332B; US4995553A; GB2224332A; HUT55105A; NL8902197A; FR2636708B1; FR2636708A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermisch gesteuertes Ventil. Die bekannten Ventile fuehren das anfallende Medium stetig ab. Bei kleinen und kleinsten Mengen tritt ein starker Erosionsverschleisz an der Absperrstelle auf. Das neue Ventil soll verschleiszunanfaellig sein, und zwar auch bei kleinen Mengen. Die Feder ist als Schnappfeder ausgebildet und so angeordnet, dasz sie in Schlieszstellung des Ventils eine zwischen den Extremen ihrer Kennlinie gelegene Hubposition innehat. Verwendung findet das Ventil als thermisch gesteuerte Ventile mit Ausdehnungskapsel, z. B. Faltenbalg oder Membrankapsel. Fig. 5{Ventil, gesteuert, thermisch; Erosionsverschleisz; Absperrstelle; Schnappfeder; Schlieszstellung; Hubposition; Kennlinie; Ausdehnungskapsel; Faltenbalg; Membrankapsel}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein thermisch gesteuertes Ventil, insbesondere einen Kondensatableiter.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte derartige Ventile (DE-PS 23513, GB-PS 473063) öffnen jeweils analog der Menge des abzuführenden Mediums. Bsi kleinen anfallenden Mongen nimmt das Verschlußteil eine Drosselstellung ein. Es hat sich gezeigt, dal derartige Drosselstellungen in vielen Einsatzfällen, z.B. beim Ableiten von Kondensat, zu starkem Erosionsverschleiß und damit Leckage an Ventilsitz und Verschlußteil führen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die kleinen Mengen stetig anfallen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den starken Erosionsverschleiß und die daraus resultierenden Mängel zu überwinden.

Darlegung des Wesons der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermisch gesteuertes Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das auch bei kleinen abzuführenden Mediummengen verschleißunanfällig ist.

Erfindungsgemäß ist ein thermisch gesteuertes Ventil, insbesondere Kondensatableiter, mit einem Ventilsitz, einem damit zusammenwirkenden Verschlußteil, einer ein Verdampfungsmedium enthaltenden Ausdehn ungskapse!, die mit einem hubbeweglichen Wandungsteil das Verschlußteil betätigt, un J einer im Öffnungssinn auf das Voischlußteil einwirkenden Feder, dadurch gekennzeichnet, daß die Fedor eine Schnappfeder ist und die Schnappfeder so angeordnet ist, daß sie in Schließstellung des Ventils eine im Hubbereich zwischen dem Kraftmaximum und dem Kraftminimum ihrer Kraft-Hub-Kennlinie gelegene Hubposition innehat.

Vorteilhaft ist die Feder eine monostabile Schnappfeder und die monostabile Schnappfeder ist so angeordnet, daß sie in Schließstellung des Ventils eine vor dem Kraftminimum ihrer Kraft-Hub-Kennlinie gelegene Hubposition innehat. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Schnappfeder eine Tellerfeder ist.

Vorteilhaft ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zusätzlich eine Schleichfeder vorgesehen, wobei die Schleichfeder und die Schnappfeder hubaddierend angeordnet sind.

Zweckmäßig weist die Tellerfeder radiale, die Schleichfeder bildende Federzungen auf. In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ausdehnungskapsel sich stromauf des Ventilsitzes befindet, stromab des Ventilsitzes eine Zwischenkammer angeordnet ist, in der Zwischenkammer ein Verschlußteil vorgesehen ist, das mit einem am Auslaß der Zwischenkammer angeordneten Ventilsitz zusammenwirkt, und das letztgenannte Verschlußteil begrenzt relativ-hubbeweglich mit dem anderen Verschlußteil gekoppelt ist. Dabei ist es vorteilhaft, daß der hubbewegliche Wandungsteil der Ausdehnungskapsel als auf das Verschlußteil einwirkendes Membranglied ausgebildet ist und die Tellerfeder an der verschlußteilseitigen Stirnfläche des Membrangliedes anliegt.

DIo von der Schnappfeder auf das Verschlußteil ausgeübte Öffnungskraft fällt während des Schließhubes von einer Weitoffenstellung bis zur Schließstellung des Verschlußteiles ab. Beim Öffnungshub steigt sie von der Schließstellung bis zu einer Weitoffenstellung an. Bei Erreichen der Öffnungstemperatur wird daher das Verschlußteil in eine Weitoffenstellung aufgeschnellt; d. h. in eine Offenstellung, die bei kleinen Mengen das für ein stetiges Abführen nötige, durch die federelastische Ausdehnungskapsel angestrebte Maß übersteigt. Eine geringe Mediummenge wird folglich in kürzester Zeit durchgeleitet. Sodann schließt das Ventil abrupt aus einer Weitoffenstellung heraus wieder. Durch die Verwendung 6iner Schnappfeder anstelle einer konventionellen Feder- einer sogenannten Schleichfeder-werden verschleißfördernde Drosselstellungen des Verschlußteiles vermieden.

Durch eine monostabile Schnappfeder, wie sie der Anspruch 2 vorsieht, lassen sich, bei gleichem Krafimaximum, besonders große abrupte Öffnungs- und Schließhübe des Verschlußteiles erzielen. Als monostabil wird eine Schnappfeder bezeichnet, bei der die Richtung der Federkraft über den Federhub stets gleich bleibt, also keine Umkehrung von Druck- in Zugkraft eintritt. Eine bevorzugte, besonders wenig Bauhöhe beanspruchende Ausführung der Schnappfeder gibt der Anspruch 3 an. Ein sehr großer Verschlußteilhub wird auch durch die Merkmale des Anspruches 4 erzielt. Anspruch 5 gibt hierzu eine besonders vorteilhafte Ausführungsform an, bei der die Schnapp- und die Schleichfeder in einem einzigen Element vereint sind. Sobald beim Öffnungsvorgang geringste Mengen Medium die erste Absperrstelle des Ventils aus Anspruch 6 passieren, wird in der Zwischonkammer auf das zweite Verschlußteil eine zusätzliche Schließkraft auf das erste Verschlußteil eine zusätzliche Offnungskraft ausgeübt. Dieser zusätzliche Öffnungsimpuls führt dazu, daß das erste Verschlußteil bereits in dieser Situation abrupt in eine Weitoffenstellung aufschnellt. Dabei wird nach Zurücklegen des Relativhubes das zweite Verschlußteil aus seiner sicher dichtenden Schließstellung heraus in eine Weitoffenstellung mitgerissen. Dadurch ist auch bei kleinsten Mengen ein abruptes weites Öffnen und ein ebensolches Schließen gewährleistet.

In der Weiterbildung nach Anspruch 7 ist der elastisch verformbare, hubbewegiiche Wandungsteil der Ausdehnungskapsel als Membranglied gestaltet und wird in jeder Hubposition durch eine monostabile Tellerfeder gestützt. Die aus der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und der Außenseite der Ausdehnungskapsel resultierende Kraft wird von der Tellerfeder aufgenommen. Die bei einer Aufnahme dieser Kraft durch das Membranglied sonst in diesem auftretenden relativ hohen Zugspannungen entfallen. Das Membranglied unterliegt lediglich den relativ geringen Biegespannungen, die von der Hubbewegung herrühren. Trotz der abrupten Öffnungs- und Schließbewegungen ist das erfindungsgemäße Ventil bei langer Membranlebensdauer für einen sehr großen Einsatzdruckbereich geeignet.

Ausfuhrungsbelsplil In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfinungsgemäßen Ventils dargestellt. Es zeigt Fig. 1: einen Ausschnitt aus dem Ventil mit einer ersten Ausführung der Ausdehnungskapsel in Offenstellung, Fig. 2: einen Ausschnitt des Ventils mit einer zweiten Ausführung einer Ausdehnungskapsel in Schließstellung, Fig. 3: ein Kraft-Hub-Diagramm der Ausführung aus Fig. 1, Rg.4: die Tellerfeder aus Fig. 2 in Draufsicht, Fig. 5: ein Kraft-Hub-Diagramm der Ausführung aus Fig. 2 und Fig.6: eine Einzelheit der Ausdehnungskapseln aus Fig. 1 und 2 in Teiloffenstellung in anderem Maßstab.

In Fig. 1 trägt eine zwischen der Hochdruckseite 1 und der Niederdruckseite 2 vorgesehene Trennwand 3 eines nicht dargestellten Ventilgehäuses ein Sitzelement 4. Auf der Hochdruckseite 1, d.h. stromauf des Sitzelementes 4, ist eine Ausdehnungskapsel 5 angeordnet, die ein hubbewegliches Wandungsteil in Form eines biegeelastischen Membrangliedes 6 und ein starres, tellerförmiges Wandungsteil 7 aufweist. Das tellerförmige Wandungsteil 7 ist zentral zu einem Aufnahmeraum 8 für ein Verdampfungsmedium ausgewölbt. Der Aufnahmeraum 8 enthält stationär eine Anschlagscheibe 9 für das Membranglied 6 und via Membrannjied 6 auch für ein Verschlußteil 10, das sich stromauf oines am Sitzelement 4 vorgesehenen Ventilsitzes 11 befindet. Das Verschlußteil 10 weist einen Kopf 12 und das Membranglied 6 eine diesen aufnehmende, zentrale Lagerdelle 13 auf, wobei das Verschlußteil 10 an dem Membranglied 6 befestigt ist. In Höhe des Dellenrandes weist das Verschlußteil 10 eine axiale Angriffsfläche 14 für eine Tellerfeder 15 auf. Ferner besitzt das Verschlußteil 10 einen der anderen Seite der Tellerfeder 15 zugewandten Mitnehmer 16. Die Tellerfeder 15 ist als bistabile Schnappfeder ausgeführt und stützt sich mit ihrem Außenrand an einer Widerlagerscheibe 17 ab. Diese ist zum einen fest mit dem Membranglied 6 und dem Wandungsteil 7 verbunden, während sie zum anderen auf dem Sitzelement 4 aufliegt.

Der Öffnungs- und Schließvorgang des Ventils wird anhand des Diagrammes Fig. 3 im Detail geschildert. Auf der Ordinate ist die Kraft Ff der Tellerfeder 15 sowie die vom Innendruck der Ausdehnungskapsel 5 und dem Druck des abzuführenden Mediums auf das Verschlußteil 10 ausgeübte Kraft F_v aufgetragen. Auf der Abszisse ist der HubH aufgetragen, wobei die Grenzlinie, auf" die

Offenendstellung des Verschlußteiles 10 und die Grenzlinie .zu" dessen Schließstellung markiert. Die Grenzlinie „zu" liegt vor

dem Kraftminimum a der Kraft-Hub-Kennlinie 18 der bistabilen Tellerfeder 15. Die Kraft F_v ist über den Hub im wesentlichen konstant.

Im kalten Zustand ist das Verdampfungsmedium im Aufnahmeraum 8 kondensiert und sein Dampfdruck gleich Null. Das Membranglied 6 und das Verschlußteil 10 werden durch die Tellerfeder 15 und die im Öffnungssinn wirkende Druckdifferenz,

die zwischen dem Aufnahmeraum 8 und der Hochdruckseite 1 herrscht, in der Offenendstellung „auf" gehalten.

Wird die Ausdehnungskapsel 5 erwärmt, erfolgt im Aufnahmeraum 8 oine Verdampfung, und es entsteht dort ein Druck

entsprechend der Dampfdruckkurve des Verdampfungsmediums. Wenn die daraus und aus dem Druck des abzuführenden

Mediums resultierende, in Schließrichtung wirkende Kraft F_v die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft F₁ der Tellerfeder 15 im Punkt b übersteigt, wird das Verschlußteil 10 im Kräftegleichgewicht stetig in Schließrichtung bewegt. Sobald dabei das Kraftmaximum c der Kennlinie 18 erreicht wird (Temperatur ti), entsteht Ungleichgewicht zwischen den Kräften F₍ und F_v. Es

beginnt der Schnapphubbereich der Tellerfeder 15. Das Verschlußteil 10 bewegt sich aus der Weitoffenstellung heraus abrupt weiter, bis es in der Schließstellung »zu" dichtend auf dem Ventilsitz 11 zur Auflage kommt - Punkt d. Während des

Schließschnapphubes ändert die Kraft Ff der bistabilen Tellerfeder 15 im Punkt e ihre Wirkrichtung. Die Tellerfeder 15 wirkt dann

nicht mehr über die Angriffsfläche 14 öffnend auf das Verschlußteil 10, sondern über den Mitnehmer 16 schließend.

Zum öffnen des Ventils muß die Kraft F_v ihre Wirkrichtung ändern. Hierzu ist eine entsprechende Temperatur- und damit Druckabsenkung des Verdampfungsmediums im Aufnahmeraum 8 erforderlich. Nach einer solchen Umkehrung der Wirkrichtung übt das Membranglied 6 seinen Anteil der Kraft F_v im Öffnungssinn gegen die Wirkung der Tellerfeder 15 auf das

an dem Membranglied β befestigte Verschlußteil 10 aus. Während der Abkühlung verharrt das Verschlußteil 10 zunächst in der

Schließstellung «zu", bis bei der Temperatur ta im Punkt f Kräftegleichgewicht mit der Teilerfeder 15 erreicht ist. Da dort, also vor

dem Kraftminimum a, die Schließkraft F₍ der Tellerfeder 15 eine fallende Tendenz hat, wird das Verschlußteil 10 aus seiner

Schließstellung heraus abrupt bis in die Offenendstellung ,auf" - Punkt g - bewegt. Während des Öffnungsschnapphubes

ändert die Kraft K₁ der bistabilen Tellerfeder 15 im Punkt e ihre Wirkrichtung.

Bei erneutem Temperaturanstieg verharrt das Verschlußteil 10zunächst in der Offenendstellung, bis ein Gleichgewicht zwischen

den Kräften F₁ und F_v erreicht ist- Punkt b. Dann erfolgt das Schließen wie bereits zuvor erläutert.

Weder beim Öffnungs- noch beim Schließvorgang nimmt also das Verschlußteil 10 eine verschleißanfällige Drosselstellung In der Ausführung nach Fig. 2 befindet sich stromab des Ventilsitzes 11 eine Zwischenkammer 19, deren Auslaß einen Ventilsitz 20 aufweist. Mit dem ersten Ventilsitz 11 wirkt ein erstes ringförmiges Verschlußteil 21 zusammen und mit dem

zweiten Ventilsitz 20 ein in der Zwischenkammer 19 angeordnetes zweites Verschlußteil 22. Das zweite Verschlußteil 22 ist mit dem ersten begrenzt relativ-hubbeweglich gekoppelt. Das erste Verschlußteil 21 ist dicht in einem Verschlußteilträger 23 befestigt, der den zentriert in der Lagerdelle 13 des Membrangliedes 6 gelagerten Kopf 12 und die Angriffsfläche 14 für die

Tellerfeder 15 aufweist. Auf eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Membranglied 6 und dem Kopf 12 wurde verzichtet. Die Tellerfeder 15 weist, wie die Fig. 4 zeigt, einen geschlossenen ringförmigen Bereich 24 auf, von dem sich hubaddierend Federzungen 25 radial nach innen erstrecken. Der Bereich 24 ist dabei als monostabile Schnappfeder ausgebildet, während die Federzungen 25 als Schloichfeder wirken. Die Tellerfeder 15 liegt stützend an der verschlußteilseitigen Stirnfläche des Membrangliedes 6 an. Die beiden in Strömungsrichtung aufeinanderfolgender« Absperrstellen 11,21; 20,22 schließen und öffnen aufgrund des Relativhubes beider Verschlußteile 21,22 verzögert nacheinander. In dem Diagramm Fig. 5, das u.a. die Kraft-Hub-Kennlinie 26

der monostabilen Tellerfeder 15 zeigt, markieren die Grenzlinien .auf" und .zu" die Offenendstellung und die Schließstellung des Verschlußteiles 22. Dieses ist so gestaltet, daß die vom Mediumdruck darauf ausgeübte Schließkraft kleiner ist als die

Kraftdifferenz zwischen den beiden Extremen a und c der Kennlinie 26. Aus der Offenendstellung .auf" - Punkt b - heraus erfolgt bei dem Ventil nach Fig. 2 bei steigender Temperatur die Schließbewegung bis zum Kraftmaximum c der Kennlinie 26 stetig. Im Punkt c haben beide Verschlußteile 21,22 eine Weitoffenstellung inne. Von dort aus (Temperatur t_t) setzt sich die Schließbewegung schnappend fort. Während des Schnapphubes kommt zunächst das Verschlußteil 22 auf seinen Ventilsitz 20 dichtend zur Auflage - Punkt d. Das Verschlußteil 21 setzt währenddessen seinen Schnapphub fort, bis es seine Schließstellung auf dem Ventilsitz 20 eingenommen Befindet sich die Schließstellung des Verschlußteiles 21 jenseits des Kraftminimums a der Kennlinie 26, erfolgt bei sinkender Temperatur zunächst eine schleichende Öffnungsbewegung des Verschlußteiles 21 bis zum Kraftminimum a (Temperatur t₂). Von dort setzt sich die Öffnungsbewegung abrupt bis in eine Weitoffenstellung fort. Während der abrupten Bewegung wird nach Beendigung des Relativhubes das Verschlußteil 22 aus dbr dicht schließenden Stellung - Punkt f- heraus abrupt in eine Weitoffenstellung-Punkt h-mitgenommen. Wenn die Schließstellung des Verschlußteiles 21 sich in oder vor dem Kraftminimum a der Kennlinie 26 befindet, entfällt der

schleichende Teil der Öffnungsbewegung des Verschlußteiles 21. Letztere erfolgt stattdessen auch von Anfang an schnappend.

Die Kombination der schnappenden monostabilen Tellerfeder 15 mit den zwei Verschlußteilen 21,22 hat den entscheidenden Vorteil, daß das Verschlußteil 22 aus der Weitoffenstellung in die voll dichtende Schließstellung hineinspringt und vice versa. Ferner ist beim Öffnungsvorgang zwischen dem Ventilsitz 11 und dem Verschlußteil 21 bereits ein großer Strömungsquerschnitt

freigegeben, bevor das Verschlußteil 22 den Mediumdurchfluß freigibt. Hierduich wird Erosionsverschleiß an den

Absperrstellen 11,21; 20,22 zuverlässig vermieden. Das abrupte Öffnen und Schließen ist unabhängig von der Menge des abzuführenden Mediums stets gegeben, also selbst bei

winzigsten Mengen. Es wird zum einen durch die Druckwechsel in der Zwischenkammer 19 initiiert. Zum anderen wird es zwangsläufig und besonders ausgeprägt durch die Tellerfeder 15 bewirkt.

Während der Hubbewegungen liegt die monostabile Tellerfeder 15 nicht nur an der Angriffsfläche 14 des Verschlußteilträgers 23, sondern auch an der verschlußteilseitigen Stirnfläche des Mombrangliedes 6 an. Während des

gesamten Hubes wird also das Membranglied 6 großflächig durch die Tellerfeder 15 gestützt. Die aus dem Differenzdruck zwischen dem Aufnahmeraum 8 und der Hochdruckseite 1 resultierende Kraftwird dahervon der Tellerfeder 15aufgenommen.

Das Membranglied 6 ist durch diese K/aft nicht belastet, sondern lediglich den durch die Hubbewegung entstehenden, relativ

geringen Biegespannungen unterworfen. Dadurch kann das Membranglied 6 bei sehr hohen Druckdifferenzen eingesetzt werden und weist trotz der abrupten Hubbewegungen eine sehr große Lebensdauer auf.

In den erfindungsgemäßen Ventilen kann das Membranglied aus einer einzigen Membran oder aus mehreren

aufeinanderliegenden Membranlamellen bestehen.

Membranlamellen ergeben eine besonders hohe Flexibilität des Membrangliedes. Die Membran bzw. die Membranlamellen

können im übrigen glattflächig ausgeführt oder mit konzentrischen Wellen versehen sein. Die Wellen nehmen die beim Hub auftretenden radialen Maßschwankungen ohne Verwerfung des Membrangliedes auf.

Bevorzugt und in den beiden Ausführungsbeispielen vorgesehen ist ein Membranglied 6, das aus zwei aufeinanderliegender! Membranlamellen 27,28 mit konzentrischen Wellen besteht (Fig. 6). In vorgewölbtem Zustand, und zwar in der Offenendstellung, wird das Membranglied 6 zwischen dem Wandungsteil 7 und der Widerlagerscheibe 17 eingeklemmt und

dann mit beiden verschweißt. Dadurch werden Zugspannungen im Membranglied 6 vermieden.

Claims

1. Thermisch gesteuertes Ventil, insbesondere Kondensatableiter, mit einem Ventilsitz, einem damit zusammenwirkenden Verschlußteil, einer ein Verdampfungsmedium enthaltenden Ausdehnungskapsel, die mit einem hubbeweglichen Wandungsteil das Verschlußteil betätigt, und einer im Öffnungssinn auf das Verschlußteil einwirkenden Feder, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder eine Schnappfeder (15) ist und die Schnappfeder (15) so angeordnet ist, daß sie in Schließstellung des Ventils eine im Hubbereich zwischen dem Kraftmaximum (c) und dem Kräftminimum (a) ihrer Kraft-Hub-Kennlinie (18,26) gelegene Hubposition innehat.

2. Thermisch gesteuertes Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder eine monostabile Schnappfeder (15) ist und die monostabile Schnappfeder (15) so angeordnet ist, daß sie in Schließstellung des Ventils eine vor dem Kraftminimum (a) ihrer Kraft-Hub-Kennlinie (26) gelegene Hubposition innehat.

3. Thermisch gesteuertes Ventil nach jedem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnappfeder eine Tellerfeder (15) ist.

4. Thermisch gesteuertes Ventil nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Schleichfeder (25) vorgesehen ist, wobei die Schleichfeder (25) und die Schnappfeder (24) hubaddierend angeordnet sind.

5. Thermisch gesteuertes Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (15) radiale, die Schleichfeder bildende Federzungen (25) aufweist.

6. Thermisch gesteuertes Ventil jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungskapsel (5) sich stromauf des Ventilsitzes (11) befindet, stromab des Ventilsitzes (11) eine Zwischenkammer (19) angeordnet ist, in der Zwischenkammer (19) ein Verschlußteil (22) vorgesehen ist, das mit einem am Auslaß der Zwischenkammer (19) angeordneten Ventilsitz (20) zusammenwirkt, und das letztgenannte Verschlußteil (22) begrenzt relativ-hubbeweglich mit dem anderen Verschlußteil (21) gekoppelt ist.

7. Thermisch gesteuertes Ventil nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hubbewegliche Wandungsteil der Ausdehnungskapsel (5) als auf das Verschlußteil (10; 21; 22) einwirkendes Membranglied (6) ausgebildet ist und die Tellerfeder (15) an der Verschlußteilseitigen Stirnfläche des Membrangliedes (6) anliegt.