DE102011010938A1

DE102011010938A1 - Stufenlos geregeltes, direkt gesteuertes Absperrventil

Info

Publication number: DE102011010938A1
Application number: DE201110010938
Authority: DE
Inventors: Friedrich Müller
Original assignee: MUELLER CO AX AG; Mueller Co-Ax AG
Current assignee: MUELLER CO AX AG; Mueller Co-Ax AG
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2012-08-16

Abstract

Ein koaxial und druckausgeglichen aufgebautes magnetisch direkt gesteuertes Ventil mit stufenloser Regelung. Es wird ein stufenlos elektronisch geregeltes koaxial aufgebautes Magnetventil zur regelbaren Mediumsströmung angegeben. Das Ventil ist dadurch gekennzeichnet, dass im Gegensatz zu Konstruktionen nach dem heutigen Stand der Technik die Ansteuerung direkt erfolgt und trotzdem eine stufenlose Regelung der Stellung des Ventiles möglich ist.

Description

Stand der Technik: zur Steuerung des Flusses eines Mediums, z. B. einer Flüssigkeit oder eines Gases durch eine Rohrleitung, kann ein Ventil verwendet werden. Hierbei werden Absperrklappen, Kugelhähne, Sitzventile oder Schieber eingesetzt.
Mit einer solchen Armatur kann die Durchflussmenge und/oder die Durchflussgeschwindigkeit gesteuert werden. Allen diesen vorher genannten Armaturen ist gemeinsam, dass deren Betätigungskräfte bzw. Betätigungsmomente mit steigendem Differenzdruck größer werden.
Bei allen diesen Armaturbauweisen ist es in größeren Nennweiten, spätestens ab der Nennweite 25 nicht mehr möglich, eine solche Armatur mit einem Magneten direkt zu betätigen ohne extrem große Spulen einsetzen zu müssen.
Alle diese Armaturenbauweisen sind darauf angewiesen, vorgesteuert über Pneumatik oder Hydraulik betätigt zu werden.
Im Gegensatz hierzu, besitzt das druckentlastet aufgebaute Koaxialventil 1 den großen Vorteil, dass ein steigender Differenzdruck im Ventil kaum nennenswerte Vergrößerungen der Betätigungskräfte zur Folge hat.
Das druckentlastet aufgebaute Koaxialventil 1 ist seit Jahrzenten eine bewährte Absperrarmatur für Gase und Flüssigkeiten in nahe zu allen Branchen, in denen eine hohe Dichtheit und Zuverlässigkeit an eine Armatur gestellt wird.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik, ist das druckentlastet aufgebaute Koaxialventil 1 als 2/2- und 3/2-Wegeventil elektromagnetisch direkt- oder fremdgesteuert vor allem als reine Absperrarmatur verfügbar.
Aufgrund der druckentlasteten Konstruktion können solche Koaxialventile 1 mit sehr geringen Kräften auch bei hohen Mediumsdrücken und dies auch in großen Nennweiten betätigt werden.
Der Mediumsdruck hat nahezu keinen Einfluss auf die Betätigungskräfte. Deshalb sind druckentlastet aufgebaute Koaxialventile 1 in der Lage, hohe Mediumsdrücke zuverlässig elektromagnetisch direkt zu schalten und dicht abzusperren.
Solche Ventile zeichnen sich u. a. auch wegen ihrer extrem kurzen Schaltzeit im Bereich von wenigen Millisekunden, z. B. an Werkzeugmaschinen, beim Werkzeugwechsel, an Energieerzeugungsanlagen wie z. B. an Turbinen, an Öl- und Gasbrennern als Sicherheitsabsperrventil aus.
Trotz der im Vergleich zu anderen Armaturen geringen Betätigungskräfte benötigt, insbesondere in großen Nennweiten, der Antrieb des Koaxialventiles 1 viel Leistung bzw. Energie, was sehr oft als Nachteil an diversen Anlagen bzw. in diversen Anwendungen gesehen wird.
Diese große Leistung des elektromagnetischen Antriebes ist aber nur lediglich in der Anfangsphase der Betätigung notwendig. Die Leistung wird nach dem Betätigen der Armatur in Form von Wärme, was zum Teil auch eine hohe Gehäusetemperatur bedingt, abgegeben, obwohl, dank des in dieser Stellung geringeren Luftspaltes im Elektromagnet, diese große Leistung bei geöffneter Armatur nicht mehr benötigt wird. In dieser Stellung würde eine wesentlich geringere Magnetkraft die notwendigen Haltekräfte sicherstellen, was bei weit geringerer Leistung möglich wäre.
Nach dem heutigen Stand der Technik liegt der Energieverbrauch bei betätigter (Magnet angezogen) Armatur sehr hoch, was unnötige Energiekosten an Werkzeugmaschinen und Anlagen zur Ursache hat. An modernen Werkzeugmaschinen und Anlagen spielt die Energieeffzienz eine immer größere Rolle, sowohl um die Kosten zu senken, als auch um die Abwärme in die Fertigungshallen so gering wie möglich zu halten.
Die extrem kurzen und sehr oft wichtigen Schaltzeiten der direkt gesteuerten Koaxialventile 1 führen oftmals an hydraulischen Anlagen bei Anwendungen mit Wasser oder Kühlmittelschmierstoffen, die inkompressibel sind, zu hydraulischen Schlägen im System. Dies hat zur Folge, dass sich beim Schließen der Armatur Verschraubungen und Halterungen lösen können und die gesamte Anlage extrem belastet wird. Unter Umständen werden auch nicht akzeptable Geräusche in Form von Wasserschlägen in den Rohrleitungen hervorgerufen. Dieser Effekt tritt insbesondere dann auf, wenn große Volumenströme unter hohen Drücken und langen Rohrleitungen schnell abgesperrt werden müssen und die Pumpe zunächst einmal noch mit voller Leistung läuft.
Die heutige Lösung dieser Probleme wird z. B. mittels fremdgesteuerter Koaxialventile 1 verwirklicht, indem man pneumatisch oder hydraulisch gesteuerte Koaxialventile 1 mit einstellbarer Schließzeit verwendet. Dies hat wiederum den Nachteil, dass das Ventil insgesamt langsamer wird und daß zusätzlich eine weitere Energiequelle wie Druckluft oder Hydraulik verwendet werden muss.
Die längeren Schließzeiten der Armatur können zum Teil die geforderten Taktzeiten an Werkzeugmaschinen und Anlagen so erhöhen, dass sie nicht mehr akzeptabel sind. Ebenso ist es, insbesondere mit Pneumatik, aufgrund der kleinen Hübe von Koaxialventilen schwierig, die erforderliche Stellgenauigkeit zu erreichen.
Nach dem heutigen Stand der Technik sind die direkt gesteuerten Koaxialventile 1 stets als reine Auf/Zu-Armaturen aufgebaut. Koaxialventile 1 als Regelventile gibt es bisher nur mit pneumatischen Antrieben oder mit elektrischem Stellmotor als stufenlos regelbare Ventile mit einer sehr genauen Positionierung, allerdings mit sehr langen Stellzeiten, die zum Teil mehrere Sekunden betragen.
Insbesondere die Regelventile mit einem elektrischen Stellmotor haben ebenfalls den Nachteil, dass bei einem Energieausfall bzw. bei einem Ausfall der Steuerung das Ventil in der letzten Stellung verharrt und daß eine Sicherheitsfunktion nicht ausfallsicher realisiert werden kann. Die sehr langen Schließzeiten sind in sehr vielen Anwendungen ebenfalls nicht akzeptabel.
Es besteht also Bedarf nach einem Koaxialventil 1, welches nach wie vor direkt magnetisch gesteuert werden kann, welches aber zumindest in der Stellung, in der der Magnet angezogen ist, mit geringeren elektrischen Leistungen betrieben werden kann. Vorzugsweise sollte ein solches Ventil auch stufenlos in ihrem Hub einstellbar sein, und stufenlos im Hub geregelt werden können, um so auch die Funktion als Regelventil erfüllen können.
Die zuvor genannten Nachteile werden mit einer erfindungsgemäßen Lösung eliminiert und erlauben eine Konstruktion, bei der ein direkt gesteuertes druckausgeglichenes Koaxialventil 1 mit sehr geringen Leistungen betrieben werden kann und stufenlos regelbar ist.
1 Zeigt schematisch den Aufbau eines solchen Regelkreises und deren Komponenten. Ein im wesentlichen nach dem heutigen Stand der Technik aufgebautes magnetisch direkt gesteuertes Ventil nach der Koaxialbauweise wird über eine Elektronik 5 gesteuert, die zu jedem Zeitpunkt der Betätigung den Strom und die Spannung erfasst und auswertet, die durch die im Ventil liegende Magnetspule fließt, bzw. angelegt wird.
Je nach Stellung des Ankers 4 im Magneten des Koaxialventiles 1, verändert sich das magnetische Feld und durch die Änderung des Magnetfeldes verändert sich auch das Verhältnis der an die Magnetspule 2 angelegten Spannung zu dem durch die Magnetspule 2 fließenden Strom.
Diese beiden Werte werden von der Elektronik 5 erfasst und gegebenenfalls korrigiert.
Die an die Magnetspule 2 angelegten Strom- bzw. Spannungswerte, die in die Spulenansteuerung eingebracht werden, können hierbei analog oder digital verändert werden. So ist es z. B. möglich, die dort angelegte Spannung, bzw. den dort hindurchfließenden Strom auf analoge Art und Weise zu verändern oder z. B. in digitaler Form z. B. über eine Pulsweitenmodulation zu regeln.
Um z. B. die gesamte Energieaufnahme des Magnetventiles zu verringern, würde man im Falle einer Regelung mittels Pulsweitenmodulation zunächst die volle Leistung an die Magnetspule 2 anlegen, um dann, je weiter der Magnet angezogen ist, die Energie in dem Magneten nur noch getaktet einzubringen und die Zeiten, in denen keine Spannung am Magneten anliegt immer weiter verlängern. Im gänzlich angezogenen Zustand des Magneten wäre nur noch ein Bruchteil der ursprünglichen Leistung notwendig um das Ventil nach wie vor in dieser Stellung halten zu können.
So kann man während der Einschaltdauer des Magneten die Energie, die in den Magneten eingebracht wird, begrenzen. Auf diese Weise kann eine enorme Energieersparnis erreicht werden, insbesondere bei Ventilen, die mit einer sehr hohen Einschaltdauer betrieben wurden, kann die Gesamtenergieaufnahme halbiert oder noch weiter gesenkt werden.
Für eine Regelung der Durchflussmenge durch ein solches Ventil kann die Elektronik 5 aber auch dazu verwendet werden, das Ventil in jeder beliebigen Position verharren zu lassen. Hierzu kann am Signaleingang eine Eingangsgröße an die Auswerteelektronik angelegt werden, z. B. als Stromeingang 4–20 mA.
Die Elektronik 5 regelt analog zu dem Eingangssignal die Stellung des Ventiles so ein, dass das direkt gesteuerte Magnetventil in der gewünschten Position verharrt und eine genaue Positionierung sicherstellt.
In einem geschlossenen Regelkreis würde die Sollvorgabe, z. B. Durchflußmenge des Mediums durch die Rohrleitung mit der tatsächlich erfassten Durchflußmenge verglichen werden und ausgewertet werden. Bei gegebener Abweichung von der Sollvorgabe würde am Signaleingang der Elektronik die Eingangsgröße entsprechend verändert werden, um die Stellung des Ventiles und damit die Durchflußmenge zu verändern.
Der bisherige Nachteil der durch die in der Rohrleitung stattfindenden dynamischen Vorgänge, eventuell auftretenden Schließschläge kann mittels einer solchen Elektronik ebenso eliminiert werden. Während des Schließvorganges würde das Ventil in seinem Schließvorgang unmittelbar vor Erreichen der geschlossenen Position abgebremst werden und den letzten Anteil des Hubes langsamer abschreiten. Dadurch würden die dynamischen Vorgänge in der Rohrleitung wesentlich gleichmäßiger erfolgen, Druckspitzen werden gemindert, Schließschläge werden ausgeschlossen.
Mit der beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausführung des Koaxialventiles würden dessen Vorteile wie kurze Schließzeiten und geringe Betätigungskräfte um weitere Vorteile erweitert werden, wie die geringe Energieaufnahme und stufenlose Regelung, bei gleichzeitiger Eliminierung der Nachteile, wie Schließschläge.
Bezugszeichenliste

1: Koaxialventil
2: Magnetspule
3: Ventilhub
4: Anker
5: Elektronik
6: Stromzufuhr
7: Signaleingang
8: Spulenansteuerung

Claims

Ein koaxial und druckausgeglichen aufgebautes, direkt magnetisch gesteuertes Ventil, dessen Magnetspule 2 über eine Elektronik 5 angesteuert wird, die anhand der elektrischen Daten die Stellung des Magneten auswertet.
Ein Koaxialventil 1 nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik analog zu einer Eingangsgröße (Strom) das Koaxialventil 1 in die gewünschte Stellung bringt und in dieser Stellung festhält.
Koaxialventil 1 nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–2 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik analog zu einer Eingangsgröße (Spannung) das Koaxialventil 1 in die gewünschte Stellung bringt und in dieser Stellung festhält.
Koaxialventil 1 nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik analog zu einer Eingangsgröße (Digitalsignal) das Koaxialventil 1 in die gewünschte Stellung bringt und in dieser Stellung festhält.
Koaxialventil 1 nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass der Schließvorgang des Ventiles so ausgeregelt wird, dass unmittelbar vor dem Erreichen der geschlossenen Stellung die Bewegung des Ventiles auf einen Bruchteil der vorhergehenden Schließgeschwindigkeit abgesenkt wird.
Koaxialventil 1 nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Magneten mit einem analogen Signal erfolgt.
Koaxialventil 1 nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–6 dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Magnetspule 2 mit einem digital gesteuerten Signal erfolgt.