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Als Gasdruckminderer wirkender Druckregler
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Die Erfindung betrifft als Gasdruckminderer wirkende Druckregler,
insbesondere ein- und zweistufige Regler zur Verwendung bei Sauerstoff, Acetylen
und anderen industriellen Gasen.
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Als Gasdruckminderer wirkende Druckregler, die einen von einer externen
Quelle mit variablem Druck unter relativ hohem Druck angelieferten Einlaßgasstrom,
beispielsweise Sauerstoffstrom, in einen Strom mit einem konstanten, relativ niedrigen
Abgabedruck umsetzen, werden seit mehreren Jahren kommerziell eingesetzt. In unregelmäßigen
Abständen erscheinen jedes Jahr Berichte über ein Sauerstoffdurchbrennen
von
Druckreglern. Wenn es zu einem Sauerstoffdurchbrennen kommt, ist der auftretende
Schaden stets so umfangreich, daß die Wahrscheinlichkeit für schwere Verletzungen
aufgrund eines Durchbruchs des Reglergehäuses sehr hoch ist.
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Dies stellt infolgedessen eine gefährliche Quelle von Betriebsunfällen
dar. Zu einem Durchbrennen dürfte ein beschleunigter Temperaturanstieg aufgrund
einer adiabatischen Kompression beitragen, der zu einem Entzünden des Ventilsitzes
und anderer stromabwärts befindlicher Elemente, beispielsweise der Membran, führt.
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Die ein- und zweistufigen Reglerausbildungen nach der vorliegenden
Erfindung sehen gemeinsame Merkmale vor, welche die Wahrscheinlichkeit eines Durchbrennens
unabhängig von den Betriebsbedingungen des Reglers minimieren. Außerdem werden die
Fertigungskosten kleinstmöglich gehalten; es werden ferner gegenüber bekannten Ausführungsformen
Vorteile bezüglich der Wartung erzielt.
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Entsprechend der erfindungsgemäßen Druckreglerauslegung ist eine Ventilanordnung
mit einem gleitbeweglichen Ventilorgan vorgesehen, das einen Ventilsitz aufweist,
der innerhalb einer Ventilkammer liegt, die mit der einen hohen Einlaßdruck aufweisenden
Quelle über mindestens zwei in Reihe liegende Leitungen verbunden ist, deren Achsen
sich unter
Bildung eines eingeschlossenen Winkels von weniger als
900 schneiden, wobei die Achse einer der Leitungen konzentrisch zur Längsachse des
Ventilorgans liegt. Infolgedessen muß das von der Hochdruckquelle einströmende Gas
einem krummlinigen Weg mit mindestens einer scharfen Abknickung von mehr als 900
folgen, bevor es in die Venilkammer eintritt und mit dem Ventilsitz in BerUhrung
kommt.
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Bei einem Regler mit einem derartigen Weg für das eintretende Gas
kommt es an dem Ventilsitz nicht zu einem so hohen Temperaturanstieg, wie er für
eine Sauerstoffzündung durch adiabatische Kompression erforderlich ist.
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Der Druckregler nach der vorliegenden Erfindung ist ferner mit einem
Reglerventil ausgestattet, das eine Düse mit einem sich kegelstumpfförmig verjüngenden
Kopf aufweist, der einem Ventilsitz gegenübersteht, so daß sich bei Verlust von
Ventilsitzwerkstoff die Düse in den Ventilsitz einlegt und das Ventil absperrt.
Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung bildet die Düse mit ihrem einen
Ende eine Trennwand, welche die Membrankammer im wesentlichen von der Ventilkammer
abtrennt.
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Der bevorzugte zweistufige Druckregler nach der Erfindung weist zwei
Regelventilanordnungen auf. Die erste Regelventilanordnung ist mit einem verschiebbaren
Kolben versehen,
der einen ersten Ventilsitz trägt, der innerhalb
einer ersten Ventilkammer sitzt, die mit einer Quelle hohen Einlaßdrucks über mindestens
zwei in Reihe liegende Drucklässe verbunden ist, deren Achsen sich unter Bildung
eines eingeschlossenen Winkels von weniger als 900 schneiden. Die zweite Reglerventilanordnung
weist ein innerhalb des Kolbens der ersten Reglerventilanordnung verschiebbares
Ventilorgan, einen Ventilsitz, eine Düse mit einem gegenüber dem Ventilsitz ausgerichteten,
kegelstumpfförmigen Ansatz und einem Ventilschaft auf, der durch den Kopf der Düse
hindurchreicht und mit einer Membran in Eingriff steht.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt
einer bevorzugten einstufigen Ausführungsform des Gasreglers nach der Erfindung,
und Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte zweistufige Ausführungsform
des Gasreglers nach der Erfindung.
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Der einstufige Druckregler 10 gemäß Fig. 1 weist einen hohlen Reglerkörper
12 mit einer dicken äußeren Gehäusewand 14 auf, der in eine Haube 16 eingeschraubt
ist. Eine flexible Membran 18 ist zwischen der Gehäusewand 14 und der Haube 16 fest
eingeklemmt. Ein Regelventil 20 sitzt innerhalb des Reglerkörpers 12 des Druckreglers
10.
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Der Reglerkörper 12 ist mit einem Einlaß 22, über den ein von einer
nicht veranschaulichten Quelle kommendes, unter hohem Druck stehendes Gas einer
Ventilkammer 24 zugeht, und einem Auslaß 25 versehen, über den Gas mit einem geregelten
niedrigen Druck abgegeben wird.
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Das Regelventil 20 weist eine Düse 26 mit einem mit der Gehäusewand
14 des Reglerkörpers 12 verschraubten Düsenkopf 28 und einem gleitbeweglichen Ventilorgan
30 auf, das innerhalb der Ventilkammer 24 sitzt. Der Düsenkopf 28 der Düse 26 liegt
in Abstand von dem Membran 18, wodurch eine Membrankammer 32 gebildet wird. In dem
Düsenkopf 28 ist eine Niederdrucksteuerkammer 34 ausgebildet, die mit der Membrankammer
32 über eine Ablaßäffnung 33 in Verbindung steht. Die Niederdrucksteuerkammer 34
steht ferner über einen Durchlaß 29 mit dem Auslaß 25 in Verbindung.
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Das Ventilorgan 30 hat einen zylindrischen Körper 31, der innerhalb
eines Kanals 49 der Gehäusewand 14 verschiebbar ist. Zu dem.Ventilorgan 30 gehört
ferner ein Ventilschaft 36, der in einer Bohrung des Düsenkopfs 28 gleitbeweglich
gelagert ist. Eine Druckfeder 38 umfaßt den Körper 31 und legt sich gegen eine Schulter
40 an, die von dem Körper 31 vorsteht und mit einem Ansatz 46 der Düse 26 ausgerichtet
ist. Die Schulter 40 weist eine zylindrische Ausnehmung 42 auf, in der ein Ventilsitz
44 untergebracht, vorzugsweise eingegossen, ist. Der Ventilsitz 44 besteht aus einem
schwer brennbaren Elastomer. Der Ventilsitz 44 wird mittels der Feder 38 gegen den
Ansatz 46 der Düse 26 vorgespannt, um das Regelventil 20 normalerweise geschlossen
zu halten. Der Ansatz 46 hat kegelstumpfförmige Gestalt.
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Sein verjüngtes Ende ist mit der Kante der Ausnehmung 42 derart ausgerichtet,
daß sich bei Verlust von Ventilsitzwerkstoff die verjüngte Seite in die Ausnehmung
42 einlegt und das Regelventil 20 abgesperrt wird.
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Der Einlaß 22 ist mit der Ventilkammer 24 über zwei Einlaßkanäle 50
bzw. 49 verbunden. Die Längsachsen der Einlaßkanäle 50 und 49 schneiden sich unter
Bildung eines eingeschlossenen Winkels 0 von weniger als 900. Es können auch mehr
als zwei Einlaßkanäle vorgesehen sein. Mindestens zwei solche Kanäle sind vorliegend
wesentlich, um
einen Weg zu erhalten, der das eintretende Gas zwingt,
0 mindestens eine scharfe Wendung von mehr als 90 zu machen, bevor es in die Ventilkammer
24 gelangt und mit dem Ventilsitz 44 in Berührung kommt.
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Die Haube 16 bildet eine Haubenkammer 53, in der eine Belastungsfeder
54 untergebracht ist. Das eine Ende der Feder 54 liegt an einer Druckplatte 55 an,
mit der die Membran 18 über ein Niet 56 verbunden ist, während das andere Federende
mit einer Abstützplatte 52 verbunden ist. Eine Druckeinstellschraube 60 ist in eine
Buchse 61 eingeschraubt und steht in Eingriff mit der Abstützplatte 62, die ihrerseits
gegen die Belastungsfeder 54 drückt.
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Eine Sicherungsmutter 94 verhindert, daß die Einstellschraube 60 aus
der Haubenkammer 53 herausgezogen wird.
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Eine Trimmschraube 65' steht mit der Druckeinstellschraube 60 in Gewindeeingriff.
Sie legt sich an die Abstützplatte 62 an, um für eine Feineinstellung zu sorgen,
nachdem die Druckeinstellschraube 60 voll aufgedreht ist, um den gewünschten maximalen
Abgabedruck herbeizuführen. Die Feder 54 übt auf die Druckplatte 55 einen nach unten
gerichteten Druck aus, wodurch die Membrananordnung mit dem Ventilschaft 36 in Kontakt
gebracht wird. Wenn dieser Druck ausreicht, um die auf die Schulter 40 des Ventilorgans
30 einwirkenden Kräfte zu überwinden, wird das Ventilorgan
30
entlang der Längsachse des Reglers in eine Offenstellung verschoben, so daß Gas
in die Niederdrucksteuerkammer 34 und in die Membrankammer 32 eintritt.
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Die Membrananordnung stabilisiert die auf den Ventilschaft 36 einwirkenden
Kräfte und sucht ein Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Die Abtrennung der Membrankammer
32 von der Niederdrucksteuerkammer 34 durch den Düsenkopf 28 sorgt im Betrieb des
Reglers für eine Dämpfung; die Membran 18 kommt nicht in unmittelbaren Kontakt mit
dem Uber das Ventil 20 einströmenden Gas, was gleichfalls dazu beiträgt, die Möglichkeit
eines Sauerstoffdurchbrennens zu minimieren.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 handelt es sich um einen zweistufigen
Druckregler 65, bei welchem das Regelventil 20 der Fig. 1 für die zweite Regelstufe
vorgesehen ist. Die erste Gasregelstufe wird mittels eines Regelventils 66 gesteuert.
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Das Regelventil 66 weist einen im wesentlichen zylindrischen Kolben
70 mit einem innerhalb einer Ventilkammer 73 gleitbeweglichen vorderen Abschnitt
71 und einem innerhalb einer Federkammer 77 gleitbeweglichen hinteren Abschnitt
75 auf. Die Ventilkammer 73 ist gegenüber der Federkammer 77 mittels eines O-Rings
78 abgedichtet, während die Federkammer
77 gegenüber der Ventilkammer
24 mittels eines O-Rings 80 abgedichtet ist. Der vordere Abschnitt 71 weist eine
Querbohrung 81 auf, die mit einem Mitteldurchlaß 83 in Verbindung steht, der sich
über die volle Länge des Kolbens 70 erstreckt. Ein im wesentlichen scheibenförmiger
Ventilsitz 84 ist in einer zylindrischen Ausnehmung 85 untergebracht, die im vorderen
Abschnitt 71 zur Ventilkammer 73 hin offen ausgebildet ist. Der Ventilsitz 84 sitzt
über einer nicht brennbaren Stützscheibe 86, die in die Ausnehmung 85 eingelegt
wird, bevor der Ventilsitz 84 eingesetzt wird. Die Ausnehmung 85 steht mit dem Mitteldurchlaß
83 über eine Öffnung 87 in Verbindung, was für einen leichten Zugriff zu dem Ventilsitz
84 führt, falls dieser ausgetauscht werden muß.
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Eine Ventildüse 88 sitzt in der Ventilkammer 73 benachbart dem Ventilsitz
84. Die Düse 88 weist einen sich kegelstumpfförmig verjüngenden Kopf 89 auf, der
mit der Kante der Ausnehmung 85 ausgerichtet ist, um die Ventilkammer 73 abzusperren,
wenn Werkstoff des Ventilsitzes 84 verlorengeht.
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Der Ventilsitz 84 sollte aus einem Kunststoff bestehen, der möglichst
schwer brennbar oder nicht brennbar ist.
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Die Ventildüse 88 weist einen zentralen Kanal 92 auf, der mit dem
Gaseinlaß 22 über eine Querbohrung 93 und einen Einlaßkanal 94 in der Gehäusewand
des Regelkörpers in Verbindung
steht. Die gestrichelt angedeuteten
Längsachsen der beiden Kanäle 92 und 94 schneiden sich unter Bildung eines eingeschlossenen
Winkels ¢ von weniger als 900. Aufgrunddessen wird das über den Einlaß 22 einströmende
Gas gezwungen, eine Wendung von mehr als 900 auszuführen, bevor das Gas in die Ventilkammer
73 gelangt und mit dem Ventilsitz 84 in Verbindung kommt.
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Der Kolben 70 ist konzentrisch zur Längsachse des Druckreglers 65
und des verschiebbaren Ventilorgans 30 des Regelventils 20. Eine Feder 96 umfaßt
einen mittleren Teil des Kolbens 70. Sie hält die Ventilkammer 73 offen, bis der
Druck in der Ventilkammer 24 über dem Kopf des Kolbens 70 den Kolben 70 nach unten
schiebt, um die Ventilkammer 73 abzudrosseln und in der Ventilkammer 24 einen gewünschten
Erststufen-Abgabedruck aufrechtzuerhalten. Die Feder 96 sorgt für eine statische
Kraft, die durch den Abgabegasdruck über einen Rückführkanal 98 dynamisch ergänzt
wird, welcher die Federkammer 77 und die Niederdruckseite im Bereich des Auslasses
25 miteinander verbindet.
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Der Kolben 70 des Regelventils 66 der ersten Stufe witd so verschoben,
daß in der Ventilkammer 24 der zweiten Stufe ein Zwischengasdruck für jede vorgegebene
Kombination von Handeinstellungen der Druckeinstellschraube 60
und
der Trimmschraube 65' ausgebildet wird. Über die Druckeinstellschroube 60 wird der
Auslaßgasdruck eingestellt, wie dies oben in Verbindung mit dem Einstufendruckregler
10 erläutert ist. Der Rückführkanal von der Abgabeseite des Gasauslasses zur Federkammer
der ersten Reglerstufe sorgt fUr eine konstante Druckdifferenz zwischen der Kammer
73 und der Kammer 24; er gestattet einen großen Gasdruckabfall am Einlaßende des
Druckreglers, ohne daß die Gasdruckregelung leidet.