DE19917431C2 - Ventilarmatur für einen Druckbehälter - Google Patents

Ventilarmatur für einen Druckbehälter

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Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilarmatur für einen Druckbehälter gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des An­ spruchs 1.
Druckbehälter, insbesondere Hochdruck-Gasflaschen, dienen zur Aufnahme und Lieferung von unterschiedlichen Gasen. Die Druckbehälter enthalten die Gase entweder in gasför­ migem Zustand bei hohen Drücken oder, beispielsweise im Falle von Kohlendioxid als unter Druck stehende Flüssig­ keit. Andere Gase, z. B. Acetylen, sind unter Druck im Be­ hälter zur Vermeidung von Explosionsgefahr in einem Auf­ nahmemedium wie Aceton gelöst.
Zur Einstellung und/oder Regulierung eines gegenüber dem im Druckbehälter herrschenden hohen Vordrucks geringeren Hinterdrucks kommen Ventilarmaturen mit Druckreglern zum Einsatz. Eine derartige Ventilarmatur zählt beispiels­ weise durch die DE 34 41 348 A1 zum Stand der Technik. Die Ventilarmatur umfasst ein im Ventilgehäuse integrier­ tes Druckreduzierventil und einen Druckregler mit einer Regelfeder.
Auch durch die US-A-5,678,602 zählt eine Ventilarmatur für einen Druckbehälter zum Stand der Technik, welche ein Ventilgehäuse mit einem Behälterstutzen und einem Entnahmestutzen aufweist. Der Behälterstutzen und der Entnahmestutzen sind durch einen Medienkanal verbunden, der durch ein Absperrventil absperrbar ist. In die Ventilarmatur ist ein Druckregler integriert.
Der Druckregeler mindert den statischen Druck auf der Entnahmeseite (Hinterdruckbereich). Solange ein Druckme­ dium durch das Ventil strömen kann, hält die Regelfeder das Ventil geöffnet und der Ventilkörper ist angehoben. Beim Schließen des Ventils entnahmeseitig baut sich im Hinterdruckbereich ein Druck auf, der zusammen mit den wirksamen Flächen des Ventilkörpers und der Regelfeder den Ventilkörper in seine Schließstellung bewegt und da­ mit das Ventil schließt. Durch Änderung der Federvorspan­ nung kann der Maximaldruck im Hinterdruckbereich einge­ stellt werden.
Häufig werden in den Druckbehältern Spezialgase bevorra­ tet, die aus Sicherheitsgründen oder wegen ihrer spezifi­ schen Verwendung, beispielsweise als Reingase in der Technik, als medizinische Gase oder als Tauchgase, nicht mit anderen Gasen oder Luft vermischt werden dürfen. Aus diesen Gründen werden die Druckbehälter mit Ventilarma­ turen ausgerüstet, die integrierte Restdruckventile be­ sitzen.
Eine Ventilarmatur mit integriertem Restdruckventil zählt beispielsweise durch die EP 0 458 253 B1 oder die DE 197 09 096 A1 zum Stand der Technik. Das Restdruckven­ til ist nach Art eines Rückschlagventils ausgebildet. Bei einem Innendruck höher als der eingestellte Restdruck wird es von seinem Ventilsitz abgehoben und damit geöff­ net. Bei Unterschreiten des Restdrucks sperrt das Rest­ druckventil federbetätigt. Das Restdruckventil verhindert so bei geöffnetem Entnahmeventil einen vollständigen Druckabbau im Druckbehälter, sobald der Innendruck des Gases einen vorbestimmten Mindestdruck unterschreitet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Druckbehäl­ ter nicht bei jeder neuen Füllung evakuiert oder gespült werden muss. Ferner verhindert das Restdruckventil das Eindringen von Fremdsubstanzen von außen.
Die bekannten Bauarten von Ventilarmaturen haben sich grundsätzlich bewährt. Sie sind im Laufe der Zeit stetig weiter entwickelt worden. Dennoch wird angestrebt, Ven­ tilarmaturen kompakter und einfacher aufzubauen.
Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine druckregelbare Ventilarmatur mit Restgasdrucksperre bereitzustellen, welche aufbau- und fertigungstechnisch einfach und zuverlässig in der Funktion ist.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.
Kernpunkt der Erfindung bildet die Maßnahme, am Regelven­ til neben dem Dichtelement im Vordruckbereich auch ent­ nahmeseitig des Ventilkörpers ein zweites Dichtelement vorzusehen, welches mit einem Dichtsitz zusammenwirkt und bei Unterschreiten eines Restdrucks im Druckbehälter durch Anlage an den Dichtsitz den Medienkanal im Hinter­ druckbereich sperrt.
Der Restdruck kann konstruktiv bestimmt sein. Er ist ab­ hängig von der Federkraft der Regelfeder und deren Feder­ kennlinie sowie dem Abstand zwischen dem Ventilkörper und dem Dichtsitz. Möglich ist es auch, die Ventilarmatur so auszulegen, dass der Restdruck einstellbar ist.
Die Funktionen des Regelventils und des Restdruckventils werden bei der erfindungsgemäßen Ventilarmatur bauteil­ mäßig zusammengezogen und einem Ventilkörper zugeordnet. Zum Ansprechen bzw. Schließen des Restdruckventils wird erfindungsgemäß die Auslenkung der am Ventilkörper wir­ kenden Regelfeder ausgenutzt.
Sobald der Vordruck den Hinterdruck unterschreitet, ent­ spannt sich die Regelfeder des Regelventils und bewegt den Ventilkörper translatorisch. Hierbei kommt das zweite Dichtelement an dem diesem zugeordneten Dichtsitz zur An­ lage und dichtet den Vordruckbereich gegen die Atmosphäre ab.
Auf diese Weise lässt sich bei einem Ventil mit inte­ griertem Druckregler ohne aufwendige zusätzliche Bauteile eine Restgasdrucksperre realisieren. Die Restgasdruck­ sperre verhindert, dass der Druckbehälter über den Ent­ nahmestutzen vollkommen entleert werden kann. Damit ist sichergestellt, dass der Druck im Druckbehälter stets hö­ her ist als der atmosphärische Druck. Ein Gasaustausch mit der Umgebung wird so vermieden. Folglich wird auch ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit, welche zu Korrosio­ nen im Druckbehälter führen kann, unterbunden und die Reinheit des im Druckbehälter zu bevorratenden Druckme­ diums ist gewährleistet. Aufwendige Evakuierungsmaßnahmen vor dem Befüllen der Druckbehälter können entfallen.
Die erfindungsgemäße Ventilarmatur ist fertigungstech­ nisch vorteilhaft, da zusätzliche Bohrungen zur Aufnahme eines separaten Restdruckventils entfallen. Auch hin­ sichtlich der Montage der Einzelteile und der Wartung verspricht die Ventilarmatur für die Praxis viele Vor­ teile.
Die Regelfeder kann grundsätzlich durch verschiedenartige elastische Elemente realisiert sein, beispielsweise durch eine pneumatische Feder. Auch diverse Ausbildungen des Ventilkörpers sind möglich, beispielsweise als Kolben oder als Membran.
In diesem Zusammenhang besteht eine vorteilhafte Weiter­ bildung des grundsätzlichen Erfindungsgedankens in den Merkmalen des Anspruchs 2. Danach ist der Ventilkörper durch einen in einer Bohrung geführten abgestuften Kolben gebildet. Als Regelfeder kommt eine Schraubendruckfeder zum Einsatz. Diese Ausbildung arbeitet zuverlässig ohne Vibrationen im Betrieb und ist gut justierbar.
Das zweite Dichtelement kann verschiedenartig gestaltet sein, beispielsweise als am Ventilkörper aufvulkanisierte Dichtungslage aus Elastomer oder ähnlichen Dichtungen.
Nach den Merkmalen des Anspruchs 3 kommt als zweites Dichtelement ein in einer Ringnut umfangsseitig des Me­ dienkanals eingebetteter O-Ring zum Einsatz, welcher mit einer den Dichtsitz bildenden Ringwulst am Ventilgehäuse zusammenwirkt.
Diese Ausgestaltung ist fertigungs- und montagetechnisch einfach. Zur Realisierung der Restgasdrucksperre ist le­ diglich ein O-Ring und die als Dichtsitz fungierende Ringwulst im Ventilgehäuse erforderlich.
Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ventilarmatur im Vertikalschnitt
Fig. 2 in vergrößerter Darstellungsweise den Aus­ schnitt II der Fig. 1.
Mit 1 ist in der Fig. 1 eine Ventilarmatur bezeichnet, die einem nicht näher dargestellten Druckbehälter (Gasflasche) zugeordnet werden kann. Die Ventilarmatur 1 weist ein mehrteiliges Ventilgehäuse 2 auf mit einem Be­ hälterstutzen 3 und einem angegliederten Entnahmestutzen 4. Zur Festlegung an einem Druckgasbehälter wird die Ven­ tilarmatur 1 mit einem Gewindeabschnitt 5 des Behälter­ stutzens 3 in eine entsprechende Gewindebohrung des Druckgasbehälters dicht eingeschraubt. Die gasführende Verbindung zwischen Behälterstutzen 3 und Entnahmestutzen 4 vom Vordruckbereich VD zum Hinterdruckbereich HD ist durch einen aus mehreren Abschnitten durch Längs-, Quer- und Schrägbohrungen gebildeten Medienkanal 6 hergestellt.
Im Ventilgehäuse 2 ist ein Absperrventil 7 integriert. Die Betätigung des Absperrventils 7 erfolgt über ein Handrad 8. Durch Drehen des Handrads 8 kann ein Ver­ schlusselement 9 mit eingegliederter Dichtungseinlage 10 gegen einen Hauptventilsitz 11 verlagert bzw. vom Haupt­ ventilsitz 11 abgehoben werden. Hierdurch wird der Me­ dienkanal 6 gesperrt bzw. freigegeben.
Im Handrad 8 ist ein Manometer 12 integriert, welches über eine Kapillarbohrung 13 mit dem Medienkanal 6 in Verbindung steht. Auf diese Weise kann der Druck im Vor­ druckbereich VD der Ventilarmatur 1 zur Anzeige gebracht werden.
Das Manometer 12 ist gegenüber dem drehbeweglichen Hand­ rad 8 feststehend. Hierzu wird das Manometer 12 in einem Manometerhalter 14 aufgenommen, welcher mit einem Gewin­ dezapfen 15 in die Ventiloberspindel 16 eingeschraubt und dort verdrehgesichert ist.
Zur Befüllung des Druckbehälters weist die Ventilarmatur 1 einen Füllstutzen 17 mit integriertem Rückschlagventil 18 auf. Zum Befüllen eines Druckbehälters wird der Schließkörper 19 des Rückschlagventils 18 gegen die Kraft einer in einer Bestandteil des Medienkanals 6 bildenden Querbohrung angeordneten Feder 20 aufgedrückt und der Druckbehälter kann über den unteren Teil des Medienkanals 6 befüllt werden. Nach Beendigung des Füllvorgangs schließt das Rückschlagventil 18 selbsttätig.
Weiterhin ist im Ventilgehäuse 2 ein Regelventil 21 inte­ griert. Das Regelventil 21 trennt den Vordruckbereich VD und den Hinterdruckbereich HD der Ventilarmatur 1. Das Regelventil 21 umfasst einen Ventilkörper in Form eines abgestuften Kolbens 22, der in einer ebenfalls abgestuf­ ten Bohrung 23 geführt ist und mit einer Regelfeder 24 zusammenwirkt. Als Regelfeder 24 kommt eine Schrauben­ druckfeder zum Einsatz. Zentrisch ist der Kolben 22 von einem Mediendurchgang 25 durchsetzt.
Die Regelfeder 24 ist einerseits in einer Bestandteil der Bohrung 23 bildenden Aufnahme 26 im Ventilgehäuse 2 und andererseits in einer Aufnahme 27 des Kolbens 22 abge­ stützt.
An der dem Vordruckbereich VD zugewandten Seite 28 des Kolbens 22 ist ein Ventilsitz 29 und ein erstes Dichtele­ ment 30 angeordnet. Das Dichtelement 30 ist zusammen mit dem Kolben 22 gegenüber dem Ventilsitz 29 verlagerbar. Bei am Ventilsitz 29 aufliegendem Kolben 22 bzw. Dicht­ element 30 bestimmt die sich ergebende Federkraft den im Hinterdruckbereich HD herrschenden Druck.
Gas kann über einen Hinterdruckabgang 31 entnommen wer­ den. Der Hinterdruck und die jeweilige Durchflussmenge ist einstellbar. Hierzu steht der Hinterdruckabgang 31 über eine in einem Selektierscheibenhalter 32 (siehe hierzu Fig. 2) eingelassene Nut 33 und eine Bohrung 34 mit dem Hinterdruckbereich HD auf der Entnahmeseite 35 des Ventilkörpers 22 in Verbindung. Der Selektierschei­ benhalter 32 ist im Ventilgehäuse 2 drehbar gelagert und wird über ein definierte Raststellungen einnehmendes Handrad 36 betätigt. Eine Selektierscheibe 37 ist zwi­ schen dem Selektierscheibenhalter 32 und dem Ventilge­ häuse 2 angeordnet und gegenüber dem Selektierscheiben­ halter 32 drehgesichert. Die Selektierscheibe 32 ist mit Bohrungen unterschiedlichen Durchmessers versehen, wo­ durch die Durchflussmenge am Hinterdruckabgang 31 steuer­ bar ist. Die Selektierscheibe 37 wird deshalb auch als Durchflussmengenwahlscheibe bezeichnet. Über die Selek­ tierscheibe 37 kann der Hinterdruckabgang 31 auch ver­ schlossen werden. Die Selektierscheibe 37 stützt sich ge­ gen Gleitringe 38 im Ventilgehäuse 2 ab, die einerseits den Hinterdruckbereich HD abdichten und andererseits als Gleitlager fungieren.
Eine Restgasdrucksperre wird mit Hilfe des Kolbens 22 des Regelventils 21 realisiert. Hierzu weist der Kolben 22 entnahmeseitig, also auf der der Selektierscheibe 37 zu­ gewandten Seite 39 ein zweites Dichtelement 40 auf, wel­ ches mit einem Dichtsitz 41 zusammenwirkt. Bei Unter­ schreiten eines einstellbaren Mindestdrucks im Druckbe­ hälter sperrt das Dichtelement 40 den Medienkanal 6 im Hinterdruckbereich HD durch Anlage am Dichtsitz 41. Der Restdruck ist abhängig von der Federkraft der Regelfeder 21 und deren Federkennlinie sowie dem Abstand zwischen dem Kolben 22 und dem Ventilsitz 41.
Wie insbesondere anhand der Fig. 2 deutlich wird, ist das zweite Dichtelement 40 ein in eine Ringnut 42 um­ fangsseitig des Mediendurchgangs 25 eingebetteter O-Ring. Der Dichtsitz 41 ist durch eine Ringwulst 43 im Ventilge­ häuse 2 unterhalb des Selektierscheibenhalters 32 ausge­ bildet.
Im druckbeaufschlagten Zustand und bei über den Hinter­ druckabgang 31 abströmendem Gas bildet sich ein Kräfte­ gleichgewicht zwischen den resultierenden Kräften, die sich aus der Fläche A1 am Ventilsitz 29 und dem Vordruck, der Fläche A2 am Dichtsitz 41 und dem Hinterdruck sowie der Kraft der Regelfeder 24 ergeben. Der Kolben 22 ist vom Ventilsitz 29 abgehoben und wird vom Gas durchströmt. Dieses gelangt dann über den Ringraum 44 zwischen der ersten Stufe der Bohrung 23 und der ersten Stufe des Kol­ bens 22 über Queröffnungen 45 in den Mediendurchgang 25 bis zum Hinterdruckabgang 31. Wird der Gasstrom unterbro­ chen, beispielsweise über die Selektierscheibe 37, verla­ gert sich das Kräftegleichgewicht und die resultierende Kraft aus der Fläche A2 und dem Hinterdruck überwiegt. Der Kolben 22 wird gegen den Ventilsitz 29 verlagert und an der Fläche A1 gegen den Vordruck abgedichtet.
Fällt bei Gasentnahme der Vordruck unterhalb des sich aus den Flächenverhältnissen A1/A2, dem Vordruck und der Fe­ derkraft ergebenden Hinterdruck, so überwiegt die Feder­ kraft der Regelfeder 24. Diese entspannt sich und bewegt den Kolben 22 translatorisch in Bildebene nach oben gegen den Dichtsitz 41. Der Gasstrom wird hier unterbrochen. Der Vordruckbereich VD ist gegenüber der Atmosphäre abge­ dichtet. So ist entnahmeseitig des Ventilkörpers 22 mit dem hier angeordneten zweiten Dichtelement 40 und dem Dichtsitz 41 eine Restgasdrucksperre realisiert. Damit ist sichergestellt, dass der Druckbehälter nicht über den Hinterdruckabgang 31 vollkommen entleert werden kann. Die Reinheit eines Gases im Druckbehälter ist gewährleistet und ein aufwendiges Evakuieren vor der Wiederbefüllung ist nicht erforderlich.
Bezugszeichenaufstellung
1
- Ventilarmatur
2
- Ventilgehäuse
3
- Behälterstutzen
4
- Entnahmestutzen
5
- Gewindeabschnitt
6
- Medienkanal
7
- Absperrventil
8
- Handrad
9
- Verschlusselement
10
- Dichtungseinlage
11
- Hauptventilsitz
12
- Manometer
13
- Kapillarbohrung
14
- Manometerhalter
15
- Gewindezapfen
16
- Ventiloberspindel
17
- Füllstutzen
18
- Rückschlagventil
19
- Schließkörper
20
- Feder
21
- Regelventil
22
- Ventilkörper
23
- Bohrung
24
- Regelfeder
25
- Mediendurchgang
26
- Aufnahme v.
2
27
- Aufnahme v.
22
28
- Seite v.
22
29
- Ventilsitz
30
- Dichtelement
31
- Hinterdruckabgang
32
- Selektierscheibenhalter
33
- Nut
34
- Bohrung
35
- Entnahmeseite
36
- Handrad
37
- Selektierscheibe
38
- Gleitringe
39
- Seite v.
22
40
- Dichtelement
41
- Dichtsitz
42
- Ringnut
43
- Ringwulst
44
- Ringraum
45
- Queröffnungen
A1 - Fläche am Ventilsitz
29
A2 - Fläche am Dichtsitz
VD - Vordruckbereich
HD - Hinterdruckbereich

Claims (3)

1. Ventilarmatur für einen Druckbehälter, welche ein Ventilgehäuse (2) mit einem Behälterstutzen (3) und einem Entnahmestutzen (4) aufweist, die durch einen Medienkanal (6) verbunden sind, der durch ein Ab­ sperrventil (7) absperrbar ist, und weiterhin ein Re­ gelventil (21) integriert ist, welches einen unter dem Einfluss einer Regelfeder (20) stehenden Ventil­ körper (22) mit einem Mediendurchgang (25) umfasst, wobei an der dem Vordruckbereich (VD) zugewandten Seite (28) des Ventilkörpers (22) ein Ventilsitz (29) und ein erstes Dichtelement (30) angeordnet sind, die den Vordruckbereich (VD) und den Hinterdruckbereich (HD) trennend relativ zueinander verlagerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass ent­ nahmeseitig des Ventilkörpers (22) ein mit einem zweiten Dichtelement (40) zusammenwirkender Dichtsitz (41) vorgesehen ist, wobei das zweite Dichtelement (40) bei Unterschreiten eines Restdrucks im Druckbe­ hälter durch Anlage an den Dichtsitz (41) den Medien­ kanal (6) im Hinterdruckbereich (HD) sperrt.
2. Ventilarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (22) durch einen in einer Bohrung (23) geführten ab­ gestuften Kolben gebildet ist und als Regelfeder (24) eine Schraubendruckfeder zum Einsatz gelangt.
3. Ventilarmatur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Dicht­ element (40) ein in eine Ringnut (42) umfangsseitig des Mediendurchgangs (25) eingebetteter O-Ring ist, welcher mit einem den Dichtsitz (41) bildenden Ring­ wulst (43) am Ventilgehäuse (2) zusammenwirkt.
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