DE10141348B4

DE10141348B4 - Explosionsschutzventil

Info

Publication number: DE10141348B4
Application number: DE2001141348
Authority: DE
Inventors: Stefan Schai
Original assignee: RICO-SICHERHEITSTECHNIK AG; Rico Sicherheitstechnik AG
Current assignee: Rico-Sicherheitstechnik Ag Herisau Ch
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: DE10141348A1; CH695910A5

Abstract

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, wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmechanismus (13) eine Führungsstange (7) und mindestens eine die Führungsstange (7) umschliessende Antriebsfeder (15) beinhaltet, die im...

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Explosionsschutzventil zur Entkoppelung von Anlagen- oder Werkteilen gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 3, wie aus der DE 35 18 430 A1 bekannt.
Stand der Technik
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 A1 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 3.
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
1 eine schematische Darstellung eines Längsschnittes durch ein offenes doppeltwirkendes Ventil,
2 eine schematische Darstellung eines Längsschnittes durch das geschlossene Ventil,
3 eine Detailansicht eines Längsschnittes des geschlossenen Ventils auf der der Explosion abgewandten Seite,
4 eine Detailansicht eines Längsschnittes des geschlossenen Ventils auf der der Explosion zugewandten Seite,
5 eine Detailansicht eines Längsschnittes des geöffneten Ventils im Bereich des Antriebs- und Auslösemechanismus,
6 einen Querschnitt durch den Antriebsmechanismus des Ventils (Ventil offen) längs Linie VI-VI in 1,
7 einen Querschnitt durch den Antriebsmechanismus des Ventils (Ventil zu) längs Linie VII-VII in 2,
8 einen Querschnitt durch ein weiteres doppeltwirkendes Ventil in offener Stellung mit mittiger Anordnung der Antriebsfeder,
9 ein Kraft-Weg-Diagramm,
10 Isometrische Schnittansicht entlang der Längsachse des Ventils aus 1,
11 einen Längsschnitt durch ein Ventil ohne Führungsstange im offenen Zustand,
12 eine Detailansicht eines Längsschnittes des Antriebs- und des Auslösemechanismus des in
11 dargestellten Ventils,
13 das Ventil aus 11 in geschlossenem Zustand in einem Längsschnitt,
14 einen Längsschnitt durch ein einseitig wirkendes Ventil mit kombiniertem Auslöse- und Rückhaltemechanismus in offenem Zustand,
15 einen Längsschnitt durch das in 14 dargestellte Ventil in geschlossenem Zustand,
16 einen Längsschnitt des kombinierten Auslöse- und Rückhaltemechanismus bei geöffnetem Ventil,
17 einen Längsschnitt des kombinierten Auslöse- und Rückhaltemechanismus bei geschlossenem Ventil,
18 einen Längsschnitt durch einen weiteren kombinierten Auslöse- und Rückhaltemechanismus.
Der in 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 (1). Tritt aufgrund einer Druck- oder Sogwelle ein Ausnahmezustand ein, so wird das Ventil 1 geschlossen, wie dies in 2 dargestellt ist.
Der Schliessvorgang wird im folgenden genauer beschrieben. Aufgrund der Druck- oder Sogwelle wird eine Kraft, die in 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. 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 (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 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 (2). In dieser Position kann der Schliesskörper 5 durch einen verrastenden oder klemmenden Rückhaltemechanismus 33 festgehalten werden (ersichtlich aus den 14 bis 18).
Zum besseren Verständnis der Ausgestaltung und der Funktionsweise der Auslöse- oder Haltevorrichtung 11 für den Schliesskörper 5 ist in den 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 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 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 8 aufgehoben und der Schliesskörper 5 nach rechts in die Schliessstellung geführt.
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 so 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 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 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 14 ersichtlich. Im Normalbetrieb kann somit keine weitere Verschiebung des Schliesskörpers 5 entgegen der Schliessrichtung erfolgen. Die Haltefeder 37 kann, wie in den 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 10 das doppelt wirkende Explosionsschutzventil aus 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 11 bis 13 dargestellt ist. Dabei zeigen die 11 und 13 je einen Längsschnitt durch das Ventil 1 in geöffnetem und geschlossenem Zustand. 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 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 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 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 länglichoval 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 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

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, wobei 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, 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 Haltemechanismus 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.
Explosionsschutzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsfeder (15) zwischen zwei spiegelbildlich auf der Führungsstange (7) angeordneten Hülsen (25) eingespannt ist.
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, wobei 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, 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 Haltemechanismus 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.
Explosionsschutzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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.
Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, 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 Haltemechanismus 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 Haltemechanismus 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 Haltemechanismus verschiebbar ist.
Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, 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 Haltemechanismus 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 Haltemechanismus 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 Haltemechanismus in axialer Richtung verschiebbar ist.
Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltemechanismus einen Rollenkäfig (27) umfasst, der eine Mehrzahl von Rollen oder Kugeln (21) am Umfang verteilt führt.
Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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.
Explosionsschutzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.
Explosionsschutzventil (1) nach Anspruch 1 oder 3, 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.
Explosionsschutzventil (1) nach Anspruch 10, 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.
Explosionsschutzventil (1) nach Anspruch 11, 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.
Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel eine Haltekugel (31) der Haltevorrichtung (11) ist.
Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (11) eine Haltefeder (37) umfasst, und dass die Kraft der Haltefeder (37) über einen Stellring (57) einstellbar ist.
Explosionsschutzventil (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, 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.