DE102019103164A1

DE102019103164A1 - Sicherheitsventil

Info

Publication number: DE102019103164A1
Application number: DE102019103164.8A
Authority: DE
Inventors: Clemens Wystup; Tom Ströhla; Lena Zentner
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: AZ Vermoegensverwaltung GmbH and Co KG
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2020-08-13
Anticipated expiration: 2039-02-09
Also published as: DE102019103164B4

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein bistabiles Sicherheitsventil mit integrierter elektromagnetischer Reset-Funktion bereitgestellt werden, welches sich durch ein hochempfindliches pneumatisches Ansprechverhalten auszeichnet und damit insbesondere für die Verwendung in Einzelverbraucheranlagen mit kleineren Nenndurchflüssen von 1,2 - 4 m/h geeignet ist.Dies wird durch eine weitgehende mechanische Entkopplung des pneumatischen Schaltmechanismus mit der entsprechend weichen Federstruktur von dem massebehafteten elektromagnetischen Aktor erreicht. Eine mechanische Kopplung zwischen pneumatischem Schaltmechanismus und elektromagnetischem Aktor erfolgt erfindungsgemäß ausschließlich im Moment des Reset-Vorganges durch ein Anschieben des elastischen Verschlusskörpers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein bistabiles Sicherheitsventil mit einem hochempfindlichen Ansprechverhalten und integrierter elektromagnetischer Reset-Funktion, welches in Rohrleitungssystemen, vorzugsweise für fluidische Medien Verwendung finden kann.
Für die Überwachung des Transportes von fluidischen Medien in Rohrleitungen, insbesondere Gasleitungen, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Schließmechanismen bekannt. Für den Fall, dass fluidführende Systeme (Leitungen, Armaturen, Geräte) z. B. durch Baumaßnahmen manipuliert oder beschädigt wurden und der Fluiddurchfluss einen kritischen Wert (Schließdurchfluss VS) erreicht, sperren derartige Schließmechanismen (Gasströmungswächter) die Gasleitung selbsttätig ab, so dass ein unkontrollierter Gasaustritt verhindert werden kann. Der Einsatz derartiger Sicherheitsventile stellt eine aktive Maßnahme zur Minimierung der Folgen unbefugter Eingriffe im Sinne der DVGW-TRGI (Technische Regel für Gasinstallationen) dar.
Die bislang kommerziell verfügbaren Gasströmungswächter bestehen im Wesentlichen aus einem in einem rohrförmigen Gehäuse angeordneten scheibenförmigen Verschlusskörper, der entgegen einer Spiralfeder verschiebbar an einem Stift gelagert ist. Bei Erreichen des Schließdurchflusses (VS) wird aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Eingangsseite (p1) und der Ausgangsseite (p2) der Verschlusskörper entgegen der Federkraft in einen Ventilsitz bewegt und schließt die Rohrleitung (s. 1). Wird nach Beendigung des Havariezustandes ein Druckausgleich zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Ventils durchgeführt, öffnet das Ventil selbsttätig.
Derartige Sicherheitsventile sind z.B. in den Druckschriften DE 103 52 372 B4 , DE 102 02 067 A1 , DE 201 16 899 U1 , DE 203 12 986 U1 und EP 1 870 619 A3 beschrieben und können entsprechend der Dimensionierung des Nenndurchflusses (VN) an verschiedenen Stellen in verzweigten Leitungssystemen verbaut werden.
Bei einer vergrößerten Gas-Abnahmemenge in verzweigten Leitungssystemen wird vor einem Sicherheitsventil (Gasströmungswächter) ein Druckausgleich herbeigeführt. Kommerziell verfügbare Gasströmungswächter mit Spiralfedern entsprechend 1 öffnen in diesem Fall selbsttätig, obwohl der Havariezustand im Leitungssystem nach dem Sicherheitsventil möglicherweise noch nicht behoben ist. Derartige Sicherheitsventile sind nicht selbsthaltend und nicht selbstsichernd. Folglich bleibt bei Anlagen mit verzweigten Leitungssystemen trotz Absicherung mit derartigen Sicherheitsventilen ein erhebliches Restrisiko erhalten.
Zur Überwindung dieses Nachteils wurden Sicherheitsventile mit einem anderen Wirkprinzip entwickelt. Wie in den Druckschriften EP 1 471 264 B1 , DE 29 10 660 C2 , GB 2 387 968 B , DE 197 20 849 C2 , DE 297 07 905 U1 , US 3 426 800 A und EP 2 405 166 B1 offenbart, basiert der Schließmechanismus dieser Sicherheitsventile auf einem Verschlusskörper, der gemeinsam bzw. als Funktionseinheit mit einem radial vorgespannten Federelement im Ventilsockel eingespannt ist (s. 2). Die elastische, vorgespannte Aufhängung des Federelementes führt zu einem bistabilen Durchschlagverhalten des Verschlusskörpers bzw. zu einem sprunghaften Wechseln zwischen zwei stabilen Gleichgewichtslagen. Das Ventil ist im Normalbetrieb vollständig offen oder im Havariefall bei Überschreitung des Schließdurchflusses (VS) nach Schließen des Ventilsitzes selbstsichernd geschlossen.
Aufgrund des bistabilen Schaltverhaltens können die selbstsichernden Eigenschaften der Sicherheitsventile mit diesem Funktionsprinzip das Gefahrenpotential (Explosionsrisiko) bei Havarie deutlich reduzieren, da ihr Ventilmechanismus auch bei unkontrolliertem Druckausgleich im Leitungssystem die Rohrleitung sicher absperrt. Allerdings müssen die selbstsichernden Sicherheitsventile nach Beendigung des Havariezustandes im Leitungssystem zurückgesetzt werden. Bisher erfolgt dieser Reset-Vorgang nach Demontage pneumatisch und manuell. Nachteilig ist hierbei, dass diese Art des Rücksetzens einen Eingriff in das geschlossene Leitungssystem darstellt und daher sehr aufwändig, riskant und schwer praktikabel ist.
Entwicklungsansätze, derartige Sicherheitsmechanismen mit einem elektromagnetischen Aktorsystem zu koppeln, sind bekannt (s. hierzu EP 2 405 166 B1 ). Die technische Umsetzung von Sicherheitsventilen mit elektromagnetischer Reset-Funktion führt jedoch speziell für Anwendungen, bei denen ein hochempfindliches pneumatisches Ansprechverhalten gefordert ist, zu einem physikalischen Zielkonflikt. Für eine hohe pneumatische Schaltempfindlichkeit derartiger Ventile werden sehr weiche Federelemente benötigt. Unter einer anliegenden Druckdifferenz am Ventilsitz erfordert das elektromagnetische Rücksetzen, abhängig von Druck und Geometrie des Dichtsitzes, jedoch vergleichsweise große Stellkräfte. Diese Stellkräfte können nur mit Hilfe von entsprechend groß dimensionierten Permanentmagneten, elektromagnetischen Spulen oder ferromagnetischem Material unmittelbar am Ventilanker erreicht werden. Diese bewegten Massen stellen jedoch eine erhebliche mechanische Last für die weichen, bistabilen Federn dar. Insbesondere für die Anwendung derartiger Sicherheitssysteme mit kleinen Nenndurchflüssen (< 4 m³/h) wird das Verhältnis von mechanischer Belastbarkeit der Feder durch Querkräfte und der für den Aktor benötigten Ankermasse zunehmend ungünstiger. Das führt in diesem potentiellen Anwendungsbereich zwangsläufig zur Zerstörung der weichen Federelemente.
Dringend erforderlich ist aber die Marktabdeckung mit geeigneten bistabilen Sicherheitsventilen mit elektromagnetischer Reset-Funktion für den Einsatzbereich mit Gasvolumenströmen von 1,2 - 4 m³/h (Einzelverbraucher).
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein bistabiles Sicherheitsventil mit integrierter elektromagnetischer Reset-Funktion bereitzustellen, welches sich durch ein hochempfindliches pneumatisches Ansprechverhalten auszeichnet und damit insbesondere für die Verwendung in Einzelverbraucheranlagen mit kleineren Nenndurchflüssen von 1,2 - 4 m³/h geeignet ist. Bei einer entsprechenden Skalierung der funktionalen Komponenten kann dieses neuartige Sicherheitsventil aber auch in Anlagen mit Gasströmen größer als 4 m³/h eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit dem vorgeschlagenen Sicherheitsventil gelingt die vollständige Aufhebung des zuvor beschriebenen physikalischen Zielkonfliktes. Insbesondere wird dies durch eine weitgehende mechanische Entkopplung des pneumatischen Schaltmechanismus mit der entsprechend weichen Federstruktur von dem massebehafteten magnetischen Aktorsystem erreicht. Der für die elektromagnetische Reset-Funktion zuständige elektromagnetische Aktor ist während des normalen Betriebszustandes, der pneumatischen Stömungswächterfunktion, vom Schaltmechanismus vollständig mechanisch entkoppelt. Folglich kann das magnetische Aktorsystem unabhängig von der eingesetzten Federstruktur entsprechend groß und leistungsstark dimensioniert werden, während die Vorteile des hochempfindlichen pneumatischen Schaltverhaltens unverändert beibehalten werden. Eine mechanische Kopplung zwischen pneumatischer Schaltmechanismus und elektromagnetischem Aktor erfolgt erfindungsgemäß ausschließlich im Moment des Reset-Vorganges durch ein Anschieben des elastischen Verschlusskörpers.
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1 - ein Sicherheitsventil mit Spiralfeder (Stand der Technik) [Quelle: oventrop GmbH Co. KG]
2- ein Sicherheitsventil mit vorgespannten Federelement (Stand der Technik)
3- ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils
4- ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils

In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils, prinzipiell bestehend aus einer Schließeinheit und einer Aktoreinheit, dargestellt. Hierbei umfasst die Schließeinheit einen zweiteiligen Grundkörper (1, 2) mit einem erweiterten Querschnitt und Aufnahmekonturen für die Einspannung von einem oder mehreren elastischen Aufhängungselementen (3). In dem zweiten Teilelement des Grundkörpers (2) ist ein Dichtsitz (4) mit einer axialen Durchlassöffnung angeordnet. Ein nichtmagnetischer elastischer Verschlusskörper (5) ist mit den elastischen Aufhängungselementen (3), vorzugsweise monolithisch, gekoppelt, wobei die Außenmaße des Verschlusskörpers (5) größer als die Durchlassöffnung des Dichtsitzes (4) sind. Der Verschlusskörper (5) selbst umfasst keine zusätzlichen Massen, wie z.B. Permanentmagnete, Spulen o.ä. Über die Art der Einspannung und die Form des zumindest einen elastischen Aufhängungselementes (3) wird ein bistabiles, hochempfindliches Bewegungsverhalten des Verschlusskörpers erreicht.
Die Aktoreinheit umfasst einen innerhalb des zweiten Teilelements des Grundkörpers (2) angeordneten, axial beweglich gelagerten (ringförmigen) Permanentmagnet (6), an den ein Mitnehmerelement (7a) gekoppelt ist. Dabei ist das Mitnehmerelement (7a) so ausgeführt, dass eine mechanische Verbindung zwischen ihm und dem Verschlusskörper (5) lediglich dann hergestellt wird, wenn der Permanentmagnet (6) von seiner Ruheposition abweicht. Weiterhin umfasst die Aktoreinheit ein vorzugsweise außerhalb des Grundkörpers (1, 2) angeordnetes, aus zumindest einer Spule bestehendes Spulensystem (8) und einen ebenfalls vorzugsweise außerhalb des Grundkörpers (1, 2) angeordneten Eisenkreis (9), der als Eisenring oder ferromagnetisches Material ausgeführt sein kann.
Im Betriebszustand „pneumatische Strömungswächterfunktion“ befindet sich der Permanentmagnet (6) durch die (anziehende) Kraftwirkung zwischen ihm und dem Eisenkreis (9) in einer festen Ruheposition am mechanischen Anschlag der Innenkontur des zweiten Teilelements des Grundkörpers (2). Der hochempfindliche bistabile Schließmechanismus des Ventils ist unabhängig frei beweglich.
Im Betriebszustand „elektromagnetischer Reset-Vorgang“ wird durch eine richtungsabhängige Bestromung des Spulensystems (8) die Kraftwirkung auf den Permanentmagneten (6) umgekehrt. Die Haltekraft zwischen Permanentmagnet (6) und Eisenkreis (9) wird kompensiert. Das führt zu einer axialen Bewegung des Permanentmagneten (6) zusammen mit dem an diesen gekoppelten Mitnehmerelement (7a) in Richtung des elastischen Verschlusskörpers (5). Abhängig von der Dauer der Bestromung des Spulensystems (8) erfolgt eine mechanische Ankopplung des Mitnehmerelements (7a) an den elastischen Verschlusskörper (5) mit gleichzeitiger Kraftwirkung auf letzteren. Dies führt zu einer axialen Bewegung des elastischen Verschlusskörper (5) und zum Übergang des zumindest einen elastischen Aufhängungselements (3) von einer zweiten mechanisch stabilen Form (Ventil geschlossen) in eine erste mechanisch stabile Form (Ventil geöffnet). Nach Abschaltung der Bestromung des Spulensystems (8) bleibt das elastische Aufhängungselement (3) in der ersten mechanisch stabilen Form (Ventil geöffnet). Die mechanische Kopplung zwischen elastischen Verschlusskörper (5) und dem Mitnehmerelement (7a) am Permanentmagneten (6) wird gelöst, der Permanentmagnet (6) bewegt sich zurück auf seine Ruheposition am mechanischen Anschlag der Innenkontur des zweiten Teilelements des Grundkörpers (2).
Für den Reset-Vorgang des Sicherheitsventils sind zwei Betriebsmodi möglich. Ein Reset durch elektromagnetische Ansteuerung mit einem Stromimpuls ermöglicht ein energieeffizientes Rücksetzen des pneumatischen Schließmechanismus nach durchgeführtem Druckausgleich im Leitungssystem (s.a. EP 2 405 166 B1 ). Alternativ dazu kann durch eine definiert zeitlich ausgedehnte Bestromung des Spulensystems (8) der hochempfindliche pneumatische Schließmechanismus in dieser Anordnung auch dauerhaft offen gehalten werden, um einen definierten Druckausgleich im Rohrleitungssystem durchzuführen. Nach Ende der Bestromung des Spulensystems (8) wechselt das Sicherheitsventil in den Betriebszustand „pneumatische Stömungswächterfunktion“.
In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils, bei dem die Aktoreinheit ein bidirektional wirkendes Mitnehmerelement (7b) umfasst, gezeigt. Wird dieses bidirektional wirkende Mitnehmerelement (7b) mit einem in zwei Richtungen axial beweglich gelagerten Permanentmagneten (6) kombiniert, kann ein derartiges Sicherheitsventil zusätzlich aktiv elektromagnetisch geschlossen werden. Voraussetzung hierfür ist ein elastisch wirkender mechanischer Anschlag (10) (z.B. Federelement, Elastomer) innerhalb des zweiten Teilelements des Grundkörpers (2) als Bezug für die Ruheposition des Permanentmagneten (6). In Abhängigkeit von der Bestromungsrichtung des Spulensystems (8) wird für den Reset-Vorgang des Sicherheitsventils die Haltekraft zwischen Permanentmagnet (6) und Eisenkreis (9) kompensiert. Eine Umkehr der Bestromungsrichtung bewirkt eine Addition dieser Haltekraft mit einer elektromagnetischen Kraftkomponente, wodurch sich der Permanentmagnet (6) in die andere Richtung, d.h. in Richtung des elastisch wirkenden Anschlages (10) bewegt. Das entsprechend ausgeführte Mitnehmerelement (7b) schiebt in diesem Falle den bistabilen Federmechanismus in die Position „Ventil geschossen“. Mit Abschaltung des Stromes am Spulensystem (8) wird die mechanische Kopplung zwischen dem elastischen Verschlusskörper (5) und dem Mitnehmerelement (7b) am Permanentmagneten (6) gelöst. Die hochempfindliche bistabile Schließeinheit des Sicherheitsventils ist für den Betriebszustand „pneumatische Strömungswächterfunktion“ unabhängig frei beweglich.
Es liegt selbstverständlich auch im Bereich der Erfindung, dass anstelle des Permanentmagneten (6) in der Aktoreinheit eine elektromagnetische Spule o.ä. verwendet wird.
Durch die vorgeschlagene mechanische Entkopplung der Schließ- und der Aktoreinheit innerhalb der Ventilstruktur ist es im Gegensatz zu bekannten Sicherheitsventilen möglich, sowohl die Schließeinheit als auch die Aktoreinheit weitgehend unabhängig voneinander funktional und bedarfsgerecht zu dimensionieren. So gelingt es erstmalig, hochempfindliche pneumatische Schließeinheiten unter Verwendung von mechanisch sehr empfindlichen Einzelkomponenten mit sehr leistungsstarken und dementsprechend massebehafteten Aktoreinheiten zu kombinieren. Damit können auch extrem kleine Fluidströmungen in Rohrleitungssystemen abgesichert und gleichzeitig die für den Reset-Vorgang unter einer anliegenden Druckdifferenz am Ventilsitz notwendigen elektromagnetischen Kräfte bereit gestellt werden, ohne dass sich Schließ- und Aktoreinheit im jeweiligen Betriebszustand störend beeinflussen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung können bistabile Sicherheitsventile (Gasströmungswächter) mit hochempfindlichem Ansprechverhalten und integrierter elektromagnetischer Reset-Funktion technisch sinnvoll umgesetzt und angewendet werden. Erstmalig wird eine Marktabdeckung mit bistabilen Sicherheitsventilen einschließlich integrierter elektromagnetischer Reset-Funktion für den Einsatzbereich mit Gasvolumenströmen von 1,2 - 4 m³/h (Einzelverbraucheranlagen) möglich.
Als Erweiterung der Option einer energieeffizienten Impulssteuerung analog dem bekannten Funktionsprinzip des Magnetimpulsventils ( EP 2 405 166 B1 ) besteht mit dem vorgestellten Sicherheitsventil zusätzlich die Möglichkeit den Zustand des „Reset-Vorganges“ durch entsprechend dauerhafte Bestromung der elektromagnetischen Aktoreinheit aktiv zu halten um damit ggf. anwendungsabhängig einen Druckausgleich im Leitungssystem über den geöffneten Ventilsitz des Sicherheitsventils zu realisieren. Mit Hilfe einer geeigneten Auslegung der elektromagnetischen Aktoreinheit einschließlich dem Mitnehmerelement für eine bidirektionale Ansteuerung bzw. Bewegung können derartige Sicherheitsventile nicht nur elektrisch ferngesteuert zurück gesetzt (Reset), sondern zusätzlich auch aktiv elektromagnetisch geschlossen werden. Diese Option stellt einen weiteren deutlichen Sicherheitsgewinn für Anlagenbetreiber zur Beherrschung von Havariezuständen in verzweigten Rohrleitungssystemen im Sinne der DVGW-TRGI dar.
Bezugszeichenliste

1 -: erstes Teilelement des Grundkörpers
2 -: zweites Teilelement des Grundkörpers
3 -: elastisches Aufhängungselement
4 -: Dichtsitz
5 -: elastischer Verschlusskörper
6 -: magnetfelderzeugende Einheit (Permanentmagnet)
7a -: eindirektionales Mitnehmerelement
7b -: bidirektionales Mitnehmerelement
8 -: Spulensystem
9 -: Eisenkreis
10 -: elastisch wirkender mechanischer Anschlag
I -: konischer Dichtsitz
II -: Spiralfeder
III -: Führung
IV -: bistabiles Federelement
V -: planarer Dichtsitz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10352372 B4 [0004]
DE 10202067 A1 [0004]
DE 20116899 U1 [0004]
DE 20312986 U1 [0004]
EP 1870619 A3 [0004]
EP 1471264 B1 [0006]
DE 2910660 C2 [0006]
GB 2387968 B [0006]
DE 19720849 C2 [0006]
DE 29707905 U1 [0006]
US 3426800 A [0006]
EP 2405166 B1 [0006, 0008, 0017, 0021]

Claims

Sicherheitsventil zur Verwendung in Leitungssystemen umfassend • eine Schließeinheit, bestehend aus einem Grundkörper (1, 2), in dem sich ein Dichtsitz (4) mit einer axialen Durchlassöffnung und ein an zumindest einem elastischen Aufhängungselement (3) fixierten und beweglich gelagerten Verschlusskörper (5), dessen Außenmaße größer als die Durchlassöffnung des Dichtsitzes (4) sind, befinden, wobei das zumindest eine elastische Aufhängungselement (3) bei Einwirkung einer bestimmten Kraft von einer ersten mechanisch stabilen Form in eine zweite mechanisch stabile Form übergehen, und • eine Aktoreinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinheit eine, im Grundkörper (1, 2) axial beweglich gelagerte magnetfelderzeugende Einheit (6) und ein mit einem Eisenkreis (9) versehenes Spulensystem (8) aufweist, wobei die magnetfelderzeugende Einheit (6) mit einem Mitnehmerelement (7a, 7b) gekoppelt ist und das Mitnehmerelement (7a, 7b) dafür ausgebildet ist, das zumindest eine Aufhängungselement (3) von der ersten mechanisch stabilen Form in die zweite mechanisch stabile Form und / oder von der zweiten mechanisch stabilen Form in die erste mechanisch stabile Form zu überführen.
Sicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Eisenkern versehene Spulensystem (8) dafür ausgebildet und derart angeordnet ist, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld mit dem Magnetfeld der magnetfelderzeugenden Einheit (6) wechselwirkt.
Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugende Einheit (6) als Permanentmagnet ausgeführt ist.
Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mitnehmerelement (7a, 7b) mit dem Verschlusskörper (5) temporär mechanisch koppelbar ist.
Sicherheitsventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elastische Aufhängungselement (3) dafür ausgebildet ist, ein bistabiles Schaltverhalten zu realisieren.
Sicherheitsventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elastische Aufhängungselement (3) und der Verschlusskörper (5) monolithisch ausgeführt sind.
Sicherheitsventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper (3) in einem geöffneten Zustand des Sicherheitsventils axial vom Dichtsitz (4) beabstandet ist, wobei das zumindest eine elastische Aufhängungselement (3) in der ersten stabilen Form ist und dass der Verschlusskörper (3) in einem geschlossenen Zustand des Sicherheitsventils am Dichtsitz (4) anliegt und das zumindest eine elastische Aufhängungselement (3) in der zweiten stabilen Form ist.
Sicherheitsventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Eisenkreis (9) versehene Spulensystem (8) außerhalb des Grundkörpers (1, 2) angeordnet ist.
Sicherheitsventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltverhalten der Schließeinheit mit Hilfe der Stromspeisung des Spulensystems (8) steuerbar ist.