DE19623718C1 - Steuerventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für die Steuerung des Volumenstromes von flüssigen, vorzugsweise gasförmigen, Fluiden nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Steuerventile, mit denen der Strom eines flüssigen oder gasförmigen Fluides gesteuert werden kann, sind in den verschiedensten Bereichen der Technik zu finden. Diese Ventile können grundsätzlich danach unterschieden werden, ob sie den Volumenstrom nur zwischen zwei Zuständen (offen oder geschlossen) beeinflussen können, oder ob sie eine kontinuierliche Steuerung des Volumenstromes zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert ermöglichen. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil der letzteren Art, d. h. mit einem kontinuierlichen Bereich einstellbarer Volumenströme. Ferner wird im Rahmen dieser Erfindung auf den Einsatz von Hilfsenergien, insbesondere elektrischer Energie, verzichtet.

Die DE 25 33 923 A1 beschreibt im Zusammenhang mit einem Brennstoff-Regelsystem für Gasturbinen u. a. mechanische Regelventile. So zeigt Fig. 3 im Zusammenhang mit der Beschreibung auf Seite 4/5 ein Ventil, das einen Volumenstrom zwischen einem Einlaß (45) und einem Auslaß (76) mengenmäßig dadurch regelt, daß ein Spindel-Regelelement (46) verschoben wird und dabei die Durchflußstelle mehr oder weniger verschließt bzw. frei gibt. Die Bewegung des Spindel-Regelelementes erfolgt durch ein Drucksignal in einer Kammer (50) die am Kopf des Elementes angeordnet ist. In diese Kammer wird über eine Leitung (47) Gas aus einem anderen Teil der Anlage eingeleitet, welches die Steuerung des Spindel-Regelelementes und damit des Volumenstromes übernehmen soll. Das Spindel-Regelelement (46) wird durch eine vorgespannte Feder (49) in die Ruhestellung (Durchfluß geschlossen) gedrückt. Der Steuerdruck in der Kammer (50) muß gegen diesen Federdruck arbeiten. Das beschriebene Regelventil ist Teil einer komplizierten Gesamtvorrichtung, die insbesondere noch weitere, mit elektrischer Energie betriebene Maßnahmen vorsieht, um einen Druckabbau in der Kammer (50) zu erreichen.

Das Gebrauchsmuster DE 93 16 918 U1 beschreibt ebenfalls als Teil einer Gesamtanlage zur Gas/Luft-Verbundregelung ein mechanisches Regelventil. Dieses ist in Fig. 3 dargestellt und wird auf den Seiten 18, 19 beschrieben. Der Gasstrom bewegt sich zwischen einem Bereich mit dem Eingangsdruck p_e zu dem Bereich mit dem Ausgangsdruck p_a. Er durchströmt dabei die Drosselstelle eines Ventils, welches u. a. durch das bewegliche Stellglied (1) gebildet wird. Dieses Stellglied (1) ist an einer Membran (2) befestigt und kann durch die Positionsveränderung der Membran zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand bewegt werden. Der Ausschlag der Membran (2) wird dabei über die Drucke auf beiden Seiten der Membran gesteuert. Dabei erhält die eine Seite der Membran über einen Kanal (3) im Stellglied (1) den Druck p_e, der eingangsseitig herrscht, während die andere Seite der Membran über eine Öffnung (6) den Druck p_m hinter der Drosselsteile erhält. In Abhängigkeit von der Differenz dieser Drucke erfolgt eine Verschiebung des Stellgliedes (1) und damit eine Steuerung des Volumenstroms. Das beschriebene Ventil ist auch hier Teil einer komplexen Gesamtvorrichtung, die noch zahlreiche weitere Einzelelement umfaßt.

Nachteilig bei den beschriebenen Ventilen ist außer der Tatsache, daß sie sich kaum aus dem technischen Gesamtzusammenhang trennen lassen, daß bei dem System nach der DE 25 33 923 A1 die Steuerung des Volumenstromes unabhängig von den Drucken innerhalb dieses Stromes selbst erfolgt. Vielmehr ist dort ein eigenes, unabhängiges Steuerdrucksignal erforderlich, welches überdies mit elektrisch betriebenen Anlagen kontrolliert wird. Die Position des Ventiles nach dem Gebrauchsmuster 93 16 918 hängt dagegen von der Differenz der Drucke unmittelbar vor und hinter der Drosselstelle ab. Das Stellglied (1) hat demgegenüber keine bevorzugte Voreinstellung (außer ggfs. durch sein Eigengewicht). Die beschriebenen Ventile sind daher nicht einsetzbar, wenn es darum geht, eigen Volumenstrom in Abhängigkeit vom absoluten Druck hinter der Drosselstelle zu regulieren.

Die DE 44 45 588 A1 beschreibt ein membrangesteuertes Differenzdruckventil, bei welchem der ausgangsseitige Druck des Fluides durch eine Öffnung in eine untere Druckkammer geleitet wird. Die untere Druckkammer ist dabei auf einer Seite durch eine bewegliche Membran zu einer oberen Druckkammer hin abgegrenzt. Über eine Ventilstange ist das Ventil an die Membranseite gekoppelt, welche der unteren Druckkammer zugewandt ist. Die der oberen Druckkammer zugewandte Membranseite steht unter dem Gegendruck einer elastischen Feder. Eine Änderung der Druckdifferenz über die Membran hinweg bewirkt eine Verschiebung der Membran und damit der Ventilstange. Dabei findet eine Schließung des Ventils statt, wenn der ausgangsseitige Druck des Fluides zunimmt.

Ein derartiges Steuerventil ist ungeeignet für die arbeitslastabhängige Volumenstromsteuerung an druckbetriebenen Maschinen. Denn hierbei würde es gerade in dem Moment zu einer Reduzierung des Volumenstromes führen, wenn eine hohe Arbeitslast anfällt.

Auch die DE-OS 21 58 169 offenbart ein Regelventil, in welchem eine Druckkammer durch eine bewegliche Membran zweigeteilt ist und ein mit der Membran verbundenes Ventil unter dem Gegendruck einer Feder verschoben wird. Auch hier wirkt die Federkraft so, daß sie zu einer Öffnung des Ventils tendiert. Nur durch entsprechenden Gegendruck in der unteren Druckkammer, der auf spezielle Weise u. a. durch eine Venturidüse erzeugt wird, erfolgt ein Verschließen des Ventils. Auch dieses Regelventil ist daher für arbeitslastabhängige Volumenstromsteuerung ungeeignet.

Demgegenüber hat sich vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, ein mechanisches Steuerventil zur Verfügung zu stellen, das ohne weitere Hilfsenergien auskommt und bei dem der absolute Druck hinter der Drosselstelle die Durchflußmenge des Gases bestimmt. Dieser Druck hängt vom Energiebedarf der nachgeschalteten Arbeitsmaschine ab. Der Volumenstrom soll so gesteuert werden, daß er sich dem Energiebedarf der Arbeitsmaschine anpaßt. Das kompakte Steuerventil soll dabei als eigenständige Armatur nicht vom technischen Aufbau der nachgeschalteten Arbeitsmaschine abhängen.

Diese Aufgabe wird durch ein Steuerventil gelöst, welches eine Drosselstelle mit einem beweglichen Schließelement sowie eine Druckkammer enthält, wobei der strömungsseitig hinter der Drosselstelle herrschende Druck des Fluides in die Druckkammer übertragen wird und dort mechanisch auf die Position des Schließelementes einwirken kann. Dieses Steuerventil ist dadurch gekennzeichnet, daß auf das Schließelement eine positionsabhängige Gegenkraft zum Druck in der Druckkammer einwirkt, so daß die Kräftebilanz am Schließelement dessen Position bestimmt. Dabei wirkt diese positionsabhängige Gegenkraft in dem Sinne, daß sie bei nachlassendem Druck in der Druckkammer zu einer Verengung der Drosselkammer tendiert. Dadurch wird der Volumenstrom reduziert. Für die übliche Einsatzweise des Steuerventils ist die Sicherstellung einer Restöffnung für das Auffahren wesentlich. Dem Steuerventil wird daher eine Absperrarmatur vorgeschaltet. Das erfindungsgemäße Steuerventil kann direkt in verschiedensten Gasströmen eingesetzt werden. Es benötigt keine weiteren Hilfsanschlüsse zur Versorgung mit Steuerdrucken oder mit Steuerenergie. Der Verzicht auf elektrische Energie bedeutet dabei insbesondere einen Sicherheitsfaktor in Bereichen, wo die Vermeidung von Zündfunken geboten ist. Die Energie für die Bewegung des Stellgliedes wird unmittelbar dem zu regelnden Gasstrom entnommen. Durch Vorgabe der positionsabhängigen Gegenkraft kann dabei jeder gewünschte Zusammenhang zwischen dem Druck hinter der Drosselstelle und dem Volumenstrom hergestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Steuerventils bewegt sich das Schließelement zwischen Anschlägen, von denen mindestens einer verstellbar ist und somit eine Auswahl des maximal und/oder minimal möglichen Volumenstromes erlaubt.

Vorzugsweise wird die positionsabhängige Gegenkraft durch eine Feder, z. B. eine Spiral- oder Blattfeder, erzeugt. In diesem Falle herrscht ein in etwa linearer Zusammenhang zwischen der Position des Verschließelementes und der Größe der Gegenkraft. Ebenso ist es möglich, das Verschließelement gegen ein abgeschlossenes, komprimierbares Gasvolumen an drücken zu lassen. Bei beiden Realisierungsarten der Gegenkraft wird vorzugsweise ein Einstellmechanismus vorgesehen, über welchen die Vorspannung der Feder bzw. der Druck des komprimierbaren Gasvolumens regelbar ist. Diese Einstellung der Vorspannung auf das Schließelement bestimmt, welche Mindestgröße der Druck hinter der Drosselstelle annehmen muß, um überhaupt erst eine Bewegung des Schließelementes und damit eine Veränderung des Volumenstromes zu bewirken.

Zur Erfindung gehört auch die Verwendung des beschriebenen Steuerventils für die Steuerung des Volumenstromes eines Arbeitsgases von druckbetriebenen Geräten, wobei diese Steuerung ohne Hilfsenergien so erfolgen soll, daß das Arbeitsgerät einen der Arbeitslast optimal angepaßten Volumenstrom erhält. Insbesondere erfolgt die Verwendung des Steuerventils im Zusammenhang mit periodisch arbeitenden Geräten wie z. B. Membranpumpen oder Kolbenantriebe von Mischorganen für Vorratstanks von flüssigen Chemikalien (z. B. Lack). Bislang werden derartige Geräte mit einem konstanten Volumenstrom des Arbeitsgases betrieben. Sobald die Arbeitslast des Gerätes abnimmt (z. B. Leerlaufpumpen bei der Membranpumpe, geringer Füllstand in Tanks mit Mischorganen) steht aufgrund des gleichbleibenden Volumenstromes ein Überangebot an Arbeitsenergie zur Verfügung. Diese überschüssige Energie führt in der Regel dazu, daß das Arbeitsgerät eine erhöhte Taktfrequenz annimmt und mit erheblichen Kräften in die Anschläge getrieben wird. Dies führt zu einem starken Verschleiß der Maschinenteile. Mit dem Einsatz des erfindungsgemäßen Steuerventils werden derartige Nachteile vermieden. Sobald die Arbeitslast des Gerätes sinkt, sinkt auch der Druck des Arbeitsgases hinter der Drosselstelle des Steuerventils. Denn dieser Druck entspricht dem Arbeitsdruck innerhalb des Gerätes, z. B. im Hubkolben. Ein derartiger Abfall des absoluten Druckes wird dann jedoch vom Steuerventil mit einer Verminderung des Volumenstromes beantwortet, d. h., die dem Gerät zugeführte Energie wird verringert.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Steuerventil anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der Figur beschrieben.

Das Steuerventil 1 steuert den Volumenstrom eines Fluides 2, z. B. von Druckluft. Diese Druckluft strömt von der Eingangsseite 2a über die Drosselstelle 3 zur Ausgangsseite 2b. Die Drosselstelle 3 ist durch den beweglichen Stempel 4 teilweise verschließbar. Im vorliegenden Falle bleibt auch bei Aufsitzen des Stempels 4 auf dem Anschlag 7 eine restliche Öffnung für den Durchfluß des Gases 2. Wenn Druckluft 2 über die Zuleitung 2a dem Steuerventil zugeführt wird, strömt diese zunächst über die Restöffnung an der Drosselstelle 3 vorbei und über den Ausgang 2b des Ventils in das Arbeitsgerät. Wenn sich dort ein entsprechender Druck aufgebaut hat, wirkt dieser in den Ausgangsbereich 2b des Steuerventils zurück und gelangt dort durch die Öffnung 6 im Stempel 4 in eine Druckkammer 5. Die Fortleitung des hinter der Drosselstelle 3 gelegenen Druckes über eine im Stempel selbst gelegene Leitung 6 ist eine besonders platzsparende Methode zur Übertragung des Steuerdruckes. Ebenso ist es jedoch auch möglich, eigene zusätzliche Leitungen vorzusehen, die den Ventilausgang 2b mit der Druckkammer 5 verbinden. Die Druckkammer 5 wird an der oberen Seite von einer Fläche abgeschlossen, die mit dem Stempel 4 fest verbunden ist. Eine Erhöhung des Druckes in der Kammer 5 kann dann zu einer Vergrößerung dieser Kammer führen, indem die bewegliche, mit dem Stempel 4 verbundene obere Fläche nach oben geschoben wird. Bei dieser Bewegung wird der Stempel 4 aus der Drosselengstelle herausgezogen und gibt somit einen größeren Querschnitt für den Durchfluß des Gases 2 frei.

Der Stempel 4 steht unter der Vorspannung einer Feder 8. Diese Feder 8 drückt ihn nach unten, d. h. in eine die Drosselstelle 3 weitgehend verschließende Position. Der Gasdruck in der Druckkammer 5 muß daher gegen die Vorspannung der Feder 8 arbeiten. Die Gegenkraft der Feder 8 nimmt dabei in etwa linear mit der Auslenkung des Stempels 4 aus der Ruhelage zu.

Am unteren Ende der Druckkammer 5 befindet sich der Anschlag 7, auf dem der Stempel im nicht angehobenen Zustand aufsitzt. Durch Verdrehen der Spindel 10 im Stempel 4 kann die minimale Durchflußmenge bestimmt werden. Mit der Stellmutter 12 wird der obere Anschlag 11 für die maximale Durchflußmenge eingestellt.

Am oberen Ende des Steuerventils ist ein Schraubaufsatz 9 vorgesehen, durch dessen Herauf- oder Herunterschrauben die Vorspannung der Feder 8 eingestellt werden kann. Das obere Ende des Stempels 4 ragt etwas aus dem Deckelaufsatz 9 heraus und zeigt auf diese Weise nach außen hin die Position des Stempels 4 an.

Das erfindungsgemäße Ventil ist mit Erfolg im Bereich der Lackindustrie eingesetzt worden. In diesem Bereich werden Geräte aus Gründen des Explosionsschutzes häufig ohne elektrische Energie betrieben, da diese ein Grund für Funkenbildung sein kann. Typische Geräte in diesem Bereich sind z. B. Membranpumpen für die Förderung von Flüssigkeiten oder Mischorgane, die den Inhalt großer Vorratstanks ständig in Bewegung halten, um ein Absetzen des Materials zu vermeiden. Derartige Geräte werden in der Regel mit Druckluft betrieben und haben eine periodische Arbeitsweise, d. h., sie durchlaufen wiederholt denselben Arbeitszyklus. Naturgemäß unterliegen derartige Geräte einer wechselnden Arbeitslast. So braucht z. B. eine Membranpumpe keine Arbeit mehr zu leisten, wenn das Entnahmegefäß leergepumpt worden ist. Ebenso erfordert das Mischen eines kaum noch gefüllten Vorratstankes nur einen Bruchteil der Energie, die für das Durchmischen eines vollen Tankes erforderlich ist. In derartigen Fällen ist es zwar möglich, die Druckluftzufuhr manuell zu reduzieren und somit für eine Verringerung der Energiezufuhr zum Arbeitsgerät zu sorgen (die dem Gerät zugeführte Energie setzt sich zusammen aus dem Produkt von Gasvolumenstrom und Gasdruck). Ein solcher manueller Eingriff erfolgt jedoch nur in den seltesten Fällen, da die beschriebenen Anlage weitestgehend automatisiert ablaufen bzw. nicht einer ständigen Kontrolle unterliegen. Zudem ist eine derartige manuelle Kontrolle aufwendig. Mit dem Einsatz des erfindungsgemäßen Steuerventils ist es dagegen erfolgreich gelungen, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und die Arbeitsgeräte im Zustand geringer Arbeitslast mit einer entsprechend reduzierten Menge des Arbeitsgases zu versorgen. Hierdurch wird zum einen Energie und teure Druckluft gespart, zum anderen werden die Arbeitsgeräte ganz erheblich geschont, da die zuviel zu geführte Energie in der Regel im Gerät selbst und zu seinem Schaden verbraucht wird. So ist z. B. regelmäßig zu beobachten, daß die geringbelasteten Geräte mit erheblicher Wucht in ihre Anschläge laufen, was zwangsläufig zu einer Belastung und zu einem frühen Verschleiß führt. Bei Membranpumpen führt dies z. B. regelmäßig dazu, daß in Abständen von wenigen Monaten teure Membranen aus Gummi und PTFE unter mehrstündigem Arbeitsaufwand gewechselt werden müssen. Das erfindungsgemäße Ventil brachte hier eine Verlängerung der Lebensdauer um ca. 20%. Im Bereich der Membranpumpen wird mit einem Druck vor dem Steuerventil von 0,5 bis hin zu 6 bis 10 bar gearbeitet. Der Druck hinter der Drosselstelle beträgt 0 bis 6 bar und die Flußgeschwindigkeit der Druckluft beträgt typischerweise 10 m/s. Mit derartigen Pumpen können Volumenströme von 6 bis 8 m³/h an Lack befördert werden.

Claims (5)

1. Steuerventil (1) für die Steuerung des Volumenstromes von flüssigen, vorzugsweise gasförmigen Fluiden (2), enthaltend eine Drosselstelle (3) mit einem beweglichen Schließelement (4) und eine Druckkammer (5), wobei der strömungsseitig hinter der Drosselstelle (3) herrschende Druck des Fluides (2b) über Verbindungen (6) in die Druckkammer (5) übertragen wird und dort über eine bewegliche, mit dem Schließelement (4) verbundene Fläche, die eine Seite der Druckkammer abschließt, auf die Position des Schließelementes (4) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Schließelement (4) ein Mittel (8) zur Erzeugung einer positionsabhängigen Gegenkraft gegen die Druckkraft in der Druckkammer (5) einwirkt, daß die positionsabhängige Gegenkraft zu einer Verengung der Drosselstelle (3) hinwirkt, wobei die Kräftebilanz am Schließelement (4) dessen Position bestimmt.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Volumenstrom durch die Drosselstelle (3) durch einen verstellbaren Anschlag (11) und der minimale durch Verdrehen einer Spindel (10) bestimmbar ist.

3. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsabhängige Gegenkraft durch eine Feder (8) oder ein komprimierbares Gasvolumen erzeugt wird.

4. Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Einstellmechanismus (9) die Vorspannung der Feder (8) oder des komprimierbaren Gasvolumens vorwählbar ist.

5. Verwendung eines Steuerventils nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur hilfsenergiefreien arbeitslastgerechten Steuerung des Volumenstromes des Arbeitsgases in druckluftbetriebenen Geräten, insbesondere in Geräten wie Membranpumpen oder Kolbenantrieben mit oszillierenden Bewegungen.