DD293178A5 - Federbelastetes sicherheitsventil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein federbelastetes Sicherheitsventil mit kleinen Ansprech- und Schlieszdrucktoleranzen, bestehend aus einem Ventilgehaeuse mit Ventilsitz sowie einer in der Gehaeuseachse laengsverschieblich gefuehrten Spindel mit einem Verschluszorgan und einer Ventilfeder. Die erfindungsgemaesze Aufgabe wird dadurch geloest, dasz ein an sich bekannter, mit einer Feder gegen einen Gehaeuseanschlag in der Naehe des Ventilsitzes vorgespannter Stellkolben koaxial zur Spindel angeordnet, in seinem Mantel ein steuerbarer Mitnehmer befestigt und die Spindel in der Mittenbohrung des Stellkolbens verschiebbar sowie vom Stellkolben mit dem Mitnehmer gegen die Vorspannung der Ventilfeder bis zu einem vorgegebenen Wert mitnehmbar ist. Das Sicherheitsventil oeffnet schlagartig. Bei Erreichen des vorgegebenen Wertes, das kann ein Ventilhub, ein Druckwert oder eine OEffnungszeit sein, wird die Spindel freigegeben. Durch die mit dem Stellkolben aufgebrachte zusaetzliche Vorspannung der Ventilfeder wird die Spindel nach ihrer Freigabe stark beschleunigt. Es erfolgt Schnellschlusz. In Ausnahmefaellen bzw. bei schlechter Einstellung (der Mediumdruck ist noch zu grosz; die Spindel wurde zu frueh freigegeben) arbeitet das Ventil bis zum endgueltigen Druckabbau als Proportionalventil mit Niederhubverhalten. Die Ansprech- und Schliesztoleranzen sind in beiden Faellen sehr gering. Die schlagartige Beschleunigung der Spindel erfolgt im wesentlichen durch den Druck des Mediums auf den Stellkolben. Dadurch kann das Verschluszorgan stroemungsguenstig, z. B. als Kugel, ausgebildet werden. Der Ausstroemwiderstand wird dadurch stark reduziert.{Sicherheitsventil, federbelastet; Ventilgehaeuse; Ventilsitz; Spindel; Verschluszorgan; Ventilfeder; Feder; Stellkolben; Mitnehmer, steuerbar; Vollhubverhalten; Hochhubverhalten; Niederhubverhalten}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein federbelastetes Sicherheitsventil mit kleinen Ansprech- und Schließdrucktoleranzen, bestehend aus einem Ventilgehäuse mit Ventilsitz sowie einer in der Gehäuseachse längsverschieblich geführten Spindel mit einem Verschlußorgan und einer Ventilfeder.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Es sind verschiedene federbelastete Sicherheitsventile bekannt.

Die Niederdruck- oder Proportionalventile sind einfach in ihrem Aufbau, als Sicherheitsventile aber nicht immer wirksam genug. Bevorzugt werden aus Sicherheitsgründen Vollhubventile, die schlagartig öffnen und deren Ausblasquerschnitt im geöffneten Zustand größer als der Zuflußquerschnitt ist. Wenn der Massestrom des abzublasenden Mediums genau bekannt und nicht zu groß ist, werden auch Hochhubventile eingesetzt. Sie öffnen ebenfalls schlagartig, aber nur zu einem Teil des Hubes, so daß der Ausblasquerschnitt kleiner als der Zuflußquerschnitt ist. Ein nichtproportionales, schlagartiges Öffnen des Sicherheitsventils wird bisher prinzipiell auf zwei Wegen erreicht.

Bei der einen Gruppe von Lösungen wird das Verschlußorgan durch konkave Wölbungon gegen die Strömungsrichtung oder ähnliche Maßnahmen mit einem bewußt hohen Strömungswiderstand ausgebildet, um ein schnelles Lösen vom Ventilsitz zu erreichen. Dieser höhere Strömungswiderstand ist zugleich aber auch ein Nachteil dieser Sicherheitsventile. Er verschlechtert die Ausflußziffer und verzögert das Schließen. In DE-OS 32 24539 ist der Ventilkegel stirnseitig an einem Hubkolben, dessen Durchmesser größer als der des Ventilsitzes ist, befestigt. Die Ventilfeder ist wie üblich auf den kleineren Durchmesser des Ventilkegels bzw. des Zuflußquerschnitts ausgelegt. Beim Ansprechdruck hebt der Ventilkegel mit Niederhubcharakteristik zunächst etwas an. Das Medium drückt dann sofort auch unter die Fläche des Hubkolbens und beschleunigt das Verschlußorgan schlagartig. Die für die gesamte Fläche des Verschlußorgans viel zu kleine Feder könnte den Ventilkegel erst nach erheblichem Absinken des Drucks wieder auf den Ventilsitz pressen. Um dem zu entgehen, wird ein Teil des ausströmenden Mediums zum Druckausgleich über eine Umgehungsleitung auf die Rückseite des Verschlußorgans geführt. Indem ein weiterer Parameter abgestimmt werden muß und durch Strömungsvei luste wird die Einhaltung des Schließdrucks ungenau. Außerdem vergrößert sich die Schließzeit.

Bei der anderen Variante wird das Verschlußorgan nicht nur mit der Ventilfeder gegen den Ventilsitz gedrückt, sondern zusätzlich belastet, wobei die Zusatzlast bei Erreichen des Ansprechdruckes mit Fremdenergie aufgehoben wird bzw. die die Zusatzlast erzeugende Fremdenergie wird beim Erreichen des Ansprechdrucks abgeschaltet. Derartige Ausführungen werden beispielsweise in Bozoki, G.: Überdrucksicherungen für Behälter und Rohrleitungen, S.176 und 177 (VEB Verlag Technik, 1986)

gezeigt. Bei einem Sicherheitsventil mit pneumatischer Zusatzbelastung vom Typ Sempell ist die Spindel mit der Ventilfeder stärker als nach dem Ansprechdruck notwendig vorgespannt. Ihr ist in Reihenschaltung ein Hubkolben zugeordnet, der mit Erreichen des Ansprechdruckes pneumatisch angehoben wird, dabei die Spindel mitnimmt und vom Ventilsitz abhebt. Ist der Druck ausreichend abgesenkt, dann wird die Druckluftzufuhr auf den Hubkolben unterbrochen und der Zylinderraum unter dem Hubkolben belüftet. Der Verbund Spindel und Hubkolben wird unter der Wirkung der Ventilfeder und einer zusätzlich auf den Hubkolben wirkenden Feder auf den Ventilsitz abgesenkt. Bei einem Sicherheitsventil mit elektromagnetischer Zusatzbelastung derselben Firma wird die mechanisch eingestellte Vorspannung der Ventilfeder im Normalbetrieb durch einen ständig eingeschalteten Elektromagneten erhöht. Beim Erreichen des Ansprechdruckes wird der Strom abgeschaltet. Das Ventil öffnet sich. Schlagartig allerdings nur, wenn das Verschlußorgan entsprechend gestaltet ist oder wenn die mechanisch eingestellte Vorsparinung der Ventilfeder kleiner als der Ansprechdruck gehalten ist.

Allen federbelasteten Sicherheitsventilen mit Zusatzbelastungen ist gemeinsam, daß sie sehr genau und rasch ansprechen. Ihre SchlielScharakteristik ist gegenüber Sicherheitsventilen mit Voll- oder Hochhubcharakteristik mit Ausnahme eines größeren Schließdruckes und damit größerer Dichtheit weitgehend unverändert, ü. h., ungenau und langsam, es sei denn, auch das Schließen wird mit Zusatzenergie gesteuert und beschleunigt, indem z. B. mit einem doppelt beaufschlagbaren Hubkolben sowohl der Ansprechdruck als auch der Schließdruck gesteuert werden (z.B. a.a.O., S. 180). Dabei steigen sowohl der Aufwand für die Fertigung und den Betrieb des Sicherheitsventils als auch das Bauvolumen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, ein einfaches Sicherheitsventil mit erhöhten Gebrauchseigenschaften anzugeben.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Öffnungs- und Schließcharakteristik eines federbelasteten Sicherheitsventils ohne Zusatzlast wesentlich zu verbessern und variabler zu gestalten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein an sich bekannter, mit einer Feder gegen einen Gehäuseanschlag in der Nähe des Ventilsitzes vorgespannter Stellkolben koaxial zur Spindel angeordnet, in seinem Mantel ein steuerbarer Mitnehmer befestigt und die Spindel in der Mittenbohrung des Stellkolbens verschiebbar sowie vom Stellkolben mit dem Mitnehmer gegen die Vorspannung der Ventilfeder bis zu einem vorgegebenen Wert mitnehmbar ist. Im Normalbetrieb ist der Ventilsitz mit dem Verschlußorgan unter dem Ventilfederdruck geschlossen. Ist der Ansprechdruck erreicht, dann hebt das Verschlußorgan zunächst einen kurzen Hub proportional ab. Das in den Raum unter dem Stellkolben einströmende Medium erhöht sofort den Druck in diesem Raum und verschiebt den Stellkolben. Ei nimmt über den Mitnehmer die Spindel mit. Das Sicherheitsventil öffnet schlagartig. Bei Erreichen des vorgegebenen Wertes, das kann ein Ventilhub, ein Druckwert oder eine Öffnugnszeit sein, wird die Spindel freigegeben. Das Sicherheitsventil wird im Normalfall bei richtiger Einstellung sofort geschlossen. Durch die mit dem Stellkolben aufgebrachte zusätzliche Vorspannung der Ventilfeder wird die Spindel nach ihrer Freigabe otark beschleunigt. Es erfolgt Schnellschluß. In Ausnahmefällen bzw. bei schlechter Einstellung (der Mediumdruck ist noch zu groß; die Spindel wurde zu früh freigegeben) arbeitet das Ventil bis zum endgültigen Druckabbau als Proportionalventil mit Niederhubverhalten. Die Ansprech- und Schließtoleranzen sind in beiden Fällen sehr gering. Die schlagartige Beschleunigung der Spindel erfolgt im wesentlichen durch den Druck des Mediums auf den Stellkolben. Dadurch kann das Verschlußorgan strömungsgünstig, z. B. als Kugel, ausgebildet werden. Der Ausströmwiderstand wird dadurch stark reduziert.

In einer vorzugsweisen Ausführung ist in der Wand des Stellkolbens ein um eine Achse drehbarer dreihebelartiger Nocken vorgesehen, wobei der innere Hebelarm des Nockens unter einen Anschlag der Spindel greift, der äußere Hebelarm des Nockens einem im Ventilgehäuse angeordneten, in Längsrichtung des Ventilgehäuses einstellbai en Anschlag gegenübersteht und der dritte Hebelarm des Nockens unter der Vorspannung einer Feder am Stellkolben anliegt. (Die Lage der Hebelarme jeweils in der Ruhestellung des Sicherheitsventils gesehen).

Mit dieser Lösung arbeitet das Sicherheitsventil ohne Fremdenergie. Der Anschlag kann in einem relativ weiten Bereich so auf den jeweiligen Verwendungszweck eingestellt werden, daß im wesentlichen Vollhubcharakteristik erreicht wird. Diese Einstellbarkoit wird in einer weiteren vorzugsweisen Ausführung vorteilhaft dadurch unterstützt, daß in dem Ventilgehäuse in der Höhe des Mantels des Stellkolbens wenigstens zwei in Achsrichtung nebeneinander angeordnete Abströmöffnungen vorgesehen sind. Bei einer solchen Ausführung wird mit der Veränderung der axialen Anschlagposition auch zugleich der Abblasquerschnitt verändert.

Mittels eines zum Beispiel elektromagnetisch betätigten Mitnehmers kann die Spindel in Abhängigkeit eines Sensorsignals (Druck, Zeit oder Weg) freigegeben werden. Insbesondere bei einer Steuerung in Abhängigkeit des Druckes wird höchste Genauigkeit und bestes Schließverhalten erreicht. Hierzu ist Fremdenergie erforderlich, allerdings im wesentlichen nur für Steuerungszwecke und nicht zur Einleitung einer Zusatzbelastung.

AusfQhrungsbelsplel

In der Zeichnung ist ein Längsquerschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgeführtes Sicherheitsventil gezeigt. In einem an einer Stirnseite mit einem Grundkörper 11 verschlossenen Ventilgehäuse 12 ist ein Stellkolben 5 längsverschieblich angeordnet. Der Stellkolben 5 ist mit einem Keil 17 gegen Verdrehung gesichert. In einer Mittenbohrung des Stellkolbens 5 ist eine Spindel 8 längsverschieblich geführt. An der anderen Stirnseite des Ventilgehäuses 12 sind ein innerer und ein äußerer Gewindestutzen 9 und 16 eingeschraubt.

In der dem Grundkörper 11 gegenüberliegenden Stirnseite der Spindel 8 !et eine Dichtungskugel 1 befestigt. Sie wird mit einer zwischen der Spindel 8 und dem inneren Gewindestutzen 9 gespannten Ventilfeder 7 gegen den im Grundkörper 11 befindlichen Ventilsitz gepreßt. Die Vorspannung der Ventilfeder 7 ist mit dem inneren und dem äußeren Gewindestutzen 9 und 16 einstellbar.

Zwischen dem Stellkolben 5 und dem äußeren Gewindestutzen 16 ist eine Feder 6 vorgesehen. Ihre Vorspannung ist mit dem äußeren Gewindestutzen 16 einstellbar. Im Ruhezustand preßt die Feder 6 den Stellkolben 5 gegen einen Anschlag am Ventilgehäuse 12 gegenüber dem Grundkörper 11. In dem Ventilgehäuse 12 sind in der Höhe des Stellkolbens 5, radial und axial verteilt, mehrere Abströmöffnungen 2 vorgesehen. Der Stellkolben 5 verschließt in seiner Ruhestellung mit seinem Zylinder bis auf eine Öffnung alle Aiströmöffnungen 2.

In der Wand des Stellkolbens 5 ist ein hebelartiger Nocken 3 gelagert. Er ist um eine Achse 13 drehbar. Die innere Hebelseite des Nockens 3 ragt in den Spindelraum hinein. Ihr gegenüber befindet sich an der Spindel 8 ein Anschlag. Die äußere Hebelseite des Nockens 3 befindet sich in der Nähe des Ventilgehäuses 12. Ihr gegenüber ist ein Anschlag 4 vorgesehen. Der Anschlag 4 ist in das Ventilgehäuse 12 längs eingeschraubt. Sein Abstand zur äußeren Hebelseite des Nockens 3 ist einstellbar. In der Wand des Stellkolbens δ ist ein Stift 14 längsverschiebiich gelagert und mit einer Feder 15 gegen die innere Hebelseite des Nockens vorgespannt. In der Ruhestellung wird dadurch der Nocken mit einem Anschlag gegen die Innenwand eines mit dem Stellkolben verbundenen Ringes gedrückt

Beim Überschreiten des mit der Vorspannung der Ventilfeder β eingestellten Ansprechdruckes hebt die Dichtungskugel 1 vomVentilsitz ab. Das ausströmende Druckmedium erhöht im Raum 10 den Druck und damit die Kraftwirkung auf den Stellkolben 5, so daß sich letzterer gegen die Feder 6 verschiebt. Mit dem Stellkolben 5 bewegt sich ebenfalls der Nocken 3. Er nimmt mit seiner inneren Hebelseite die Spindel 8 mit und erhöht die Spannung in der Ventilfeder 7. Beim Auftreffen der äußeren Hebelseite des Nockens 3 auf den Anschlag 4 wird der Nocken 3 gedreht. Die Spindel 8 wird freigegeben und unter dem Druck der Ventilfeder 7 mit der Dichtungskugel 1 gegen den Ventilsitz gepreßt. Es sind mehrere Abströmöffnungen 2 freigegeben. Der Stellkolben 5 wird mit der Kraft der Feder 6 in seine Ruhestellung bewegt, wobei er das Druckmedium durch die Abströmöffnungen 2 drückt. Der Nocken 3 kippt in seine Ausgangsstellung zurück.

Durch die Bewegung des Stellkolbens 5 bis zum Anschlag 4 zeigt das Sicherheitsventil Hochhubverhalten. Der Hub ist einstellbar und damit (über die Zahl der freigegebenen Abströmöffnungen 2) auch die Öffnungscharakteristik bzw. der maximale Abströmquerschnitt.

Claims (7)

1. Federbelastetes Sicherheitsventil, bestehend aus einem Ventilgehäuse mit Ventilsitz, einer in der Gehäuseachse längsverschieblich geführten Spindel, einem Verschlußorgan und einer Ventilfeder, gekennzeichnet dadurch, daß ein an sich bekannter, mit einer Feder (6) gegen einen Gehäuseanschlag in der Nähe des Ventilsitzes vorgespannter Stellkolben (5) koaxial zur Spindel (8) angeordnet, in seinem Mantel ein steuerbarer Mitnehmer (3) befestigt und die Spindel (8) in der Mittenbohrung des Stellkolbens (5) verschiebbar sowie vom Stellkolben (5) mit dem Mitnehmer (3) gegen die Vorspannung der Ventilfeder (7) bis zu einem vorgegebenen Wert mitnehmbar ist.

2. Federbelastetes Sicherheitsventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spindel (8) bis zu einem einstellbaren Ventilhub mitnehmbar ist.

3. Federbelastetes Sicherheitsventil nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß in der Wand des Stellkolbens (5) ein um eine Achse (13) drehbarer dreihebelartiger Nocken (3) vorgesehen ist, der innere Hebelarm des Nockens (3) unter einen Anschlag der Spindel (8) greift, der äußere Hebelarm des Nockens (3) einem im Ventilgehäuse (12) angeordneten Anschlag (4) gegenübersteht und der dritte Hebelarm des Nockens (3) unter der Vorspannung einer Feder (15) am Stellkolben (5) anliegt (die Stellungen der Hebelarme jeweils in der Ruhestellung des Sicherheitsventils gesehen).

4. Federbelastetes Sicherheitsventil nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Anschlag (4) in Längsrichtung des Ventilgehäuses (12) einstellbar ist.

5. Federbelastetes Sicherheitsventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in dem Ventilgehäuse (12) in der Höhe des Mantels des Stellkolbens (5) wenigstens zwei in Achsrichtung nebeneinander angeordnete Abströmöffnungen (2) vorgesehen sind.

6. Federbelastetes Sicherheitsventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spindel (8)

bis zu einem vorgegebenem Mediumdruck mitnehmbar ist.

7. Federbelastetes Sicherheitsventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spindel (8) bis zu einer vorgegebenen Zeit mitnehmbar ist.