DE19729983C2 - Brandschutzventil zum selbsttätigen Absperren von Leitungen fluider Medien bei auftretenden Temperaturerhöhungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brandschutzventil zum selbsttätigen Absperren von Leitungen fluider Medien, insbesondere brennbarer Gase, bei auftretenden Temperaturerhöhungen mit einem federbelasteten, zumindest im Dichtungsbereich kugelförmigen Absperrkörper, mittels dem ein im Ventilgehäuse ausgebildeter Ventilsitz verschließbar ist und einem temperatursensitiven Bauelement, durch das in der Offenstellung des Ventils der Absperrkörper gegen die Wirkung einer in Schließrichtung wirkenden Feder gehalten ist, wobei der Werkstoff des Absperrkörpers von zumindest gleicher Härte wie der des Ventilsitzes ist, wobei der Ventilsitz eine sich in Bewegungsrichtung des Absperrkörpers schlank, verjüngende, kreiskeglige Ge­ stalt aufweist.

Derartige Brandschutzventile sind in den unterschiedlichsten Ausführungen bekannt. Sie dienen dazu, insbesondere Gasleitungen bei durch Feuer auftretenden Temperaturerhöhungen abzuschließen, indem das temperatursensitive Bauelement den Absperrkörper freigibt, so daß dieser durch die Wirkung der Federkraft gegen den Ventilsitz gedrückt wird. Um einen dichtenden Sitz des Absperrkörpers sicherzustellen, sehen einige der bekannten Brandschutzventile vor, daß der Absperrkörper noch in der Schließstellung durch die Federkraft gehalten wird. Dies ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß bei Ermüdung der Feder, beispielsweise aufgrund der Hitzeeinwirkung, die Dichtigkeit nicht mehr gewährleistet ist.

Aus der DE 295 11 991 U1 ist ein Sicherheitsventil zum Absperren von Leitungen für temperaturempfindliche Medien, insbesondere für brennbare Gase, bekannt, das einen durch eine Feder belasteten, linear in der Leitung geführten Absperrkörper enthält, der in der Schließstellung des Ventils einen Ventilsitz verschließt, dessen Achse mit der Leitungsachse gleichgerichtet ist. Der Absperrkörper weist dabei einen Kopf und einen Führungsstift auf, der in einer zentrischen Bohrung eines Stützelementes, an dem sich mit ihrem einen Ende auch die Feder abstützt, gehalten ist. Durch Schmelzen einer Lotlegierung bei einer bestimmten Temperatur wird der Absperrkörper freigegeben. Dieses vorbekannte Sicherheitsventil dient in erster Linie der Bereitstellung eines möglichst kostengünstigen Ventils, welches mit geringem wirtschaftlichen Aufwand herstellbar ist. Die einzelnen beschriebenen Elemente wie Stützelement, Absperrkörper bestehend aus Führungsstift und Kopf, dazwischen gespannte Feder und schließlich das in eine Bohrung des Stützelementes, in der der Führungsstift des Absperrkörpers geführt ist, eingeführte Schmelzlot, sind für sich genommen einfach herstellbare oder verfügbare Elemente. Das Endergebnis ist ein kostengünstiges Absperrventil, welches möglichst mit geringem Aufwand selbst in Leitungen einsetzbar sein soll. Die Forderung nach wirtschaftlichen Ventilen ist eine wichtige Randbedingung für den einschlägig tätigen Fachmann, da die Brandschutzventile möglichst umfangreich bei Gasinstallationen zur Erhöhung der allgemeinen Sicherheit verwendet werden sollen.

Bezüglich des eingangs bereits genannten Problems, daß die den Absperrkörper in den Ventilsitz bewegende Feder infolge der Hitzeeinwirkung im Brandfall ermüdet, sind Vorschläge bekannt, die ein Halten des Absperrkörpers im Ventilsitz auch im Falle einer nachlassenden Federkraft gewährleisten. Dazu ist aus der EP 0 605 551 B1 ein Brandschutzventil mit Schließfeder zum automatischen Absperren von Leitungen bei einer durch Brand entstehenden Temperaturerhöhung bekannt, das mit einem metallischen Schließkörper versehen ist, der im Dichtungsbereich eine kugelförmige Gestalt aufweist, wobei sich der Schließkörper in Offenstellung unter der Kraft der in Schließrichtung wirkenden Schließfeder einerseits durch ein temperaturempfindliches Bauelement und andererseits im Gehäuse abstützt, wobei der Durchmesser des metallischen Schließkörpers im Dichtungsbereich mit dem Durchmesser einer in das Gehäuse des Ventils eingearbeiteten Bohrung bei Schließstellung des Ventils einen leichten Preßsitz bildet, wobei dieser Bohrung bei Offenstellung des Ventils in Richtung des Schließkörpers eine axial zu der ersten Bohrung verlaufende zweite Bohrung vorgeordnet ist, deren Durchmesser mit dem Durchmesser des Abdichtelementes eine Spielpassung bildet, wobei sich daran ein in Richtung des in Offenstellung befindlichen Schließkörpers sich erweiternde kegelförmige Führung anschließt und wobei das temperaturempfindliche Bauelement an der Innenwand des Gehäuses anliegt oder an dieser befestigt ist.

Die Ausbildung einer Bohrung, die mit dem Durchmesser des Absperrkörpers bei Schließstellung des Ventils einen Preßsitz bildet, das heißt also die Ausbildung einer Preßpassung, gewährleistet, daß die infolge der Ausdehnung des Ventilsitzes aufgrund Temperatureinwirkung und unterstützt durch die in Schließrichtung wirkende Federkraft hergestellte Preßpassung zwischen Absperrkörper und Ventilsitz ein Festhalten des Absperrkörpers in Schließstellung auch dann gewährleistet, wenn die Feder erschlafft oder sonstwie ihre Funktion verliert. Als Nachteil dieses Brandschutzventiles erweist sich jedoch, daß es einem hohen fertigungstechnischen und kostenintensiven Aufwand unterliegt. Ursächlich hierfür ist die Funktionsweise, die derart erfolgt, daß sich bei einer auftretenden Temperaturerhöhung das temperaturempfindliche Bauelement löst, so daß der unter der Kraft der Schließfeder stehende Schließkörper freigegeben wird und entlang der gehäuseseitigen Abstützpunkte durch die kegelförmige Führung hindurch zuerst in die zweite Bohrung gelangt, in welcher sich der Schließkörper aufgrund der definierten Spielpassung noch zentrieren kann, und erst anschließend in der ersten Bohrung zu liegen kommt, in welcher sich der Schließkörper mit seinem kugelförmigen Dichtungsbereich verpreßt. Diese fertigungstechnisch aufwendig herzustellenden unterschiedlichen Bohrungstoleranzen sollen dazu dienen, daß durch die schlagartige Bewegung des Schließkörpers gegen den Ventilsitz auftretende etwaige Verformungen im Bereich der Dichtfläche vermieden werden, indem durch die in Bewegungsrichtung vorgelagerte Kante der mit einer Spielpassung versehenen Bohrung der Stoß aufgefangen und in Richtung der als Dichtsitz dienenden, mit einer Preßpassung versehenen Bohrung zentriert wird. Von besonderer Bedeutung ist dabei, daß der Schließkörper aus einem härteren Werkstoff als das Gehäuse gefertigt ist, so daß es lediglich zu einer Schädigung der zwischen Spielpaßbohrung und Preßpaßbohrung befindlichen Kante kommen kann und der Schließkörper selbst nahezu undeformiert bleibt, um befriedigende Dichtergebnisse zu erzielen. Aufgrund der kugelförmigen Ausgestaltung des Schließkörpers entsteht in der Preßpassungsbohrung ein linearer Dichtungsbereich, der aufgrund der durch die Preßpassung erzeugten Normalkräfte einen bleibenden Dichtungseffekt selbst bei Nachlassen der Spannkraft der Feder gewährleisten soll.

Die Ausbildung eines wie in der EP 0 605 551 B1 zur Lösung des Halteproblems bei Erschlaffen der Schließfeder vorgeschlagenen Ventilsitzes steht wegen des hohen Fertigungsaufwandes dem Einsatz eines wie aus der DE 295 11 991 U1 bekannten und zu Zwecken der wirtschaftlichen Herstellung einfach ausgebildeten Sicherheitsventils widersprüchlich entgegen.

Die DE 195 07 412 A1 offenbart ein Brandschutzventil der gattungsgemäßen Art, wobei ein federbelasteter kugelförmiger Schießkörper schraubstockartig zwischen einem temperaturempfindlichen Element und einem Gegenlager eingespannt ist. Der Schließkörper wird bei Auslösen des temperaturempfindlichen Elements aus der Schraubstockhalterung herausgelöst und durch die Feder in Richtung Ventilsitz gedrückt, der gemäß den Offenbarungen der DE 195 07 412 A1 trichterförmig ausgebildet sein kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitsventil bereitzustellen, welches bei wirtschaftlichem Fertigungsaufwand einen dauerhaften Schließsitz auch bei nachlassender Federkraft bei reproduzierbarer Dichtigkeit gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist ein dauerhaft dichtender Sitz des Absperrkörpers in der Schließstellung des Ventils gewährleistet, selbst wenn infolge der Temperaturerhöhung oder zusätzlich auftretenden Stoßeinwirkungen die Anpreßkraft durch die Feder entfällt. Ursächlich hierfür sind vor allem die sich in der Berührungsfläche zwischen Absperrkörper und Ventilsitz ausbildenden Normal- und Reibungskräfte, die durch das stoßartige Abschießen des Absperrkörpers entstehen.

Von besonderem Vorteil ist es, daß der Ventilsitz mit einem Winkel (α) ≦ 6° versehen ist, da sich dann besonders hohe Reibwiderstände ergeben und der Absperrkörper in axialer Richtung geführt ist, so daß ein nahezu verkantungsfreies Auftreffen des Absperrkörpers auf den Ventilsitz sichergestellt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das temperatursensitive Bauelement als ein in einem an der Innenwandung des Ventilgehäuses fixierbaren Stützelement angeordnetes, temperatursensitives Halteelement ausgebildet, so daß einerseits eine sichere Abstützung des Absperrkörpers im Ventilgehäuse stattfindet und andererseits eine gute Wärmeübertragung und damit eine rechtzeitige Auslösung des Brandschutzventils gewährleistet ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Halteelement eine Schmelzlotlegierung, die bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur ihre Bindekraft verliert und damit den Absperrkörper freigibt.

Schließlich wird vorgeschlagen, daß der Absperrkörper und der Ventilsitz jeweils aus Metall sind, um auch sehr hohen Temperaturen Stand zu halten.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Zeichnung, anhand der unter anderem ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist, und zwar zeigen:

Fig. 1 ein Rohranschlußstück mit integriertem Brandschutzventil in einer teilgeschnittenen Darstellung;

Fig. 2 das Brandschutzventil in einer teilgeschnittenen Darstellung;

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform eines Brandschutzventils in einer teilgeschnittenen Darstellung;

Fig. 4 das Stützelement des Brandschutzventils als Einzelteil in einer teilgeschnittenen Darstellung;

Fig. 5 eine schematische Veranschaulichung des Dichtsitzes des aus der EP 0 605 551 B1 bekannten Brandschutzventils;

Fig. 5a eine schematische Veranschaulichung des Dichtsitzes einer impulslosen Paarung Absperrkörper-Ventilsitz und

Fig. 5b eine schematische Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Dichtsitzes mit im wesentlichen ringförmiger Berührungsfläche.

In Fig. 5 ist in veranschaulichender Weise der Dichtsitz des aus der EP 0 605 551 B1 bekannten Brandschutzventiles dargestellt. Ein kugelförmiger Absperrkörper mit dem Durchmesser dK ist in Richtung des abgebildeten Pfeils in einer als Ventilsitz dienenden zylindrischen Bohrung mit dem Bohrungsdurchmesser dB gedrückt. Der Bohrungsdurchmesser dB ist geringer als der des kugelförmigen Schließkörpers, so daß aufgrund des vorhandenen Übermaßes durch das Zusammenfügen eine Preßpassung vorliegt. Die Abdichtung erfolgt aufgrund der entlang der Äquatorlinie wirkenden Normalkräfte, die somit eine lineare Dichtung erzeugen. Im Gegensatz dazu ist in Fig. 5a ein kugelförmiger Schließkörper in einem unter dem Winkel α sich konisch verjüngenden Ventilsitz dargestellt. Der Schließkörper und der Ventilsitz sind dabei ohne wirkende Impulskräfte aufeinander gelegt, so daß sich bei diesem idealisierten Fall ebenfalls eine lineare Berührung von Schließkörper und Ventilsitz ergibt, die jedoch in Pfeilrichtung hinter der Äquatorlinie stattfindet. Die Abdichtung wird im Vergleich zu dem in Fig. 5 dargestellten Dichtsitz nicht mehr durch infolge eines vorhandenen Übermaßes induzierte Normalspannungen erreicht, sondern erfolgt durch Auflagerreaktionen, die sich in eine Querkraftkomponente und eine dazu senkrechte, entgegen der Pfeilrichtung wirkende Kraftkomponente aufteilen lassen. Am Ort der Auflagerreaktionen weisen dabei Ventilsitz und Schließkörper gleiche Durchmesser auf (dKS = dT).

Während - wie bereits erwähnt - in Fig. 5a ein idealisierter Fall dargestellt ist, ist Fig. 5b der erfindungsgemäße Dichtsitz zu entnehmen. Der Schließkörper ist dabei aus einem Material gefertigt, das eine zumindest gleich große Härte wie der Ventilsitz aufweist, insbesondere jedoch von höherer Härte als der Ventilsitz ist. Durch die kinetische Energie des Schließkörpers entsteht dann beim Einschlag eine im wesentlichen ringförmige Berührungsfläche 24, deren Durchmesser auch in einem infinitesimal kleinen Abschnitt stets dem Durchmesser des Ventilsitzes an dieser Stelle entspricht. Vor allem durch den in der ringförmigen Berührungsfläche 24 erzeugten Reibungswiderstand ist ein dauerhafter Schließsitz mit reproduzierbarer Dichtigkeit sichergestellt.

Ein den erfindungsgemäßen Dichtsitz verwirklichendes Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, und wird im folgenden näher erläutert:

Das in Fig. 1 gezeigte Rohranschlußstück 1 weist eine vormontierbare Baueinheit 2 auf, die aus einem Absperrkörper 3, einem Stützelement 4 sowie einem Federelement 5 besteht. Wie auch den Fig. 2 und 3 zu entnehmen ist, schlägt der durch das Federelement 5 belastete und linear in der gleichzeitig als Ventilgehäuse dienenden Leitung 1 geführte Absperrkörper 3 in der Schließstellung des Ventils gegen einen sich in Bewegungsrichtung des Absperrkörpers 3 schlank verjüngenden, kreiskegeligen Ventilsitz 6, der koaxial zu der Achse der Leitung 1 ausgerichtet ist. Der Absperrkörper 3 besteht aus einem Kopfelement 7 und einem Führungsstift 8, der in einer zentrischen Bohrung 9 des Stützelementes 4 gehalten ist.

Das in Fig. 4 als Einzelteil dargestellte Stützelement 4 weist einen Zentralbereich 10 auf, an dem unter einem Winkel von jeweils 120° sternförmig Haltebeine 11 angeordnet sind, mittels denen das Stützelement 4 in dem Rohranschlußstück 1 verstemmbar ist. Zu diesem Zweck sind die Enden der Haltebeine 11 in radialer Richtung mit einem Vorsprung 12 und einer Einkerbung 25 versehen, welche in eine umlaufende Nut 13 an der Innenumfangsfläche des Rohranschlußstücks 1 eingreifen und auf diese Weise das Stützelement 4 sowohl in der Offenstellung als auch in der Schließstellung des Ventils fixieren.

Das Federelement 5 stützt sich mit seinem einen Ende 14 an dem Stützelement 4 und mit seinem anderen, dem Stützelement 4 abgewandten Ende 15 am Kopfelement 7 des Absperrkörpers 3 ab. Das Kopfelement 7 weist zu diesem Zweck eine Aussparung 16 auf, die neben dem Ende 15 des Federelementes 5 auch den Führungsstift 8 teilweise aufnimmt. Wie deutlich in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, läßt sich der Führungsstift 8 in einen Gewindeabschnitt 17, mittels dem der Führungsstift 8 und das Kopfelement 7 verbunden sind, einen als Anschlag gegenüber dem Stützelement 4 wirkenden Zentralabschnitt 18 sowie einen Halteabschnitt 19, der das Stützelement 4 in der zentrischen Bohrung 9 durchragt, einteilen.

Das den Halteabschnitt 19 des Führungsstiftes 8 und das Stützelement 4 miteinander verbindende Halteelement 20 ist eine Schmelzlotlegierung, die bei einer vorbestimmbaren Temperatur ihre Bindekraft verliert und damit den Führungsstift 8 bzw. den Absperrkörper 3 freigibt. Als Lotlegierungen können dabei Weichlote verwendet werden, die bereits in einem Temperaturbereich von etwa 50°C bis 120°C ihre Bindekraft verlieren.

Um eine strömungsmechanisch günstige Form des Absperrkörpers 3 zu erhalten, weist das Kopfelement 7 des Absperrkörpers 3 einen als Kugelsegment ausgebildeten Abschnitt 21 auf, der im Schließzustand des Ventils auf den Ventilsitz 6 drückt und dort eine Dichtfläche bildet. Die sich beidseitig dieses Kugelsegmentabschnittes 21 erstreckenden Abschnitte 22 und 23 weisen hingegen die Form eines einschaligen Hyperboloids auf, die - wie auch aus der alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 3 ersichtlich - unterschiedliche Steigungen haben können.

Das erfindungsgemäße Brandschutzventil zeichnet sich durch eine kurze Schließzeit und einen sicheren, reproduzierbaren Dichtsitz aus. Durch die Führungsstange 8 ist eine lineare und verkantungsfreie Führung des Absperrkörpers 3 bis zum Ventilsitz 6 gewährleistet. Durch die kegelförmige Ausgestaltung des Ventilsitzes, vorzugsweise unter einem Winkel α von weniger als 6°, läßt sich mit geringem fertigungstechnischen Aufwand ein dauerhafter Dichtsitz in der Schließstellung des Sicherheitsventils erreichen. Da der für den Absperrkörper 3 verwendete Werkstoff von zumindest gleicher Härte wie der des Ventilsitzes 6 ist, entsteht durch den hohen Impuls des Absperrkörpers 3 beim Aufschlag gegen den Ventilsitz 6 eine im wesentlichen ringförmige Berührungsfläche zwischen Ventilsitz 6 und Absperrkörper 3, die einen hohen Reibungswiderstand erzeugt, so daß sich eine besonders hohe Haftung erreichen läßt, die im Vergleich zu bekannten Lösungen ohne fertigungstechnisch aufwendige Passungstoleranzen hervorgerufen wird.

Bezugszeichenliste

1

Rohranschlußstück

2

vormontierbare Baueinheit

3

Absperrkörper

4

Stützelement

5

Federelement

6

Ventilsitz

7

Kopfelement

8

Führungsstift

9

zentrische Bohrung

10

Zentralbereich

11

Haltebeine

12

Vorsprung

13

umlaufende Nut

14

Ende des Federelementes

15

Ende des Federelementes

16

Aussparung

17

Gewindeabschnitt

18

Zentralabschnitt

19

Halteabschnitt

20

Halteelement

21

Kugelsegment

22

Hyperboloidabschnitt

23

Hyperboloidabschnitt

24

ringförmige Berührungsfläche

25

Einkerbung
αWinkel
dBBohrungsdurchmesser
dKKugeldurchmesser
dKSKugelsegmentdurchmesser
dTVentilsitzdurchmesser an der Stelle des Kugelsegmentes

Claims (4)

1. Brandschutzventil zum selbsttätigen Absperren von Leitungen fluider Medien, insbesondere brennbarer Gase, bei auftretenden Temperaturerhöhungen mit einem federbelasteten, zumindest im Dichtungsbereich kugelförmigen Absperrkörper (3), mittels dem ein im Ventilgehäuse (1) ausgebildeter Ventilsitz (6) verschließbar ist und einem temperatursensitiven Bauelement, durch das in der Offenstellung des Ventils der Absperrkörper (3) gegen die Wirkung einer in Schließrichtung wirkenden Feder gehalten ist, wobei der Werkstoff des Absperrkörpers (3) von zumindest gleicher Härte wie der des Ventilsitzes (6) ist, wobei der Ventilsitz (6) eine sich in Bewegungsrichtung des Absperrkörpers (3) schlank verjüngende, kreiskegelige Gestalt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (6) mit einem Winkel (α) ≦ 6° versehen ist, an dessen Innenumfangsfläche der Absperrkörper (3) flächig anliegend einklemmbar ist, und daß der Absperrkörper (3) in axialer Richtung geführt ist.

2. Sicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das temperatursensitive Bauelement als ein in einem an der Innenwandung des Ventilgehäuses (1) fixierbaren Stützelement (4) angeordnetes, temperatursensitives Halteelement (20) ausgebildet ist.

3. Sicherheitsventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das temperatursensitive Halteelement (20) eine Schmelzlotlegierung ist.

4. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absperrkörper (3) und der Ventilsitz (6) jeweils aus Metall sind.