DE19516054A1 - Steuerbares Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein steuerbares Ventil mit einem Ventilsitz, einem Ventilelement, das relativ zum Ventilsitz bewegbar ist, einem als geschlossene Baugruppe ausgebil­ deten, einen Motor aufweisenden Antrieb für das Ventilelement, einer Einrichtung zum Erzeugen einer permanenten Schließkraft, die das Ventilelement in Richtung auf den Ventilsitz belastet, und einem Elektromagneten zum Freisetzen der permanenten Schließkraft.

Ein derartiges Ventil ist aus der DE 42 13 570 C2 bekannt. Im Falle einer Sicherheits­ abschaltung wird der Elektromagnet entregt, woraufhin die zusätzliche Schließkraft wirksam wird und das Ventilelement auf den Ventilsitz drückt. Der normale Antrieb ist hierzu nicht schnell genug. Er dient dazu, das Ventilelement vom Ventilsitz abzuheben und den Durchflußquerschnitt des Ventils in Abhängigkeit von der jeweiligen Regelung zu verändern.

Das bekannte Ventil ist in seinem Aufbau konstruktiv aufwendig und wenig wartungs­ freundlich. Es arbeitet mit einer drehfest geführten Spindel, die von einer angetriebe­ nen Mutter verstellt wird. Letztere ist in einer Hülse gelagert, die den Anker des Elek­ tromagneten bildet. Auch die Hülse ist drehfest geführt. Ferner ist eine drehfeste, ver­ schiebliche Verbindung zwischen der Mutter und dem vorgeschalteten Antriebselement vorhanden. Im Normal betrieb hält der Elektromagnet den hülsenförmigen Anker und damit die Mutter samt Spindel in der Arbeitsposition, in der eine Steuerung des Ventil­ elements möglich ist. Bei einer Sicherheitsabschaltung gibt der Elektromagnet den hül­ senförmigen Anker frei. Eine vorgespannte Feder, die auf die Mutter oder den hülsen­ förmigen Anker einwirkt, verschiebt sodann die aus Anker, Mutter, Spindel und Ventil­ element bestehende Baugruppe und preßt das Ventilelement gegen den Ventilsitz. Bei Wiederaufnahme der Regelung wird der Antrieb betätigt, worauf die Mutter auf der ab­ gestützten Spindel in die Arbeitsposition zurückwandert, dabei den hülsenförmigen An­ ker gegen den Elektromagneten bewegt und außerdem die Schließfeder wieder vor­ spannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Ventil konstruktiv zu vereinfa­ chen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Ventil nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsbaugruppe relativ zum Ventilsitz bewegbar ist und daß an der An­ triebsbaugruppe sowohl die die permanente Schließkraft erzeugende Einrichtung als auch der Elektromagnet angreifen.

Im Falle der Sicherheitsabschaltung gibt der Elektromagnet die gesamte Antriebsbau­ gruppe frei, woraufhin sich diese unter Wirkung der permanenten Schließkraft in Rich­ tung auf den Ventilsitz bewegt und das Ventilelement gegen letzteren drückt. Bei Wie­ deraufnahme der Regelung wandert die gesamte Antriebsbaugruppe unter Überwin­ dung der permanenten Schließkraft in die Arbeitsposition zurück, in der sie von dem Elektromagneten gehalten wird. Der eigentliche Antrieb des Ventilelements kann ex­ trem einfach gestaltet werden, da seine Einzelkomponenten befreit sind von der Si­ cherheitsfunktion. Diese wird vielmehr von der kompletten Baugruppe übernommen, wobei die Halte- und Schließkräfte von außen auf die Baugruppe einwirken. Dabei sind die der Sicherheitsfunktion dienenden Bauteile sehr leicht zugänglich.

Zur drehfesten, aber verschieblichen Montage der Antriebsbaugruppe ist es vorteilhaft diese auf Zapfen zu führen, welche parallel zur Bewegungsrichtung des Ventilelements ausgerichtet sind.

Ferner wird als vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Elek­ tromagnet einen Tauchkern aufweist, der mit der Antriebsbaugruppe fest verbunden ist. Der Elektromagnet mit Tauchkern arbeitet mit vergleichsweise kleinem Luftspalt und dementsprechend gutem Wirkungsgrad. Vor allem eignet er sich optimal für eine kom­ pakte Bauweise.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal besteht darin, daß die Einrichtung zum Erzeugen der permanenten Schließkraft eine Feder ist. Diese Feder wird automatisch vorge­ spannt, wenn sich die Antriebsbaugruppe fort vom Ventilsitz bewegt. Diese Bewegung wird abgebrochen, sobald die Feder eine bestimmte Vorspannung erreicht hat und da­ durch anzeigt, daß die Antriebsbaugruppe in ihre Arbeitsposition gelangt ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein vorzugsweise ebenfalls abgefederter Anschlag vorgesehen sein, der die Bewegung der Antriebsbaugruppe fort vom Ventilsitz begrenzt. Ein starrer Anschlag ist grundsätzlich auch möglich, jedoch besteht dann die Gefahr, daß sich der Motor der Antriebsbaugruppe verklemmt und aus eigener Kraft nicht wieder freikommt.

Vorteilhafterweise wirkt der Anschlag mit dem Tauchkern des Elektromagneten zu­ sammen. Er bildet also einen festen Kernabschnitt des Elektromagneten, was ebenfalls dazu beiträgt, die Konstruktion einfach und kompakt zu gestalten.

Vorzugsweise ist ein von der Antriebsbaugruppe betätigbarer Schalter für den Elektro­ magneten vorgesehen. Sobald die Antriebsbaugruppe ihre Arbeitsposition erreicht hat betätigt sie diesen Schalter und setzt den Elektromagneten unter Strom, woraufhin die­ ser die Haltekraft für die Antriebsbaugruppe erzeugt. Der Elektromagnet wird also au­ tomatisch erregt, was zur vollelektronischen Steuerung des Ventils beiträgt. Der Schalter kann über den Anschlag betätigbar oder mit dem Anschlag kombiniert sein. Er kann auch seinerseits den Anschlag bilden.

Bei einer weiteren Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist das Ventil nach der Er­ findung dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet relativ zum Ventilsitz beweg­ bar ist und daß an dem Elektromagneten sowohl die Antriebsbaugruppe als auch die die permanente Schließkraft erzeugende Einrichtung angreifen.

Im Falle der Sicherheitsabschaltung gibt der Elektromagnet die die permante Schließ­ kraft erzeugende Einrichtung frei, woraufhin sich unter Wirkung der permanenten Schließkraft das Ventilelement gegen den Ventilsitz gedrückt wird.

Bei Wiederaufnahme der Regelung wandert das Ventilelement unter Überwindung der permanenten Schließkraft in die Arbeitsposition zurück, in der es von dem Elektroma­ gneten gehalten wird.

Der eigentliche Antrieb des Ventilelements kann extrem einfach gestaltet werden, da seine Einzelkomponenten befreit sind von der Sicherheitsfunktion. Diese wird vielmehr von dem Elektromagneten übernommen, wobei die Halte- und Schließkräfte von außen auf den Elektromagneten einwirken. Dabei sind die der Sicherheitsfunktion dienenden Bauteile sehr leicht zugänglich.

Hinzu kommt, daß der Elektromagnet nicht mehr das Eigengewicht der Antriebsbau­ gruppe, sondern nur die permanente Schließkraft, den Vordruck und das erheblich ge­ ringere Eigengewicht des Ventilelementes halten muß.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet eine Ankerplatte aufweist, die mittels einer Spindel mit dem Ventilelement fest verbun­ den ist. Die die permanente Schließkraft erzeugende Einrichtung ist zwischen Elektro­ magnet und Ankerplatte angeordnet.

Vorzugsweise ist ein von dem Elektromagneten betätigbarer Schalter für den Elektro­ magneten vorgesehen. Sobald die Antriebsbaugruppe den Elektromagneten in die Ar­ beitsposition gesetzt hat, betätigt der Elektromagnet diesen Schalter, so daß der Elek­ tromagnet unter Strom gesetzt wird, woraufhin dieser die Haltekraft für das Ventilele­ ment erzeugt. Der Elektromagnet kann also automatisch erregt werden, was zur vollau­ tomatischen Steuerung des Ventiles beiträgt.

Vorzugsweise ist auch bei dieser Ausführungsform die Einrichtung zum Erzeugen der permanenten Schließkraft eine Feder, die zwischen Elektromagnet und Ankerplatte wirkt. Sobald eine Sicherheitsabschaltung erforderlich ist, wird der Elektromagnet spannungsfrei geschaltet und die vorgespannte Feder kann sich entspannen und drückt die Ankerplatte und somit über die Spindel das Ventilelement innerhalb kürze­ ster Zeit gegen den Ventilsitz.

In einer wesentlicher Weiterbildung der Erfindung ist das Ventil gekennzeichnet durch je einen stromauf und stromab des Ventilsitzes angeordneten Drucksensor und eine Steuereinrichtung, die den vorzugsweise als Schrittschaltmotor ausgebildeten Motor in Abhängigkeit von der ermittelten Druckdifferenz nach einem vorgegebenen Kennfeld für den Hub des Ventilelements steuert, wobei das Kennfeld Hub, Druckdifferenz und Volumenstrom verknüpft. Auf diese Weise ist eine vollelektronische Steuerung möglich. Die Drucksensoren zeigen selbst bei kleinem Durchfluß eine große Druckdifferenz an so daß relativ unempfindliche und demnach kostengünstige Sensoren eingesetzt wer­ den können. Das Ventil arbeitet dabei als Volumenstromregler. Das Kennfeld wird ge­ messen und im Speicher der Steuerung abgelegt. Da die Drücke erfaßt werden, ist gleichermaßen eine Druckregelung möglich. Wenn die Temperatur des Fluides erfaßt wird, ist auch eine Massenstromregelung möglich.

Auf der Basis des erfindungsgemäßen Konzeptes besteht ferner die Möglichkeit, eine sehr genaue Gemischregelung durchzuführen. Hierzu wird je ein Ventil in der Gas- und in der Luftleitung angeordnet.

Die Erfindung wird im folgen anhand von zwei Ausführungsbeispielen im Zusammen­ hang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein Ventil nach einer ersten Ausführungsform am Ende der Initialisierungsphase;

Fig. 2 das Ventil in der Betriebsphase;

Fig. 3 das Ventil nach der Sicherheitsabschaltung;

Fig. 4 einen Axialschnitt durch ein Ventil nach einer zweiten Ausführungsform am Ende der Initialisierungsphase;

Fig. 5 das Ventil in der zweiten Ausführungsform in der Betriebsphase;

Fig. 6 das Ventil nach der zweiten Ausführungsform nach der Sicherheitsabschaltung.

Das Ventil weist ein Ventilgehäuse 1 auf, welches einen Ventilsitz 2 bildet. Dieser ist in Fig. 1 von einem Ventilelement 3 geschlossen. Das Ventilelement 3 sitzt an einer axial verschiebbaren Spindel 4, die Bestandteil einer Antriebsbaugruppe 5 ist. Die Antriebs­ baugruppe 5, die einen Schrittschaltmotor enthält, ist relativ zum Ventilsitz 2 bewegbar und wird auf Zapfen 6 geführt, die parallel zur Bewegungsrichtung des Ventilelementes ausgerichtet sind. Die Aufwärtsbewegung der Antriebsbaugruppe 5 wird von einem ab­ gefederten Anschlag 7 begrenzt. Eine Feder 8 verspannt die Antriebsbaugruppe 5 in Richtung auf den Ventilsitz 2.

Axial oberhalb der Antriebsbaugruppe 5 ist ein Elektromagnet 9 mit einem Tauch­ kern 10 angeordnet, der fest mit der Antriebsbaugruppe 5 verbunden ist und mit dem Anschlag 7 zusammenwirkt.

Bei Inbetriebnahme des Ventils ruht das Ventilelement 3 auf dem Ventilsitz 2. Die Spin­ del 4 der Antriebsbaugruppe 5 wird nun derart betätigt, daß die Antriebsbaugruppe 5 nach oben wandert und dabei die Feder 8 spannt, bis die von dem Anschlag 7 defi­ nierte Arbeitsposition erreicht ist. In den Anschlag 7 ist ein nicht dargestellter Schalter integriert, der den Elektromagneten 9 erregt, wodurch der Tauchkern 10 und damit die Antriebsbaugruppe 5 in der Spule gehalten werden. Diese Position ist in Fig. 1 darge­ stellt.

Das Ventil ist nun betriebsbereit. Der Elektromagnet 9 hält die Antriebsbaugruppe 5 gegen die Wirkung der Feder 8 in der Arbeitsposition fest, so daß die Spindel 4 mit dem Ventilelement 3 hochgefahren werden kann, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Steuerung der Ventilbewegung erfolgt elektronisch über den Schrittschaltmotor.

Im Falle einer Sicherheitsabschaltung wird der Elektromagnet 9 entregt. Dadurch ent­ fällt schlagartig die Haltekraft für die Antriebsbaugruppe 5. Die Feder 3 kann sich also entspannen und die Antriebsbaugruppe 5 ohne Zeitverzögerung in Richtung auf den Ventilsitz 2 bewegen, bis dieser vom Ventilelement 3 verschlossen ist. Diese Position ergibt sich aus Fig. 3.

Zur erneuten Inbetriebnahme des Ventils wird wiederum der Antrieb betätigt, bis die Position nach Fig. 1 erreicht ist.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt in einer kompakten, konstruktiv einfachen Bauweise. Die für die Sicherheitsabschaltung erforderliche Komponenten liegen au­ ßerhalb der Antriebsbaugruppe, so daß diese extrem einfach und platzsparend gestal­ tet werden kann. Im übrigen sind die für die Sicherheitsabschaltung erforderlichen Komponenten zu Wartungszwecken sehr leicht zugänglich. Die axiale Anordnung des Elektromagneten trägt weiterhin dazu bei, dem Ventil ein kompaktes, ansprechendes Äußeres zu verleihen.

Bei dem in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Ventil ist im Unterschied zum Ventil nach der ersten Ausführungsform die Antriebsbaugruppe 5, die einen Schrittschaltmotor enthält nicht bewegbar. Die Antriebsbaugruppe betätigt über die Spindel 4 den Elektromagne­ ten 9, der relativ zum Ventilsitz bewegbar ist. Das Ventilelement 3 ist über die Spin­ del 4 mit der Ankerplatte 9a fest verbunden. Die Feder 8 verspannt den Elektromagne­ ten in Richtung auf den Ventilsitz 2.

Bei Inbetriebnahme des Ventils ruht das Ventilelement 3 auf dem Ventilsitz 2. Die Spindel 4 der Antriebsbaugruppe 5 wird nun derart betätigt, daß der Elektromagnet nach unten wandert. Ein nicht dargestellter Schalter regt den Elektromagneten 9 an, wenn er die Ankerplatte berührt, wodurch die Ankerplatte und damit mittels der Spindel das Ventilelement 9 gehalten werden. Diese Position ist in Fig. 4 dargestellt.

Das Ventil ist nun betriebsbereit. Der Elektromagnet 9 hält die Ankerplatte 9a gegen die Wirkung der Feder 8 in der Arbeitsposition fest, so daß die Spindel 4 mit dem Ven­ tilelement 3 hochgefahren werden kann, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Die Steuerung der Ventilbewegung erfolgt elektronisch über den Schrittschaltmotor.

Im Falle einer Sicherheitsabschaltung wird der Elektromagnet 9 entregt. Dadurch ent­ fällt schlagartig die Haltekraft für die Ankerplatte 9a. Die Feder 8 kann sich also ent­ spannen und das Ventilelement 3 ohne Zeitverzögerung in Richtung auf den Ventilsitz bewegen, bis dieser vom Ventilelement 3 verschlossen ist. Diese Position ergibt sich aus Fig. 6.

Zur erneuten Inbetriebnahme des Ventils wird wiederum der Antrieb betätigt, bis die Position nach Fig. 4 erreicht ist. Der wesentliche Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß der Elektromagnet nicht mehr das Eigengewicht der Antriebsgruppe, son­ dern nur die Federkraft, die Kraft durch den Vordruck und das erheblich geringere Ei­ gengewicht von Ankerplatte 9a, Ventilelement 3 und Spindel 4 halten muß.

Zur vollelektronischen Steuerung des Ventilhubes ist eine nicht dargestellte Steuerein­ richtung vorgesehen, die mit einem stromauf des Ventilsitzes 2 vorgesehenen Druck­ sensor 12 und einem stromab des Ventilsitzes angeordneten Drucksensor 13 zusam­ menarbeitet. Ein vorher ermitteltes, in der Steuereinrichtung gespeichertes Kennfeld verknüpft die von den beiden Sensoren gelieferte Druckdifferenz mit dem Ventilhub und dem zugehörigen Volumenstrom. Da die Druckdifferenz selbst bei kleinem Volu­ menstrom relativ groß ist, kann mit relativ unempfindlichen, kostengünstigen Sensoren gearbeitet werden. Eine Druckregelung ist gleichermaßen möglich.

Durch Anordnung je eines erfindungsgemäßen Ventils in der Luft- und in der Gaslei­ tung bietet sich die Möglichkeit zu einer sehr genauen, voll elektronischen Gemischre­ gelung.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So kann der Elektromagnet als Ringmagnet gestaltet sein, der auf das Gehäuse der Antriebs­ baugruppe einwirkt. Zur Führung der Antriebsbaugruppe sind auch andere Mittel als die dargestellten Zapfen geeignet. Auch der Anschlag 7 kann an anderem Orte ange­ ordnet sein. Anstelle der Feder sind auch andere, beispielsweise pneumatische Vor­ spannmittel denkbar. Schließlich sei noch erwähnt, daß das Ventil abweichend von der dargestellten vertikalen Ausrichtung in jeder beliebigen Orientierung eingesetzt werden kann. Dadurch ändert sich lediglich die auf das System einwirkende Schwerkraftkom­ ponente.

Claims (11)

1. Steuerbares Ventil mit einem Ventilsitz (2), einem Ventilelement (3), das relativ zum Ventilsitz (2) bewegbar ist, einem als geschlossene Baugruppe (5) ausge­ bildeten, einen Motor aufweisenden Antrieb für das Ventilelement (3), einer Ein­ richtung zum Erzeugen einer permanenten Schließkraft, die das Ventilelement (3) in Richtung auf den Ventilsitz (2) belastet und einen Elektromagneten (9) zum Freisetzen der permanenten Schließkraft, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsbaugruppe (5) relativ zum Ventilsitz bewegbar ist und daß an der Antriebsbaugruppe (5) sowohl die die permanente Schließkraft erzeugende Einrichtung als auch der Elektromagnet (9) angreifen.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsbaugruppe (5) auf Zapfen (6) geführt ist, die parallel zur Bewegungsrichtung des Ventilelements (3) ausgerichtet sind.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (9) einen Tauchkern (10) auf­ weist, der mit der Antriebsbaugruppe (5) fest verbunden ist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise abgefederter Anschlag (7) vor­ gesehen ist, der die Bewegung der Antriebsbaugruppe (5) fort vom Ventilsitz (2) begrenzt.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (7) mit dem Tauchkern (10) des Elektromagneten (9) zusammenwirkt.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen von der Antriebsbaugruppe (5) betätigbaren Schalter für den Elektromagneten (9).

7. Steuerbares Ventil mit einem Ventilsitz (2), einem Ventilelement (3), das relativ zum Ventilsitz (2) bewegbar ist, einem als geschlossene Baugruppe (5) ausge­ bildeten, einen Motor aufweisenden Antrieb für das Ventilelement (3), einer Ein­ richtung zum Erzeugen einer permanenten Schließkraft, die das Ventilelement (3) in Richtung auf den Ventilsitz (2) belastet und einen Elektromagneten (9) zum Freisetzen der permanenten Schließkraft, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (9) relativ zum Ventilsitz be­ wegbar ist und daß an dem Elektromagneten (9) sowohl die Antriebsbaugruppe (5) als auch die die permanente Schließkraft erzeugende Einrichtung (8) angrei­ fen.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (9) eine Ankerplatte (9a) auf­ weist, die mittels einer Spindel (4) mit dem Ventilelement (3) fest verbunden ist.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 7 oder 8 gekennzeichnet durch einen von dem Elektromagneten (9) betätigbaren Schalter für den Elektromagneten (9).

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen der permanenten Schließkraft eine Feder (8) ist.

11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch je einen stromauf und stromab des Ventilsitzes (2) ange­ ordneten Drucksensor (12, 13) und eine Steuereinrichtung, die den vorzugs­ weise als Schrittschaltmotor ausgebildeten Motor in Abhängigkeit von der ermit­ telten Druckdifferenz nach einem vorgegebenen Kennfeld für den Hub des Ven­ tilelementes (3) steuert.