DE10141348A1 - Explosionsschutzventil - Google Patents
ExplosionsschutzventilInfo
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- F16K31/56—Mechanical actuating means without stable intermediate position, e.g. with snap action
Abstract
Das Explosionsschutzventil (1) umfasst eine im Betriebszustand vorgespannte Antriebsfeder (15) und eine Haltevorrichtung (11). Übersteigt oder unterschreitet die von einer Explosion auf den Schließkörper (5) ausgeübte Kraft die durch die Haltevorrichtung festgelegte Kraft, wird die Antriebsfeder (15) ausgelöst. Die Antriebsfeder (15) drückt den Schließkörper (5) gegen ein Dichtelement (9) am Ventilgehäuse (3). In dieser Position wird der Schließkörper (5) verriegelt.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Explosionsschutzventil
zur Entkoppelung von Anlagen- oder Werkteilen gemäss dem
Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 11.
Explosionsschutzventile verhindern das Weiterschreiten von
Druck- oder Sogwellen und Feuerfronten bei Anlagen oder
Werken. Der Einsatzbereich umfasst Anlagen oder Werke, bei
denen explosionsfähige Gemische, wie z. B. Staub-Gas-
Gemische oder hybride Gasgemische, auftreten können.
Beispiele solcher Anlagen oder Werke sind pneumatische
Material- und Staubförderanlagen in Mahlanlagen,
pharmazeutischen oder chemischen Anlagen,
Produktionsanlagen für die Lebensmittelherstellung,
Wirbelschichttrockner, Pulverbeschichtungsanlagen, aber
auch Zu- und Abluftleitungen bei Anlagen, militärischen
Bauten oder Schutzräumen.
Bei normalem Betrieb sind Explosionsschutzventile
geöffnet. Bei einer Explosion entsteht eine Druck- oder
Sogwelle, die in der Regel der Feuerfront vorauseilt.
Trifft eine solche Druck- oder Sogwelle auf das Ventil, so
muss dieses zuverlässig und möglichst verzögerungsfrei
geschlossen werden. Dadurch kann die Weiterausbreitung der
Druck- oder Sogwelle und der Feuerfront verhindert werden.
Explosionsschutzventile können einfach- oder
doppeltwirkend ausgeführt sein, d. h. sie können auf Druck-
oder Sogwellen aus nur einer Richtung oder aus beiden
Richtungen reagieren.
Aus der EP 01 72 364 ist ein Explosionsschutzventil für
Leitungen von Förderanlagen mit Staub-Luft-Gemischen
bekannt, bei dem in einem Gehäuse ein auf einer
Führungstange in Richtung der Gehäuselängsachse
verschiebbarer Ventilkörper gelagert ist, der in der
Betriebslage des Ventils gehalten ist, und bei dem durch
eine bei einer Explosion entstehenden Druckwelle eine
Verschiebung des Ventilkörpers in seine Schliesslage
erfolgt, in der er durch eine Rastvorrichtung gasdicht
gehalten ist, wobei die Führungsstange an dem dem
Ventilkörper abgewandten Ende in einem durch eine Nabe
abgeschlossenen Mantelrohr freitragend gelagert ist und
sich bis in den Bereich des Ventilkörpers erstreckt. In
zwei Lagern an den Enden der Führungsstange wird je eine
Druckfeder abgestützt. Die Druckfedern halten den
Ventilkörper in einer Mittenstellung zwischen zwei
Durchgangsöffnungen im Gehäuse. Durch eine von einer
Explosion ausgelösten Druck- oder Sogwelle wird eine Kraft
auf den Ventilkörper ausgeübt. Dieser Kraft wirkt in
entgegengesetzter Richtung die Kraft einer der Druckfedern
entgegen. Die resultierende Kraft bewirkt eine
Verschiebung des Ventilkörpers. Ist diese Verschiebung
genügend gross, wird der Ventilkörper gegen ein
Dichtelement am Gehäuse gedrückt und in dieser Position
mittels eines Halterings und einer Haltestange gehalten.
Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass die zum
Schliessen des Ventils erforderliche, relativ hohe
Schliessenergie oder -arbeit, die notwendig ist, um die
Kraft der Druckfeder zu überwinden, allein durch die
Druck- oder Sogwelle aufgebracht werden muss. Die Energie
der Druck- oder Sogwelle muss genügend hoch sein, damit
das Ventil geschlossen werden kann. Bei Explosionen mit
geringer Intensität oder sehr kurzen Druckwellenimpulsen
können Ventile der genannten Art nicht mehr zuverlässig
geschlossen werden. Ein weiterer Nachteil des bekannten
Explosionsschutzventils liegt darin, dass sich die beiden
Federkräfte in der Mittelstellung egalisieren und dadurch
im Betriebszustand schon bei einer relativ kleinen
Luftströmung der Schliesskörper, bedingt durch
aerodynamische Gründe, aus der Offenstellung bewegt wird,
wobei unter Umständen das Ventil aufgrund der Luftströmung
geschlossen wird. Um dies zu verhindern, müssen die
Federkräfte entsprechend höher festgelegt werden, womit
als Folge auch der minimal notwendige Druck zum Schliessen
des Ventils höher sein muss und damit die Sicherheit eines
einwandfreien Verschlusses bei einer Explosion
beeinträchtigt wird. Anstelle rein mechanischer Ventile
können bei schwachen Explosionen auch sensorgesteuerte
elektronische Systeme eingesetzt werden, die allerdings
sehr aufwendig und teuer sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
kostengünstiges, mechanisch auslösbares
Explosionsschutzventil zu schaffen, das auch bei Druck-
oder Sogwellen mit kurzer Dauer oder kleiner Energie
zuverlässig schliesst.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Explosionsschutzventil
gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 11.
Das erfindungsgemässe Explosionsschutzventil wird bereits
durch eine kleine Schliessenergie, d. h. durch eine geringe
einseitige Druckerhöhung im Leitungssystem geschlossen.
Dies ermöglicht es, insbesondere nicht nur bei schwachen
Explosionen, sondern auch bei solchen mit sehr kurzen
Druck- oder Sogimpulsen, den Verschluss des Ventils sicher
auszulösen. Damit können mit dem neuen Ventil aufwendige
und teure Schliesssysteme, welche vorwiegend mit
elektronischer Auswerte- und Ansteuerungselektronik
aktiviert werden, ersetzt werden. Das Ventil kann im
Betriebszustand mit höheren Luftgeschwindigkeiten als bei
vergleichbaren Ventilen betrieben werden. Durch das
Festlegen der Offenstellung mittels des Haltemechanismus,
der unabhängig vom Schliessmechanismus sein kann, können
generell höhere Luftgeschwindigkeiten im Leitungssystem
realisiert werden. Die Funktionssicherheit des Ventils ist
jederzeit wesentlich besser als bei herkömmlichen
Systemen, da die erforderliche Energie zum Schliessen des
Ventils kleiner ist und/oder der Schliessvorgang durch den
Haltemechanismus nicht oder nur unwesentlich beeinflusst
wird. Ein Rückhaltemechanismus, der das geschlossene
Ventil geschlossen hält, kann in seiner Wirkung ebenfalls
weitgehend unabhängig vom Haltemechanismus eingestellt
werden, selbst dann, wenn Halte- und Rückhaltefunktion
durch einen kostengünstig herstellbaren kombinierten
Auslöse- und Rückhaltemechanismus erfolgen. Aufgabe des
Haltemechanismus ist es dabei, ein unerwünschtes Schliessen
des Ventils bei normalen Luftströmungen zu verhindern. Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung des Ventils ist die
Haltekraft des Haltemechanismus einstellbar. Der
erfindungsgemässe Rückhaltemechanismus mit einer
stufenlosen Verriegelung bewirkt ein sicheres Schliessen
des Ventils bei kleiner Auslöse- und grosser
Verriegelungskraft. Ausserdem ist kein aufwendiges
Einstellen des Ventils bei der Montage oder Inbetriebnahme
erforderlich. Insbesondere ist keine Einstellung des
Schliessspaltes erforderlich. Mit dem erfindungsgemässen
Ventil sind zudem kleinere Schliesszeiten möglich, was
eine Montage des Ventils näher zum Explosionsort als
bisher erlaubt.
Anhand von Figuren werden mehrere beispielhafte
Ausführungsformen des erfindungsgemässen
Explosionsschutzventils und deren Funktionsweise genauer
beschrieben. Dabei zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
Längsschnittes durch ein offenes
doppeltwirkendes Ventil,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines
Längsschnittes durch das geschlossene
Ventil,
Fig. 3 eine Detailansicht eines Längsschnittes des
geschlossenen Ventils auf der der Explosion
abgewandten Seite,
Fig. 4 eine Detailansicht eines Längsschnittes des
geschlossenen Ventils auf der der Explosion
zugewandten Seite,
Fig. 5 eine Detailansicht eines Längsschnittes des
geöffneten Ventils im Bereich des Antriebs-
und Auslösemechanismus,
Fig. 6 einen Querschnitt durch den
Antriebsmechanismus des Ventils (Ventil
offen) längs Linie VI-VI in Fig. 1,
Fig. 7 einen Querschnitt durch den
Antriebsmechanismus des Ventils (Ventil zu)
längs Linie VII-VII in Fig. 2,
Fig. 8 einen Querschnitt durch ein weiteres
doppeltwirkendes Ventil in offener Stellung
mit mittiger Anordnung der Antriebsfeder,
Fig. 9 ein Kraft-Weg-Diagramm,
Fig. 10 Isometrische Schnittansicht entlang der
Längsachse des Ventils aus Fig. 1,
Fig. 11 einen Längsschnitt durch ein Ventil ohne
Führungsstange im offenen Zustand,
Fig. 12 eine Detailansicht eines Längsschnittes des
Antriebs- und des Auslösemechanismus des in
Fig. 11 dargestellten Ventils,
Fig. 13 das Ventil aus Fig. 11 in geschlossenem
Zustand in einem Längsschnitt,
Fig. 14 einen Längsschnitt durch ein einseitig
wirkendes Ventil mit kombiniertem Auslöse-
und Rückhaltemechanismus in offenem Zustand,
Fig. 15 einen Längsschnitt durch das in Fig. 14
dargestellte Ventil in geschlossenem
Zustand,
Fig. 16 einen Längsschnitt des kombinierten Auslöse-
und Rückhaltemechanismus bei geöffnetem
Ventil,
Fig. 17 einen Längsschnitt des kombinierten Auslöse-
und Rückhaltemechanismus bei geschlossenem
Ventil,
Fig. 18 einen Längsschnitt durch einen weiteren
kombinierten Auslöse- und
Rückhaltemechanismus.
Der in Fig. 1 dargestellte Längsschnitt durch eine erste
Ausführungsform des erfindungsgemässen
Explosionsschutzventils, fortan Ventil 1 genannt, zeigt
ein zweiteiliges Ventilgehäuse 3 mit den Gehäusehälften 3'
und 3'', in dem ein Schliesskörper 5 an einer
Führungsstange 7 axial geführt ist. Das Ventil 1 ist ein
doppeltwirkendes Ventil 1, d. h. es kann durch eine Druck-
oder durch eine Sogwelle, die durch eine Explosion im
Leitungssystem auf der einen oder anderen Seite des
Ventils 1 auftreten kann, geschlossen werden. Im normalen
Betriebszustand ist das Ventil 1 offen (Fig. 1). Tritt
aufgrund einer Druck- oder Sogwelle ein Ausnahmezustand
ein, so wird das Ventil 1 geschlossen, wie dies in Fig. 2
dargestellt ist.
Der Schliessvorgang wird im folgenden genauer beschrieben.
Aufgrund der Druck- oder Sogwelle wird eine Kraft, die in
Fig. 2 mit dem mit "F" bezeichneten Pfeil dargestellt
ist, auf den Schliesskörper 5 ausgeübt. Bis zu einem durch
eine Haltevorrichtung 11 festlegbaren Druck p0 der Druck-
oder Sogwelle setzt die Haltevorrichtung 11 der auf den
Schliesskörper 5 wirkenden Kraft F eine Gegenkraft
entgegen. Die Haltevorrichtung 11 wird später beschrieben.
Der Schliesskörper 5 kann sich, gehalten durch die
Haltevorrichtung 11, nicht oder nur wenig entlang der
Führungsstange 7 in Richtung der Kraftwirkung bewegen.
Übersteigt oder unterschreitet die Kraft F der Druck- oder
Sogwelle den durch die Haltekraft der Haltevorrichtung 11
festgelegten Nenn-Druck p0, so tritt ein Ausnahmezustand
ein. Die Gegenkraft der Haltevorrichtung 11 wird
überwunden und bricht kurz nachher zusammen. Aufgrund der
von der Druck- oder Sogwelle einseitig auf den
Schliesskörper 5 ausgeübten Kraft F bewegt sich der
Schliesskörper 5 entlang der Führungsstange 7. Sobald sich
der Schliesskörper 5 um eine kurze Distanz aus der
vorherigen Betriebslage entfernt hat, wird ein
Antriebsmechanismus 13 mit einer im Betriebszustand
vorgespannten Antriebsfeder 15 ausgelöst. Diese
Antriebsfeder 15 wird bei Normalbetrieb auf der einen, dem
Schliesskörper 5 abgewandten Seite mittels einer
Begrenzungsvorrichtung 17, beispielsweise einem Halte-
oder Sicherungsring an der Führungsstange 7 (keine
Abbildung) oder direkt an einer Aufhäng- und
Befestigungsvorrichtung für die Führungsstange 7
festgehalten. Auf der anderen Seite der Antriebsfeder 15
greift im normalen Betriebszustand ein Rollenmechanismus
mit mindestens einer Rolle oder Kugel 21, vorzugsweise
einem Rollenkäfig 27 mit einer Mehrzahl von Rollen oder
Kugeln 21, in eine umlaufende Kerbe oder Rille 23 an der
Führungsstange 7 ein und wird dort von einer
aussenliegenden, die Führungsstange 7 umschliessenden und
mit dem Schliesskörper 5 in Wirkverbindung stehenden Hülse
25 in ihrer Position festgehalten. Fig. 5 zeigt diesen
Zustand im Detail. Die Hülse 25 weist einen ersten Teil A
mit einem kleineren Innendurchmesser d1 und einen zweiten
Teil B mit einem grösseren Innendurchmesser d2 auf. Im
normalen Betriebszustand liegt der erste Teil A der Hülse
25 über den Kugeln 21, die sich in der umlaufenden Kerbe
23 der Führungsstange 7 befinden (Fig. 3/5). Der
Innendurchmesser d1 der Hülse 25 ist so bemessen, dass die
Kugeln 21 in der Kerbe 23 der Führungsstange 7 gehalten
sind und sich nicht aus dieser Position entfernen können.
Die Hülse 25 ist durch ein Rohr 25' mit dem Schliesskörper
5 verbunden.
Im Ausnahmezustand wird der Schliesskörper 5 zusammen mit
dem Rohr 25' und der Hülse in Richtung der Kraft F entlang
der Führungsstange 7 verschoben. Sobald sich der Teil B
der Hülse 25 mit dem grösseren Innendurchmesser d2 über
die Kugeln 21 schiebt, springen diese, getrieben durch die
Kraft der Antriebsfeder 15 und die in Bezug zur
Achsrichtung der Führungsstange 7 angewinkelte Flanke der
Kerbe 23, aus der Kerbe 23 der Führungsstange 7, wie dies
in Fig. 4 dargestellt ist. Der Innendurchmesser d2 der
Hülse 25 im Bereich "B" ist so bemessen, dass die Kugeln
21 zwischen der Hülsenwand und der Führungsstange 7 Platz
finden. Die Antriebsfeder 15 drückt den Käfig 27 mit den
Kugeln 21 gegen einen Absatz 29 zwischen dem ersten Teil A
und dem zweiten Teil B der Hülse 25. Dadurch wird die
Hülse 25 und der mit ihr verbundene Schliesskörper 5 in
Achsrichtung der Führungsstange 7 verschoben und mit
grosser Kraft der Antriebsfeder 15 gegen das Dichtelement
9 an der Gehäusewand gedrückt (Fig. 2). In dieser Position
kann der Schliesskörper 5 durch einen verrastenden oder
klemmenden Rückhaltemechanismus 33 festgehalten werden
(ersichtlich aus den Fig. 14 bis 18).
Zum besseren Verständnis der Ausgestaltung und der
Funktionsweise der Auslöse- oder Haltevorrichtung 11 für
den Schliesskörper 5 ist in den Fig. 1 bis 5 eine
beispielhafte Ausführungsform schematisch dargestellt. An
einem die Führungsstange 7 umschliessenden Schutzrohr 34
mit Dichtlippen 36, ist ein Federgehäuse 35 befestigt.
Eine Haltekugel 31 wird von einer Haltefeder 37 so gegen
den Rand einer Öffnung 38 des Federgehäuses 35 gedrückt,
dass die Haltekugel 31 aus dem Federgehäuse 35 ins
Rohrinnere hervorsteht, aber nicht vollständig
herausspringen kann. Alternativ zur Haltekugel 31 könnte
auch ein anderes Haltemittel 12 wie beispielsweise eine
Halterolle oder ein Haltebügel oder ein kombinierter
Auslöse- und Rückhaltemechanismus eingesetzt sein. Im
Haltezustand, d. h. bei offenem Ventil 1, liegt die
Haltekugel 31 am konisch auslaufenden Ende der Hülse 25
an. Zum Verschieben der Hülse 25 entlang der
Führungsstange 7 muss folglich eine genügend hohe Kraft F
durch eine Explosion aufgebracht werden, um die Haltekugel
31 auf den grössten Aussendurchmesser der Hülse 25
anzuheben. Selbstverständlich kann die Haltevorrichtung 11
auch auf andere Art realisiert werden. So könnte
beispielsweise das Federgehäuse 35 nicht im Bereich über
den Hülsen 25, sondern am Schliesskörper 5 angeordnet sein
(keine Abbildung). Die Haltevorrichtung 11 steht jeweils
einerseits in Wirkverbindung mit dem Schliesskörper 5
und/oder der Hülse 25 und/oder dem Rohr 25' und
andererseits in Wirkverbindung mit einem relativ zum
Ventilgehäuse 3 fest einstellbaren oder nicht beweglichen
Teil des Ventils 1, also beispielsweise der Führungsstange
7 oder dem Schutzrohr 34. Bei einer speziellen
Ausgestaltung des Ventils 1 kann der Auslöse- oder
Haltemechanismus 11 im Normalbetrieb indirekt über die
Hülse 25 und/oder das Rohr 25' dauernd in Wirkverbindung
mit dem Antriebsmechanismus 13 stehen.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 8 erfolgt der Antrieb
zum Schliessen des Schliesskörpers 5 durch eine zentral
angeordnete Antriebsfeder 15. Diese ist zwischen den
Rollenkäfigen 27 mit den beiden Hülsen 25 vorgespannt
gehalten. Alternativ könnten auch zwei in Serie liegende
Federn 15 auf der Führungsstange 7 angeordnet sein,
zwischen denen ein an der Führungsstange 7 befestigter
Stopper- oder Sicherheitsring eingesetzt ist. Durch
Verwendung von zwei Federn 15 unterschiedlicher Länge oder
Federcharakteristiken oder durch nicht mittige Anordnung
des Sicherungsringes können die Schliesskräfte nach links
oder rechts, bzw. nach oben oder unten bei vertikaler
Anordnung des Ventils 1 unterschiedlich gross sein.
Die Auslösung bzw. Aktivierung der Antriebsfeder 15
erfolgt in gleicher Weise wie im Beispiel gemäss den
Fig. 1 bis 7, indem die Kugel 31 der Haltevorrichtung
11 durch die Kraft F auf den Schliesskörper soweit
angehoben wird, bis sie auf den zylindrischen
Mantelflächenabschnitt 40 der Hülse 25 zu liegen kommt und
dadurch eine reibungsarme Verschiebung des Schliesskörpers
5 in Richtung der Kraft F möglich wird. Nach Zurücklegen
eines Weges von der Länge x (s1- s0) springen die Kugeln 21
des Kugelkäfigs 27 aus der Rille 23. Dadurch wird die
axiale Haltekraft der Antriebsfeder 15 auf der rechten
Seite in Fig. 8 aufgehoben und der Schliesskörper 5 nach
rechts in die Schliessstellung geführt.
Fig. 9 illustriert die vorteilhafte Wirkung des
erfindungsgemässen Ventils 1 hinsichtlich der durch die
Druck- oder Sogwelle aufzubringenden Schliessenergie oder
zu leistenden Schliessarbeit. Auf der Ordinate ist die
erforderliche Krafteinwirkung auf den Schliesskörper 5
dargestellt, um den Schliesskörper 5 an der auf der
Abszisse eingetragenen Position weiterzubewegen. Ausgehend
von der Mittenstellung (Offenstellung), die mit s0
angegeben ist, ist eine Kraft F1 erforderlich, um den
Schliesskörper 5 aus seiner Ruheposition fortzubewegen.
Wird die Kraft F weiter erhöht, so wird die Haltekugel 31,
wie bereits zu Fig. 8 beschrieben, nach und nach gegen
die Kraft der Haltefeder 37 in das Federgehäuse 35
gedrückt, bis die Haltekugel 31 beim Erreichen der Kraft
F2 den Schliesskörper 5 für die Schliessbewegung freigibt.
Der Schliesskörper 5 steht zu diesem Zeitpunkt an der
Position s1. Ungefähr zum gleichen Zeitpunkt wirkt die
Kraft der Antriebsfeder 15 und es ist kein zusätzlicher
Kraftaufwand (durch die Druckwelle der Explosion) mehr
erforderlich, um den Schliesskörper 5 in seine
Schliessposition s2 zu bringen. Die durch die Druck- oder
Sogwelle zu leistende geringe Schliessarbeit ist durch die
schraffierte Fläche a dargestellt. Die von der
Antriebsfeder 15 erbrachte Schliessarbeit ist in Fig. 9
durch die Fläche b dargestellt.
Die Schliesskraft kann durch entsprechende Dimensionierung
der Antriebsfeder 15 an die Gegebenheiten angepasst
werden. Ebenso kann durch geeignete Wahl der Federn 37 in
der Haltevorrichtung 11 der Auslösezeitpunkt für das
Schliessen des Ventils festgelegt werden. Ist das Ventil
vertikal eingebaut, d. h. liegt die Achse der
Führungsstange 7 vertikal, so kann es sich als vorteilhaft
erweisen, wenn zum Ausgleich der Masse des Schliesskörpers
5, die Feder 37 in der obenliegenden Haltevorrichtung 11
eine geringere Haltekraft aufweist als die unten
angeordnete. Es wäre sogar denkbar, am obenliegenden
Ausgang des Ventils keine Haltefeder anzubringen und
einzig die Masse des Ventilkörpers 5 der auf den
Ventilkörper wirkenden Kraft durch die Strömung
entgegenzusetzen.
Bei einer weiteren Variante des Ventils 1 in einseitig
schliessender Ausführung kann im beschriebenen
Antriebsmechanismus 13 eine Antriebsfeder 15 eingesetzt
sein, die dauernd eine Antriebskraft auf den
Schliesskörper 5 oder das Rohr 25' oder die Hülse 25
ausübt. Kugel oder Rollen 21, Rollenkäfig 27 und Kerbe 23
können bei dieser Variante des Ventils 1 fehlen. Die
Haltefeder 37 ist bei diesem Ventil 1 so ausgebildet, dass
sie dieser Antriebskraft eine etwas grössere Haltekraft
entgegenstellt. Die Bewegungsfreiheit der Haltefeder 37
und/oder des Schliesskörpers 5 ist durch geeignete Mittel
beschränkt, beispielsweise durch das Federgehäuse 35 oder
einen anderen mechanischen Anschlag 42. Ein solcher
Anschlag 42, an dem die Hülse 25 ansteht, ist aus Fig. 14
ersichtlich. Im Normalbetrieb kann somit keine weitere
Verschiebung des Schliesskörpers 5 entgegen der
Schliessrichtung erfolgen. Die Haltefeder 37 kann, wie in
den Fig. 1 bis 5 gezeigt radial zur Schliessachse
stehen. Schliessachse und Haltefeder 37 können beliebige
Winkel einschliessen. Haltefeder 37 und Schliessfeder 15
können beispielsweise koaxial angeordnet sein.
Zur Veranschaulichung der Erfindung ist in Fig. 10 das
doppelt wirkende Explosionsschutzventil aus Fig. 1 in
isometrischer Schnittansicht entlang der Längsachse des
Ventils 1 dargestellt.
Alternativ zu den vorgängig beschriebenen Ausgestaltungen
könnten bei einer weiteren Ausführungsform des Ventils 1
anstelle der Führungsstange 7 auch die Schutzrohre 34 zum
Führen des Schliesskörpers 5 eingesetzt werden, wie dies
in den Fig. 11 bis 13 dargestellt ist. Dabei zeigen die
Fig. 11 und 13 je einen Längsschnitt durch das Ventil 1
in geöffnetem und geschlossenem Zustand. Fig. 12 zeigt
ein Detail im Bereich der Haltevorrichtung 11 und des
Antriebsmechanismus 13. Der Schliesskörper 5 ist mittels
seitlich am Schliesskörper 5 angebrachter, koaxial
liegender Stangen oder Rohre 25' an Gleitlagern 41
gelagert und geführt. Die Gleitlager 41 sind an den
Innenseiten der Schutzrohre 34 angeordnet.
Selbstverständlich können die Stangen oder Rohre 25'
und/oder die Hülsen 25 auch direkt am Schliesskörper 5
angeformt sein.
Für den Fachmann ist es ohne weiteres ersichtlich, dass
die Hülsen 25, die bei dieser Ausgestaltung des Ventils 1
am Ende der Stangen oder Rohre 25' befestigt sind, auch
Zapfen oder Endstücke sein können.
Die Fig. 14 und 15 zeigen je einen Längsschnitt durch
ein einseitig schliessendes Ventil 1 im offenen bzw.
geschlossenen Zustand. Auf der einen, dem Dichtelement 9
entgegengesetzten Seite ist die vorgespannte Antriebsfeder
15 des Antriebsmechanismus 13 erkennbar. Aufbau und
Wirkung des Antriebsmechanismus 13 sind an vorhergehend im
Zusammenhang mit den Erläuterungen zu den Fig. 1 und 2
schon beschrieben. Auf der anderen Seite des Ventils 1
sind die Haltevorrichtung 11 und der Rückhaltemechanismus
33 angeordnet. Zusätzlich umfasst das Ventil 1 ein
Sensorelement 43 zum Erkennen des Ventilzustandes,
beispielsweise einen federbelasteten Stift, der bei
geschlossenem Ventil 1 einen Schalter betätigen kann.
Die Fig. 16 und 17 zeigen die Haltevorrichtung 11 und
den Rückhaltemechanismus 33 bei offenem bzw. geschlossenem
Ventil 1 im Detail. Aufgrund des Aussendurchmesser-Profils
in axialer Richtung können die Hülsen 25, ausgehend vom
Hülsenende, das am nächsten beim Schliesskörper 5 liegt,
in verschiedene Bereiche K1 bis K4 aufgeteilt werden. Im
ersten Bereich K1 nimmt der Durchmesser stark zu. Der
Konizitätswinkel β1 der Kegelmantelfläche 45 bezüglich der
Hülsenachse X beträgt beispielsweise etwa 15°. Diese
Fläche kann zur Beeinflussung eines Sensors oder Schalters
genutzt werden. Mit einem Konizitätswinkel β2 von etwa
1.5° ist die Konizität im Bereich K2 wesentlich flacher.
Die Mantelfläche im Bereich K2 wird zur formschlüssigen
Verriegelung genutzt. Im Bereich K3 ist die Mantelfläche
45 ungefähr zylindrisch. Der Konizitätswinkel β3 ist also
etwa 0°. Im Bereich K4 verringert sich der
Aussendurchmesser mit einem Winkel β4 von nahezu -90°
wieder ab.
Ein Endstück oder Endrohr 47 umschliesst das Schutzrohr 34
im dem Schliesskörper 5 abgewandten Endbereich 49 des
Ventils 1. Das Endrohr 47 ist am Ventilgehäuse 3
befestigt. Ein Klemmring 51, der ein erstes Rückhalteteil
52 ist, ist innerhalb des Endrohres 47 am näher beim
Schliesskörper 5 gelegenen Ende gehalten. Der Klemmring 51
umschliesst das Schutzrohr 34 und hat eine konische
Innenfläche 53, die in Bezug zur Schutzrohrachse Y unter
einem Winkel α von beispielsweise 8° geneigt ist. Die
konische Innenfläche 53 des Klemmrings 51 berührt aussen
eine oder mehrere Haltekugeln 31. Nach innen sind die
Haltekugeln 31 durch Schlitze 55 im Schutzrohr 34 gegen
das Herausfallen gesichert. Die Schlitze 55 sind länglich
oval mit einer konischen oder radialen Randfläche
ausgebildet und parallel zur Schutzrohrachse Y
ausgerichtet. Zwischen den Haltekugeln 31 und einem
Stellring 57 oder der Begrenzungsvorrichtung 17 ist die
Haltefeder 37 eingespannt. Stellring 57 und Haltefeder 37
sind im Zwischenraum zwischen dem Schutzrohr 34 und dem
Endrohr 47 angeordnet. Der Stellring 57 ist mittels einer
(nicht dargestellten) Stellschraube in axialer Richtung
verschiebbar und dadurch in unterschiedlichen Positionen
fest einstellbar. Die Spannung der Haltefeder 37 und die
Haltekraft können so entsprechend den erwarteten
Einsatzbedingungen fest eingestellt werden.
Im Normalbetrieb, solange keine Druck- oder Sogwelle einer
Explosion auf den Schliesskörper 5 auftrifft, werden die
Haltekugeln 31 durch die Haltefeder 37 oder einen mit der
Haltefeder 37 in Wirkverbindung stehenden Haltering 59
gegen das näher beim Schliesskörper 5 liegende Längsende
des Schlitzes 55 und gegen die Innenfläche 53 des
Klemmrings 51 gedrückt. Aufgrund der wirkenden Kraft beim
Auftreffen einer Explosions-Druck- oder Sogwelle auf den
Schliesskörper 5 übt die Hülse 25, die ein zweites
Rückhalteteil 54 ist, im Bereich K4 eine Gegenkraft zur
Kraft der Haltefeder 37 und der Reibungskraft der
Haltekugeln 31 mit dem Klemmring 51 aus. Ist diese
Gegenkraft genügend gross, so kann die Hülse 25 die
Haltekugeln 31 entgegen der Kraft der Haltefeder 37 in
axialer Richtung verschieben. Aufgrund der Konizität der
Innenfläche 53 des Klemmrings 51 verschieben sich dabei
die Haltekugeln 31 auch radial nach aussen. Beim
Überschreiten einer durch die Haltefeder 37 mittels des
Stellrings 57 festgelegten Grenzkraft sind die Haltekugeln
31 in radialer Richtung soweit nach aussen gedrückt, dass
die Hülse 25 auch im Bereich K3 mit dem grössten
Aussendurchmesser die Stelle mit dem Klemmring 51 und den
Haltekugeln 31 in axialer Richtung ungehindert passieren
kann.
Beim weiteren Verschieben der aus dem Schliesskörper 5,
den Rohren 25' und den Hülsen 25 gebildeten Einheit -
diese wird fortan als Schliesseinheit bezeichnet - wird
der Antriebsmechanismus 13 aktiviert. Die erforderliche
Schliessenergie oder -arbeit ist im Vergleich zu
herkömmlichen Explosionsschutzventilen gering, da nur die
Kraft der Haltevorrichtung 11 überwunden werden muss. Oft
genügt deshalb die Energie der Explosion zum Schliessen
des Ventils 1, sodass ein aktiver Antriebsmechanismus 13
in diesen Fällen nicht erforderlich ist.
Beim weiteren Bewegen der Schliesseinheit in axialer
Richtung verringert sich der Aussendurchmesser der Hülse
25 im Bereich K2. Aufgrund der Kraft der Haltefeder 37 und
des grösser werdenden Abstandes zwischen Hülse 25 und
Klemmring 51 an der Stelle der Haltekugeln 31 werden die
Haltekugeln 31 sowohl in axialer Richtung entgegen der
Bewegung der Schliesseinheit als auch in radialer Richtung
nach innen verschoben. Sobald die Haltekugeln 31 im
Bereich K2 zwischen dem aussenliegenden Konus der Hülse 25
mit Konizitätswinkel β2 und dem innenliegenden Konus des
Klemmrings 51 mit Konizitätswinkel α sind, werden die
Haltekugeln 31 bei einer Kraft entgegen der
Schliessbewegung zwischen den beiden konischen Flächen
festgeklemmt. Aufgrund dieser formschlüssigen Verklemmung
oder Verkeilung der Haltekugeln 31 ist eine Bewegung der
Schliesseinheit entgegen der Schliessbewegung nicht mehr
möglich. Eine formschlüssige Verbindung zwischen der Hülse
25 und dem Klemmring 51 liesse sich alternativ auch mit
anders ausgestalteten Hülsen 25 und/oder Klemmringen 51
erreichen, beispielsweise mit einem Winkel β2 von etwa 90°
im Bereich K2. Beim Erreichen der Schliessposition werden
in diesem Fall die Haltekugeln 31 unter der Schubkraft der
Haltefeder 37 in ihre ursprüngliche Ruheposition am einen
Längsende des Schlitzes 55 zurückgedrängt. Dabei führt die
Schliesseinheit ebenfalls eine kleine Bewegung entgegen
der Schliessrichtung aus, die jedoch auf die Dichtigkeit
des Ventils 1 keinen Einfluss hat. Die Bewegungsfreiheit
der Haltekugeln 31 in radialer Richtung wird in dieser
Lage durch den kleineren Innendurchmesser des Klemmrings
51 so eingeschränkt, dass sich die Hülse 25 nicht mehr
weiter entgegen der Schliessrichtung verschieben kann.
Ist das Ventil 1 geschlossen und verriegelt, kann es über
einen zusätzlichen Entriegelungsmechanismus 60 wieder in
den ursprünglichen Normalzustand gebracht werden. Ein
solcher Entriegelungsmechanismus 60 umfasst beispielsweise
einen Entriegelungshebel 61, bei dessen Betätigung die
Haltekugeln 31 entgegen der Kraft der Haltefeder 37 aus
den Konussen hinausgedrückt werden. Dadurch wird der
grösste Durchmesser der Hülse 25 im Bereich K3 freigängig
und die Schliesseinheit kann wieder in die ursprüngliche
Arbeitsposition zurückverschoben werden.
Selbstverständlich könnte die formschlüssige Verbindung
zwischen den Haltekugeln 31 und der Hülse 25 einerseits
und dem Klemmring 51 andererseits auch auf andere Weise
gelöst werden. Beispielsweise kann der Klemmring 51 mit
dem Entriegelungshebel 61 gelöst und in axialer Richtung
entgegen der Schliessrichtung bewegt werden. Die
Wiederherstellung des ursprünglichen Ventilzustandes kann
durch Öffnen einer Kontrollöffnung (in den Figuren nicht
dargestellt) am Ventilgehäuse 3 und manuelles Verschieben
des Schliesskörpers 5 zurück in seine ursprüngliche
Position erfolgen.
Alternativ zum vorhergehend beschriebenen Beispiel kann
auch der Rückhaltemechanismus 33 anders ausgestaltet sein.
Insbesondere kann der Rückhaltemechanismus 33 eine
aussenliegende Hülse 25 mit einer konischen Fläche
(Konizitätswinkel β2) auf der Innenseite und einen
innenliegenden Klemmring 51 oder ein innenliegendes
Klemmstück mit konischer Fläche auf der Aussenseite
(Konizitätswinkel α) umfassen, beispielsweise einen
Abschnitt der Führungsstange 7, wie dies in Fig. 18
skizziert ist.
Im weiteren wird darauf hingewiesen, dass bei weiteren
Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Ventils 1 anstelle
von mechanischen Federn alternativ auch pneumatische oder
hydraulische Federn eingesetzt werden können.
Antriebsmechanismus 13, Haltevorrichtung 11 und
Rückhaltemechanismus 33 können demzufolge anstelle von
Antriebsfedern 15 und Haltefedern 37 z. B. Federn mit
Druckluftkammern umfassen.
Claims (16)
1. Explosionsschutzventil (1) zur Entkoppelung von
Anlagen- oder Werkteilen, mit einem in einem
Ventilgehäuse (3) an einer Führungsstange (7) oder
einem Rohr oder Schutzrohr (34) axial verschiebbar
gelagerten Schliesskörper (5), der im Betriebszustand
so im Ventilgehäuse (3) positioniert ist, dass das
Explosionsschutzventil (1) geöffnet ist, und der beim
Eintreten eines Ausnahmezustandes, der durch das Über-
oder Unterschreiten eines durch eine Haltevorrichtung
(11) festlegbaren minimalen Druckes einer Druck- oder
Sogwelle definiert ist, in mindestens einer
Bewegungsrichtung aus einer Betriebslage in eine
Schliesslage verschiebbar ist, in der der
Schliesskörper (5) dichtend an einem an der Innenseite
des Ventilgehäuses (3) angebrachten Dichtelement (9)
anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Antriebsmechanismus (13) zum axialen Verschieben des
Schliesskörpers (5) aus der Betriebslage in die
Schliesslage beim Über- oder Unterschreiten des durch
die Haltevorrichtung (11) festgelegten Betriebsdruckes
aktivierbar ist.
2. Explosionsschutzventil nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Antriebsmechanismus (13) eine
Führungsstange (7) und mindestens eine die
Führungsstange (7) umschliessende Antriebsfeder (15)
beinhaltet, die im Betriebszustand vorgespannt ist,
indem das eine Ende über eine Begrenzungsvorrichtung
(17) mit der Führungsstange (7) verbunden ist, und
indem ein mit dem anderen Ende in Verbindung stehender
Rollenmechanismus mit mindestens einer Rolle oder Kugel
(21) in eine Kerbe (23) an der Führungsstange (7)
eingreift, wobei die Rolle oder Kugel (21) im
Betriebszustand durch eine aussenliegende Hülse (25)
oder den Schliesskörper (5) in ihrer Position gehalten
wird.
3. Explosionsschutzventil nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Antriebsfeder (15) zwischen
zwei spiegelbildlich auf der Führungsstange (7)
angeordneten Hülsen (25) eingespannt ist.
4. Explosionsschutzventil nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Antriebsmechanismus (13)
mindestens ein Rohr oder Schutzrohr (34) und eine von
diesem Schutzrohr (34) umschlossene Antriebsfeder (15)
beinhaltet, die im Betriebszustand vorgespannt ist,
indem das eine Ende über eine Begrenzungsvorrichtung
(17) mit dem Schutzrohr (34) verbunden ist, und indem
ein mit dem anderen Ende in Verbindung stehender
Rollenmechanismus mit mindestens einer Rolle oder Kugel
(21) in eine Kerbe (23) am Schutzrohr (34) eingreift,
wobei die Rolle oder Kugel (21) im Betriebszustand
durch eine innenliegende Hülse (25) oder den
Schliesskörper (5) in ihrer Position gehalten wird.
5. Explosionsschutzventil nach einem der Ansprüche 2 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (25) in
Wirkverbindung mit dem Schliesskörper (5) steht, und
dass eine auf die Hülse (25) wirkende Kraft auf den
Schliesskörper (5) übertragbar ist.
6. Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche 2,
3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (25)
die Führungsstange (7) umschliesst und mindestens einen
ersten Teil (A) mit einem ersten Innendurchmesser (d1)
und mindestens einen zweiten Teil (B) mit einem zweiten
Innendurchmesser (d2)umfasst, wobei der erste
Innendurchmesser (d1) kleiner ist als der zweite
Innendurchmesser (d2), dass die Hülse (25) im Bereich
des ersten Teils (A) und des zweiten Teils (B) über den
mit mindestens einer Rolle oder Kugel (21) in die Kerbe
(23) an der Führungsstange (7) eingreifenden
Rollenmechanismus verschiebbar ist, dass die Hülse (25)
im Bereich des ersten Teils (A) über den mit mindestens
einer Rolle oder Kugel (21) die Führungsstange (7)
ausserhalb der Kerbe (23) berührenden Rollenmechanismus
nicht verschiebbar ist und dass die Hülse (25) im
Bereich des zweiten Teils (B) über den mit mindestens
einer Rolle oder Kugel (21) die Führungsstange (7)
ausserhalb der Kerbe (23) berührenden Rollenmechanismus
verschiebbar ist.
7. Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche 4
oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (25) vom
Schutzrohr (34) umschlossen ist und mindestens einen
ersten Teil (A) mit einem ersten Aussendurchmesser d1
und mindestens einen zweiten Teil (B) mit einem zweiten
Aussendurchmesser (d2) umfasst, wobei der erste
Aussendurchmesser (d1) grösser ist als der zweite
Aussendurchmesser (d2), dass die Hülse (25) im Bereich
des ersten Teils (A) und des zweiten Teils (B)
innerhalb des mit mindestens einer Rolle oder Kugel
(21) in die Kerbe (23) am Schutzrohr (34) eingreifenden
Rollenmechanismus in axialer Richtung verschiebbar ist,
dass die Hülse (25) im Bereich des ersten Teils (A)
innerhalb des mit mindestens einer Rolle oder Kugel
(21) das Schutzrohr (34) ausserhalb der Kerbe (23)
berührenden Rollenmechanismus nicht verschiebbar ist,
und dass die Hülse (25) im Bereich des zweiten Teils
(B) innerhalb des mit mindestens einer Rolle oder Kugel
(21) das Schutzrohr (34) ausserhalb der Kerbe (23)
berührenden Rollenmechanismus in axialer Richtung
verschiebbar ist.
8. Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche 2
bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Rollenmechanismus einen Rollenkäfig (27) umfasst, der
eine Mehrzahl von Rollen oder Kugeln (21) am Umfang
verteilt führt.
9. Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche 1
bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung
(11) einerseits in Wirkverbindung mit dem
Schliesskörper (5) und/oder der Hülse (25) und
andererseits in Wirkverbindung mit einem relativ zum
Ventilgehäuse (3) fest einstellbaren oder nicht
beweglichen Teil des Explosionsschutzventils (1) steht
und mindestens ein federbelastetes Haltemittel 12
umfasst, wobei im Betriebszustand, jedoch nicht im
Ausnahmezustand, durch das Haltemittel (12) eine
Gegenkraft zur vom Schliesskörper (5) aufgrund der
Druck- oder Sogwelle induzierten Kraft ausübbar ist.
10. Explosionsschutzventil nach einem der Ansprüche 2 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schliesskörper (5)
beim Übergang vom Betriebszustand in den
Ausnahmezustand durch Freisetzen der in der
vorgespannten Antriebsfeder (15) gespeicherten Energie
von der Betriebslage in die Schliesslage verschiebbar
ist, und dass der Schliesskörper (5) in der
Schliesslage durch einen verklemm- oder verrastbaren
Rückhaltemechanismus (33) haltbar ist.
11. Explosionsschutzventil (1) zur Entkoppelung von
Anlagen- oder Werkteilen, mit einem in einem
Ventilgehäuse (3) an einer Führungsstange (7) oder
einem Rohr oder Schutzrohr (34) axial verschiebbar
gelagerten Schliesskörper (5), der im Betriebszustand
so im Ventilgehäuse (3) positioniert ist, dass das
Explosionsschutzventil (1) geöffnet ist, und der beim
Eintreten eines Ausnahmezustandes, der durch das Über-
oder Unterschreiten eines durch eine Haltevorrichtung
(11) festlegbaren minimalen Druckes einer Druck- oder
Sogwelle definiert ist, in mindestens einer
Bewegungsrichtung aus einer Betriebslage in eine
Schliesslage verschiebbar ist, in der der
Schliesskörper (5) dichtend an einem an der Innenseite
des Ventilgehäuses (3) angebrachten Dichtelement (9)
anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegung des
Schliesskörpers (5) aus der Schliesslage in die
Betriebslage durch einen Rückhaltemechanismus (33) mit
einem ersten Rückhalteteil (52) und einem zweiten
Rückhalteteil (54), die mit mindestens einer Kugel oder
Rolle formschlüssig verklemm- oder verkeilbar sind,
verhinderbar ist.
12. Explosionsschutzventil (1) nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, dass das erste Rückhalteteil (52) ein
Klemmring (51) mit einer mindestens teilweise konisch
ausgebildeten Innen- oder Aussenfläche ist, und dass
das zweite Rückhalteteil (54) eine Hülse (25) mit einer
mindestens teilweise konisch ausgebildeten Aussen- oder
Innenfläche ist, und dass die Kugel oder Rolle zwischen
diesen konisch ausgebildeten Flächen beim Schliessen
des Ventils verklemm- oder verkeilbar ist.
13. Explosionsschutzventil (1) nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass der zwischen der Führungsstange
(7) oder dem Schutzrohr (34) und der konisch
ausgebildeten Innen- oder Aussenfläche des Klemmrings
(51) eingeschlossene Winkel α betragsmässig grösser ist
als der Betrag des zwischen der Führungsstange (7) oder
dem Schutzrohr (34) und der konisch ausgebildeten
Aussen- oder Innenfläche der Hülse (25)
eingeschlossenen Winkels β2.
14. Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche
11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel eine
Haltekugel (31) der Haltevorrichtung (11) ist.
15. Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche
11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die
Haltevorrichtung (11) eine Haltefeder (37) umfasst, und
dass die Kraft der Haltefeder (37) über einen Stellring
(57) einstellbar ist.
16. Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche
11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verklemmung
oder Verkeilung des ersten Rückhalteteils (52) und des
zweiten Rückhalteteils (54) mit der Kugel oder Rolle
durch einen Entriegelungsmechanismus 60 wieder lösbar
ist.
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