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Die Erfindung betrifft ein Drehschieberventil, das vorzugsweise elektromotorisch betätigt wird und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, als Gasventil verwendet werden kann.
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Drehschieberventile sind in vielen verschiedenen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass ein Dreh- oder Ventilschieber verwendet wird, der um eine Drehachse verstellbar ist. Abhängig von der Position des Ventilschiebers ist eine Durchflussöffnung mehr oder weniger stark verschlossen oder freigegeben. Die Strömungsrichtung des vom Drehschieberventil gesteuerten Mediums liegt im Bereich des Ventilschiebers im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene, in welcher er verstellt wird, also parallel zur Drehachse.
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Moderne Drehschieberventile sollen zwei wichtige Anforderungen erfüllen: zum einen sollen sie kompakt sein, also im Verhältnis zum maximalen Durchströmungsquerschnitt im Bereich des Ventilschiebers möglichst klein bauen, wobei ein geringer Druckverlust gewährleistet sein soll, und zum anderen soll ein gutes Regelverhalten möglich sein, also eine zunächst sehr flach ansteigende und dann möglichst linear verlaufende Ventilkennlinie vorhanden sein.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Drehschieberventil zu schaffen, welches diese Anforderungen möglichst optimal erfüllt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Drehschieberventil mit einem Gehäuse vorgesehen, einem Ventilschieber, einem Ventilsitz, der eine Dichtfläche aufweist, an welcher der Ventilschieber anliegt und in der eine Durchflussöffnung vorgesehen ist, die eine zumindest in wesentlichen Teilen gekrümmte Außenkontur aufweist, wobei der Ventilschieber um eine Achse schwenkbar ist, die exzentrisch zum Krümmungsmittelpunkt der Außenkontur auf der von der Durchflussöffnung abgewandten Seite des Krümmungsmittelpunktes angeordnet ist, und einem Antrieb, der den Ventilschieber zwischen einer geschlossenen Stellung und einer geöffneten Stellung verstellen kann. Aufgrund der exzentrischen Anordnung der Drehachse des Ventilschiebers lässt sich eine maximale Durchflussöffnung erzielen, die sehr groß im Vergleich zum Bauraum ist, der für den Ventilsitz und den Ventilschieber notwendig ist. Insbesondere lässt sich eine Durchflussöffnung erzielen, deren Fläche größer als 50 % der Fläche des Kreises ist, der vom Ventilschieber eingenommen bzw. überstrichen wird. Weiterhin lässt sich ein sehr gutes Regelverhalten mit einer über weite Strecken linearen Ventilkennlinie erzielen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Durchflussöffnung angenähert halbkreisförmig ist. Auf diese Weise lässt sich ein relativ zu den Außenabmessungen sehr großer Durchflussquerschnitt erreichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Durchflussöffnung die Form eines Abschnittes eines Kreisrings aufweist, dessen Höhe mindestens in der Größenordnung des Radius des ihm zugrundliegenden Kreises liegt. Anders ausgedrückt: die äußere Kreisumfangslinie der Durchflussöffnung erstreckt sich über einen Winkelbereich in der Größenordnung von rund 180° oder mehr. Auf diese Weise lässt sich eine über sehr weite Strecke lineare Ventilkennlinie erreichen, da die Änderung der freigegebenen Durchflussöffnung proportional zur Verstellung des Ventilschiebers ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Durchflussöffnung im Bereich der Dichtfläche im Wesentlichen gleich groß ist wie eine Durchtrittsöffnung auf der von der Dichtfläche abgewandten Seite des Ventilsitzes. Anders ausgedrückt ist die durchströmte Fläche innerhalb des Ventilsitzes in Achsrichtung, also in Strömungsrichtung, nahezu konstant, wodurch sich geringe Verluste und ein hoher Durchfluss ergeben.
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Vorzugsweise hat die Durchtrittsöffnung einen kreisabschnittsförmigen Querschnitt. Die Form der Durchtrittsöffnung entspricht also der Form der üblichen Anschlüsse des Drehschieberventils, sodass sich auch hier optimierte Strömungsbedingungen ergeben.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Ventilsitz eine Ausnehmung in der Dichtfläche aufweist, um die Kontaktfläche mit dem Ventilschieber zu verringern. Zwar ist in der Theorie die Reibungskraft unabhängig von der Fläche, über die ein Kontakt zwischen zwei Bauteilen erfolgt. In der Praxis lässt sich jedoch nachweisen, dass es bei recht glatten Flächen, wie sie an der Dichtfläche und am Ventilschieber vorliegen, zu Adhäsionskräften kommt, die verringert werden können, wenn der Ventilsitz mit einer oder auch mehreren Ausnehmungen versehen ist. Außerdem wird das Anhaften des Ventilschiebers an der Dichtfläche, das sich nach längeren Standzeiten des Ventils in geschlossenem Zustand beobachten lässt, vorteilhaft reduziert.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilsitz als Einsatz ausgeführt, der in einer Aufnahme im Gehäuse aufgenommen ist. Dies hat zum einen den Vorteil, dass der Ventilsitz bei Bedarf mit geringem Aufwand gegen einen neuen ausgetauscht werden kann. Zum anderen ergibt sich der Vorteil, dass in ein und demselben Gehäusetyp unterschiedliche Arten von Ventilsitzen angebracht werden können, die sich insbesondere hinsichtlich ihrer Nennweite unterscheiden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Ventilsitz eine Verdrehsicherung aufweist, um zu gewährleisten, dass er lagerichtig im Gehäuse aufgenommen verbleibt. Die Verdrehsicherung kann beispielsweise durch eine Abflachung erzielt werden, sodass eine drehmomentfeste Verbindung zwischen Gehäuse und Ventilsitz gewährleistet ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventilsitz aus Keramik besteht. Dies ermöglicht, ihn als verschleißfestes Bauteil mit geringen Toleranzen und hoher Oberflächenqualität zu fertigen. Alternativ könnte der Ventilsitz aus einem Hartmetall ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Ventilschieber in einer Ebene senkrecht zu seiner Drehachse allgemein die Form eines Kreissegments hat. Auf diese Weise kann der Ventilschieber mit einer Durchflussöffnung zusammenwirken, die sich über einen großen Flächenbereich erstreckt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Höhe des Kreissegments größer ist als der Radius des ihm zugrunde liegenden Kreises. Auch dies ist insofern vorteilhaft, als der Ventilschieber zuverlässig eine Durchflussöffnung verschließen bzw. freigeben kann, die sehr groß im Verhältnis zu der vom Ventilschieber überstrichenen Fläche ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehachse des Ventilschiebers innerhalb des Kreissegments liegt. Dies gewährleistet, dass der Ventilschieber trotz der exzentrisch zu seiner Drehachse angeordneten Durchflussöffnung diese vollständig überstreicht.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Versatz zwischen dem Krümmungsmittelpunkt der Außenkontur und der Drehachse des Ventilschiebers in der Größenordnung von 0,05 d bis 0,8 d liegt, vorzugsweise in der Größenordnung von 0,1 d bis 0,3 d, wobei d der Außendurchmesser der Durchflussöffnung ist. „Außendurchmesser“ ist hier zu verstehen als die maximale Abmessung der Durchflussöffnung, also bei einer beispielsweise halbkreisförmigen Durchflussöffnung als der Durchmesser des von der Durchflussöffnung definierten Kreises. Dasselbe gilt bei einer ringabschnittsförmigen Durchflussöffnung.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Feder vorgesehen, die den Ventilschieber in axialer Richtung gegen den Ventilsitz beaufschlagt. Eine solche Feder gewährleistet eine gute Abdichtung des Ventilschiebers an der Dichtfläche.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
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1 eine Explosionsansicht eines Drehschieberventils;
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2 einen Schnitt durch das Drehschieberventil von 1 im Bereich des Ventilsitzes und des Ventilschiebers;
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3 den beim Drehschieberventil von 1 verwendeten Ventilsitz in einer perspektivischen Darstellung;
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4 einen Schnitt durch den Ventilsitz von 3;
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5 den Verlauf des freien Strömungsquerschnitts durch den Ventilsitz;
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6 eine erste perspektivische Ansicht des beim Drehschieberventil von 1 verwendeten Ventilschiebers;
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7 eine zweite perspektivische Ansicht des Ventilschiebers;
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8 in einer perspektivischen Ansicht den Ventilsitz eingebaut in den Anschlussabschnitt des Ventilgehäuses;
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9 den Anschlussabschnitt des Ventilgehäuses mit montiertem Ventilsitz in einer Draufsicht;
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10 in einer Ansicht entsprechend derjenigen von 8 den Ventilsitz mit daran angebrachtem Ventilschieber, wobei dieser geschnitten dargestellt ist;
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11 in einer Draufsicht den Ventilsitz montiert im Anschlussabschnitt des Gehäuses mit Ventilschieber, wobei dieser geschnitten und in der geschlossenen Position dargestellt ist;
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12 in einer Ansicht entsprechend derjenigen von 11 das Drehschieberventil mit geringfügig geöffnetem Ventilschieber;
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13 eine Ansicht entsprechend derjenigen von 12, wobei der Ventilschieber noch weiter geöffnet ist;
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14 eine Ansicht entsprechend derjenigen von 13, wobei der Ventilschieber sich in seiner vollständig geöffneten Stellung befindet;
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15 die Ventilkennlinie des Drehschieberventils, wobei die Durchflussquerschnitte mit den in den 11 bis 14 gezeigten Stellung des Ventilschiebers markiert sind;
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16 in einer vergrößerten Darstellung die Ventilkennlinie für sehr kleine Öffnungsquerschnitte; und
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17 eine Darstellung entsprechend derjenigen von 14 für eine Ausführungsvariante, wobei die Drehachse des Ventilschiebers relativ zur Durchflussöffnung dargestellt ist.
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In 1 ist ein Drehschieberventil 10 gezeigt, das als wesentliche Bauteile ein Anschlussgehäuse 12, einen Ventilsitz 20, einen Ventilschieber 30 und einen Antrieb 40 aufweist.
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Das Anschlussgehäuse 12 (siehe auch 2) weist einen Einlass 13 und einen Auslass 14 auf. Zwischen Einlass 13 und Auslass 14 ist eine Aufnahme 15 für den Ventilsitz 20 vorgesehen.
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Auf das Anschlussgehäuse 12 ist ein Antriebsgehäuse 42 des Antriebs 40 aufgesetzt. Zur Abdichtung ist ein Dichtring 44 vorgesehen.
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Im Antriebsgehäuse 42 ist ein hier nicht weiter gezeigter Stellantrieb angeordnet, mit dem eine Antriebswelle 46 gesteuert verdreht werden kann. Die Antriebswelle 46 ist über hier nur angedeutete Lagerungen 48 und Dichtungen 50 im Antriebsgehäuse 42 gelagert.
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Mit der Antriebswelle 46 ist drehfest der Ventilschieber 30 gekoppelt. Zu diesem Zweck ist hier ein Mitnehmerstift 52 vorgesehen, der sich durch eine Öffnung in der Antriebswelle 46 erstreckt und in einer Mitnehmerausnehmung 32 des Ventilschiebers 30 aufgenommen ist.
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An der Antriebswelle 46 ist eine Feder 54 vorgesehen, die den Ventilschieber 30 vom Antriebsgehäuse 42 weg gegen den Ventilsitz 20 beaufschlagt. Die Feder 54 ist vorzugsweise als Wellfeder ausgeführt, so dass eine geringe Bauhöhe ermöglicht ist.
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Die Antriebswelle 46 ist mit einem Fortsatz 60 versehen, der sich durch den Ventilschieber 30 hindurch erstreckt und in eine Lageröffnung 22 im Ventilsitz 20 eingreift. Auf diese Weise ist der Ventilschieber 30 präzise relativ zum Ventilsitz 20 gelagert.
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Abweichend von der gezeigten Ausführungsform können auch andere Arten der drehfesten Verbindung zwischen der Antriebswelle 46 und dem Ventilschieber 30 verwendet werden. Es ist auch nicht notwendig, dass sich die Antriebswelle 46 vollständig durch den Ventilschieber 30 hindurch erstreckt und in den Ventilsitz 20 eingreift. Schließlich sei noch erwähnt, dass Einlass und Auslass des Drehschieberventils auch vertauscht werden können, sodass das zu schaltende bzw. zu regelnde Medium durch die Öffnung 14 in das Anschlussgehäuse 12 einströmen und dieses durch die Öffnung 13 verlassen kann.
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Der Ventilsitz 20 ist in den 3 und 4 im Detail gezeigt. Er weist eine Dichtfläche 24 auf, welche diejenige Fläche ist, an der der Ventilschieber 30 anliegt.
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Die Dichtfläche 24 ist von einer Durchflussöffnung 26 durchbrochen, welche die Öffnung ist, die im Zusammenwirken mit dem Ventilschieber 30 den zur Verfügung stehenden Durchflussquerschnitt steuert. Die Durchflussöffnung 26 hat hier die Form eines Abschnittes eines Kreisrings, dessen Höhe in der Größenordnung des Radius des dem Kreisring zugrundliegenden Kreises entspricht. Sowohl die Außenkontur als auch die Innenkontur, also der kleinere Radius, der ringabschnittsförmigen Durchflussöffnung 26 sind konzentrisch angeordnet, und zwar um einen gemeinsamen Mittelpunkt M (siehe 17). Die beiden Begrenzungen der zumindest annähernd halbkreisförmigen Außenkontur und der zumindest annähernd halbkreisförmigen Innenkontur der Durchflussöffnung 26 sind kolinear ausgerichtet.
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Im Bereich der Durchflussöffnung 26 ist außerdem eine Ausnehmung 27 vorgesehen, deren Funktion darin besteht, die Kontaktfläche mit dem Ventilschieber 30 und damit wirkende Adhäsion zu verringern.
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Auf der von der Dichtfläche 24 abgewandten Seite ist im Ventilsitz eine Durchtrittsöffnung 28 vorgesehen, die einen kreisabschnittsförmigen Querschnitt hat. Der Querschnitt der Durchtrittsöffnung 28 ist im Wesentlichen genauso groß wie der Querschnitt der Durchflussöffnung 26. Der Verlauf des Gesamt-Durchflussquerschnitts durch den Ventilsitz 20 ist in 5 gezeigt, wobei „OK“ für die Oberkante (bezogen auf die Orientierung in den 2 bis 4) steht, also letztlich die Dichtfläche 24, und „UK“ die Unterkante des Ventilsitzes. Es ist zu sehen, dass der Gesamt-Durchflussquerschnitt von oben nach unten zunächst minimal absinkt und dann im Wesentlichen konstant bleibt.
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Auf der Außenseite des Ventilsitzes 20 ist eine Nut 23 vorgesehen, in der ein Dichtring 25 (siehe 2) angeordnet werden kann, sowie eine Verdrehsicherung in der Form einer Abflachung 29, die mit einer korrespondierenden Fläche im Anschlussgehäuse 12 zusammenwirkt. Dies gewährleistet, dass der Ventilsitz 20 ausschließlich lagerichtig in einer einzigen Position in der Aufnahme 15 angebracht werden kann.
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Der Ventilsitz ist vorzugsweise aus Keramik gefertigt, sodass er bei hoher Oberflächenqualität präzise Abmessungen hat und außerdem sich ein gutes Abdichtverhalten zusammen mit dem Ventilschieber 30 ergibt. Alternative Materialien für den Ventilsitz 20 sind Aluminiumoxid und Zirkonoxid bzw. Zirkondioxid oder Hartmetall.
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Um die Strömungsverluste zu verringern, sind alle Kanten im Bereich der Durchtrittsöffnung 28 abgerundet.
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Der Ventilschieber 30 (siehe insbesondere die 6 und 7) weist einen scheibenförmigen Abdichtabschnitt 34 auf, dessen Unterseite 35 mit der Dichtfläche 24 des Ventilsitzes 20 zusammenwirkt.
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Der Abdichtabschnitt 34 hat hier die Form eines Kreissegments, wobei die Höhe des Kreissegments größer ist als der Radius des dem Kreissegment zugrunde liegenden Kreises. Anders ausgedrückt, die gekrümmte Außenkontur des Abdichtabschnitts 34 erstreckt sich über etwas mehr als 180°. Dies ermöglicht, dass der Krümmungsmittelpunkt der Außenkontur und auch die Öffnung 36, durch die hindurch sich der als Lagerzapfen wirkende Fortsatz 60 der Antriebswelle 46 erstreckt, innerhalb des Kreissegments liegen.
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Hinsichtlich der Abmessungen des Ventilschiebers ist vorgesehen, dass der Radius des Kreises, der dem Kreissegment zugrundeliegt, das die Form des Ventilschiebers 30 in einer Ebene senkrecht zu seiner Drehachse beschreibt, größer ist als der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Lageröffnung 22 und der äußeren Außenkontur der Durchflussöffnung 26 des Ventilsitzes 20. Dies gewährleistet, dass der Ventilschieber 20 die Durchflussöffnung 26 in jeder Stellung überdeckt, so dass der Durchfluss durch Zusammenwirken von Durchflussöffnung 26 und den auf der Kreissehne liegenden Abschnitten des Abdichtabschnittes 34 (und nicht dem Kreisbogen des Kreissegmentes) kontrolliert wird.
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Auch der Ventilschieber 30 kann aus Keramik bestehen. Weitere geeignete Materialien für den Ventilschieber 30 sind Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Zirkondioxid. Der Ventilschieber 30 weist wie der Ventilsitz 20 bei hoher Oberflächenqualität präzise Abmessungen auf.
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In 8 ist das Anschlussgehäuse 12 mit darin eingesetztem Ventilsitz zu sehen. Es ist auch die Durchflussöffnung 26 zu sehen, die zu der darunterliegenden Durchtrittsöffnung 28 führt (siehe auch 9).
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Bei montiertem Drehschieberventil 10 liegt auf dem Ventilsitz 20 der Abdichtabschnitt 34 des Ventilschiebers 30 an (siehe 10). In Abhängigkeit von der Stellung des Ventilschiebers 30 relativ zur Durchflussöffnung 26 ist diese mehr oder weniger geschlossen oder freigegeben.
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In 11 ist das Drehschieberventil in der Stellung gezeigt, in der die Durchflussöffnung 26 vollständig verschlossen ist. Der Abdichtabschnitt 34 des Ventilschiebers 30 deckt die Durchflussöffnung 26 also vollständig ab.
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In 12 ist das Drehschieberventil in einer geringfügig geöffneten Stellung gezeigt. Es ist zu sehen, dass von der Durchflussöffnung 26 nur ein kleiner, etwa dreieckiger Querschnitt freigegeben ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Krümmungsmittelpunkt M relativ zur Mitte der Antriebswelle 46 um eine Strecke e exzentrisch angeordnet ist, also versetzt zu dem Krümmungsmittelpunkt M. Dabei liegt die Antriebswelle 46 auf der von der Durchflussöffnung 26 abgewandten Seite des Krümmungsmittelpunktes M. Aufgrund der exzentrischen Anordnung der Drehachse des Ventilschiebers 30 relativ zum Krümmungsmittelpunkt der Außenkontur und der Innenkontur der Durchflussöffnung 26 und außerdem aufgrund der Tatsache, dass in der vollständig geschlossenen Stellung des Drehschieberventils die parallel zueinander angeordneten Ränder der Durchflussöffnung 26 (siehe in 11 den angedeuteten Rand R26) und der Rand des Abdichtabschnitts 34 (in 11 als R34 bezeichnet) im Abstand voneinander angeordnet sind, wird der Rand R34 um einen gewissen Winkel verdreht, bevor er in den Bereich der Durchflussöffnung 26 gelangt. Dies bewirkt, dass die Durchflussöffnung 26 zunächst in einer außen liegenden Ecke freigegeben wird, was zu einem sehr flachen Anstieg der Ventilkennlinie (siehe 16) zwischen der vollständig geschlossenen Stellung von 11 und der geringfügig geöffneten Stellung von 12 führt.
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Erst wenn der Rand R34 die gekrümmte Innenkontur der Durchflussöffnung 26 erreicht, ergibt sich eine lineare Ventilkennlinie (siehe 15).
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In 13 ist für den Ventilschieber 30, der sich in einer recht weit geöffneten Stellung befindet, gut zu sehen, dass die Bereiche der Dichtfläche 24, die auf der von der Lageröffnung 22 abgewandten Seite der Ausnehmung 27 liegen, als zusätzliche Abstützflächen für den Abdichtabschnitt 34 des Ventilschiebers 30 dienen.
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In 14 ist der Ventilschieber 30 in einer vollständig geöffneten Stellung gezeigt. Es ist zu sehen, dass die Durchflussöffnung 26 vollständig freigegeben ist.
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Die Exzentrizität e, um die die Mittelachse der Antriebswelle 46 relativ zum Krümmungsmittelpunkt M der Durchflussöffnung 26 versetzt ist, liegt in der Größenordnung von 0,1 bis 0,3 d, wobei d der Außendurchmesser der Durchflussöffnung 26 ist.
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Die in 17 gezeigte Ausführungsvariante unterschiedet sich von der vorhergehenden Ausführungsform hinsichtlich der Durchflussquerschnitts. Während bei der bisherigen Ausführungsform die "Nase" die Durchflussöffnung verkleinert, ist in 17 ein Ventil mit einem zweiten Ventilsitz größerer Nennweite/größerer Durchflussöffnung gezeigt. Die "Nase" ragt weniger weit in die Durchflussöffnung, und die Kreise sind nicht konzentrisch. Außerdem ist der Dichtrand schmaler.
