DE3126134C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil, das beim normalen Betrieb zwischen offener und geschlossener Stellung bewegt werden kann, aber das, wenn es einer ausgewählten höheren Temperaturstufe ausgesetzt ist, automatisch in eine ausgewählte der offenen oder geschlossenen Stellungen bewegt wird.

In vielen Fällen wäre es wünschenswert, ein Ventil zu benützen, das, unter normalen Umständen, leicht geöffnet und geschlossen werden kann, um seine normale Ventilfunktion auszuüben, das aber, wenn ein solches Ventil übermäßig hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wie bei einem Feuer, eine ausgewählte der offenen oder geschlossenen Stellungen betätigen würde. Zum Beispiel könnte ein solches Ventil in Raffinerien, chemischen Fabriken und dgl. ebenso wie bei Steigrohrköpfen und Fließleitungen bei der Ölproduktion und bei Gasbohrungen benutzt werden, um im Falle eines Feuers als Sicherheitsvorkehrung und um das Fluid, das normalerweise durch solche Ventile fließt, daran zu hindern, das Feuer weiter zu nähren, automatisch geschlossen werden. Solche wärmeempfindlichen Ventile würden somit in die geschlossene Stellung "versagen". Andererseits können Fälle auftreten, wo es gewünscht würde, daß im Falle eines Feuers das Ventil in die offene Stellung "versagt". Zum Beispiel könnte es wünschenswert sein, im Falle eines Feuers Fluid zu einem Brandherd zu lassen. Wie angegeben, wäre es, mit jeder der beiden Arten von Ventilen, wünschenswert, das Ventil als ein normales Ventil während der alltäglichen Vorgänge benutzen zu können, in dem Sinne, daß das Ventil leicht nach Belieben geöffnet und geschlossen werden könnte.

Es wurden viele Ventile vorgeschlagen, die ein schmelzbares Element enthalten, das eine Art von Antwort erzeugt, wenn es einer Temperatur ausgesetzt wird, die ausreicht, das Element schmelzen oder durchbrennen zu lassen. Bei einer solchen Art Ventil hält das schmelzbare Element das Ventil fortlaufend entweder in offener oder geschlossener Stellung, bis es der erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, zu welchem Zeitpunkt das Ventil sich in seine andere Stellung bewegt. Diese Art von Ventil kann nicht auf normale Weise zwischen offener und geschlossener Stellung betätigt werden, sondern bleibt in einer Stellung, bis es der erhöhten Temperatur ausgesetzt wird. Eine andere solche Art Ventil verwendet ein schmelzbares Element in einer solchen Weise, daß das Ventil normalerweise zwischen offener und geschlossener Stellung bewegt werden kann, aber, wenn das schmelzbare Element schmilzt, das Ventil nur in die offene Stellung versagen kann.

Diese Art Ventil ist in der US 36 18 627 (Wagner) erläutert. Darüber hinaus ist das schmelzbare Element, wie in der obigen Patentschrift gezeigt, im Inneren des Ventils angeordnet, und letzteres muß zerlegt werden, um das schmelzbare Element zu ersetzen.

Ein sehr bedeutsames Problem, dem man bei der Konstruktion von Ventilen mit den obenerwähnten gewünschten Eigenschaften begegnet, ist, einen störungssicheren Betrieb zu schaffen, der nicht mit sich bringt, daß ein Teil des Ventils ein "Geschoß" wird, wenn das schmelzbare Element schmilzt. Ein Anschauungsbeispiel für dieses Problem ist das in der US 38 42 854 (Wicke) gezeigte Ventil. In dieser Patentschrift ist ein Ventilbetätiger gezeigt, der auf das Schmelzen eines schmelzbaren Teiles hin vom Ventil freikommt. Wenn ein solches Ventil bei Vorgängen mit einigermaßen hohem Druck, z. B. 34,5 MPa (5000 psi) benutzt wird, verursacht der über den Hauptventilschaft wirkende Leitungsdruck, daß es sich abrupt in die geschlossene Ventilstellung bewegt, wenn der Betätiger getrennt wird. Diese Bewegung ist so abrupt und so heftig, daß sie tatsächlich bewirkt, daß der Betätiger wie ein Geschoß wird, so daß er sich über einige Meter (einige -zig Fuß) bewegt, bevor er zur Ruhe kommt. Offensichtlich kann dies äußerst gefahrenträchtig sein.

Um die Kräfte, die auftreten, wenn hohe Leitungsdrücke wirken, um einen Schieber ohne Hemmung für eine solche Bewegung zu bewegen, weiter zu verdeutlichen: Es wurde beobachtet, daß diese Kräfte tatsächlich bewirken können, daß der Ventildeckel vom Hauptventilkörper abgerissen wird, wenn der Schieber gegen den Ventildeckel schlägt.

Demgegenüber zeigt die US-PS 15 32 615 ein Ventil, welches ein schmelzbares Element enthält, das unter normalen Bedingungen jedoch zwischen der geöffneten und geschlossenen Stellung hin- und herbewegt werden kann, wobei sich das schmelzbare Element jedoch ebenfalls noch innerhalb der Abdeckung des Ventiles befindet. Weiterhin besteht das schmelzbare Element nicht aus einem massiv ausgebildeten Hohlzylinder, sondern aus im Abstand zueinander angeordneten ringförmigen Scheiben, die durch relativ dünne axiale Rippen auf Abstand gehalten werden. Dadurch ist die Masse des schmelzbaren Elementes relativ gering, und eine Erhitzung bewirkt ein plötzliches Wegknicken dieser Rippen, so daß wiederum im Falle der Auslösung des hitzeempfindlichen Ventils mit einer schlagartigen Bewegung von Ventilkörper und Ventilschaft gegen die Ventilklappe zu rechnen ist. Die im Bereich des schmelzbaren Elementes in der Ventilklappe vorgesehenen Öffnungen sind im Vergleich zur Masse des schmelzbaren Elementes sehr groß, so daß hierdurch keinerlei Begrenzung des Ausflusses des geschmolzenen Materials gegeben ist, zumal innerhalb der Ventilabdeckung genügend Hohlräume vorhanden sind, so daß sich das geschmolzene Material dort ablagern wird. Weiterhin wird dieses Ventil bei Hitze durch die Kraft einer Spiralfeder in die ausgerückte Stellung bewegt, und diese Feder kann durch heruntergeflossenes, geschmolzenes Material an einer späteren normalen Funktion gehindert werden.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein wärmeempfindliches Ventil zu schaffen, welches unter normalen Betriebsbedingungen zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung bewegbar ist, aber bei erhöhten Temperaturen nicht aufgrund des im Ventilraum vorherrschenden Überdruckes automatisch in eine bestimmte - wahlweise die offene oder geschlossene - bewegt, ohne daß bei dieser Bewegung eine bestimmte Geschwindigkeit überschritten wird und wobei nach Schmelzen dieses Elementes die normalen Ventilfunktionen aufrechterhalten bleiben und ein einfaches Auswechseln des schmelzbaren Elementes gegeben ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht im Halbschnitt eines Absperrschieberventils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 eine teilweise Schnittansicht des oberen Abschnitts eines Schieberventils, eine andere Anordnung gemäß der Erfindung zeigend.

Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht, außer daß sie die Erfindung auf einen Typ Ventil mit nicht ansteigendem Schaft angewandt zeigt, und

Fig. 4 noch eine weitere Ansicht eines oberen Bereichs eines Ventils, eine andere Ausführungsform eines in der Erfindung verwandten schmelzbaren Elementes zeigend.

In Fig. 1 ist ein Schieberventil mit einem herkömmlichen Gehäuse 10, einem Deckel 11, einem Ventilelement 12 und Sitzen 13 (von denen nur einer gezeigt ist) gezeigt. Das Ventilelement 12 ist mit einem Ventilschaft 14 verbunden, der sich vom Deckel erstreckt und damit gleitend z. B. mittels einer Dichtung 15 und einer Dichtungsmutter 16 verbunden ist.

Das bis hierhin beschriebene Ventil ist herkömmlich, und die verschiedenen beschriebenen Elemente können andere Formen annehmen, solange ein Ventilelement vorgesehen ist, das zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung bewegt werden kann, um den Fluß durch den Ventilkörper zu steuern, und als ebenfalls ein Ventilschaft vorgesehen ist, der durch den Druck im Ventilkörper, der auf eine Fläche wirkt, die der des Schaftes innerhalb der Abdichtung 15 äquivalent ist, auswärts des Ventilkörpers und des Deckels gedrängt wird.

Eine Betätigungseinrichtung ist vorgesehen, um das Ventilelement 12 hin- und herzubewegen, und diese Betätigungseinrichtung kann ihrer Funktion nach in drei Abschnitte unterteilt werden. In Fig. 1 ist der erste Abschnitt als ein Aufsatz 17 dargestellt, der durch eine Reihe von Kopfschrauben 18 am Deckel 11 befestigt ist. Der zweite Abschnitt der Betätigungseinrichtung ist als hohles, zylindrisches, schmelzbares Element 19 gezeigt, dessen oberes Ende sich gegen eine nach innen gewandte Schulter 20, die durch den Aufsatz 17 getragen wird, abstützt. Der dritte Abschnitt der Betätigungseinrichtung ist als eine Mutter 21 dargestellt, die durch ein Gewinde mit dem Ventilschaft 14 verbunden ist und eine nach außen gewandte Schulter aufweist, die ein Lager 23 trägt, das seinerseits mit dem unteren Ende des schmelzbaren Elementes 19 in Eingriff steht.

Ein herkömmliches Handrad 24 kann mit der Mutter 21 verbunden sein, um sie zu drehen, um die Hin- und Herbewegung des Ventilschaftes und des Ventilelements zu bewirken.

Mit der obigen Anordnung ist ersichtlich, daß die durch den Ventilschaft 14 entwickelten Stoßkräfte über das schmelzbare Element 19 auf den Aufsatz 17 und von dort auf den Deckel 11 übertragen werden. Diese Stoßkräfte bestehen in erster Linie aus der durch den Druck innerhalb des Ventilkörpers entwickelten Kraft, die über eine Fläche wirkt, die der des Ventilschafts 14 innerhalb der Dichteinrichtung 15 gleich ist.

Wenn das schmelzbare Element 19 ausreichend erwärmt wird, wie durch ein Feuer in der Nähe, schmilzt es oder brennt es durch, und die durch den inneren Ventildruck erzeugte, auf den Ventilschaft wirkende Kraft bewirkt, daß das geschmolzene Material aus den Öffnungen 25 und 26 im Aufsatz 17 ausgepreßt wird. Während das Material so ausgepreßt wird, bewegen sich der Ventilschaft und das Ventilelement um eine Strecke nach oben, die ausreicht, daß die konische Schulter 27 auf dem Ventilschaft in Eingriff mit einer Schulter 28 auf den Deckel gelangt, um eine solche auswärtsgerichtete Bewegung anzuhalten. Diese jeweiligen Schultern sind natürlich so angeordnet, daß sie in Eingriff geraten, nachdem das Ventil in die das Ventil schließende Stellung wie in Fig. 1 gezeigt bewegt worden ist. Auch sollte die Länge des schmelzbaren Elementes 19 mindestens gleich der Strecke sein, die sich der Ventilschaft bewegen muß, um das Ventilelement aus seiner Offen- in seine Schließstellung zu bewegen.

Wie oben angedeutet, können hohe Drücke innerhalb des Ventilkörpers (z. B. 34,5 MPa [5000 psi]), wenn sie nicht gehemmt werden, so wirken, daß der Ventilschaft heftig gegen den Deckel schlägt. Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung wird dies dadurch verhindert, daß Anzahl und Größe der Öffnungen 25 und 26 so ausgebildet sind, daß das geschmolzene schmelzbare Material daraus mit einer Geschwindigkeit bzw. Menge pro Zeit ausgepreßt wird, die hinreichend gering ist, daß die Auswärtsbewegung des Ventilschafts gedämpft wird und der Aufprall der Schulter 27 an dem Ventilschaft gegen die Schulter 28 an dem Deckel eine annehmbare Größe hat.

Die Anordnung in Fig. 2 ist der in Fig. 1 gezeigten ähnlich, außer daß der Betätiger konstruiert ist, ein Ventil der Art mit drehendem ansteigendem Schaft aufzunehmen, im Gegensatz zu dem Ventil der Art mit nicht-drehendem Schaft der Fig. 1. Elemente in Fig. 2, die den Elementen der Fig. 1 entsprechen, wurden mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei "A" hinzugefügt wurde.

In der Betätigungseinrichtung der Fig. 2 dreht sich die Mutter 21A nicht und ist gegen Verdrehung durch einen Stift 29 gehalten, der in einen radialen Schlitz 30 in der auswärtsgewandten Schulter 22A eingreift. Wiederum werden die durch den Ventilschaft 14A ausgeübten Kräfte über die Mutter 21A über das schmelzbare Element 19A auf den Aufsatz 17A und von dort auf den Deckel 11A übertragen. Somit ist das Ventil der Betätigung zwischen offener und geschlossener Stellung durch einfaches Drehen des Handrades 24A fähig. Wenn jedoch das schmelzbare Element 19A schmilzt, zwingt der Druck im Inneren des Ventils wiederum den Ventilschaft nach oben, um das Ventil zu schließen. Natürlich ist das schmelzbare Element 19A derart hinreichend lang ausgebildet, daß, wenn es geschmolzen wird, der Ventilschaft das Ventilelement in seine geschlossene Stellung bewegen kann.

Fig. 3 zeigt noch eine andere Anordnung einer Betätigungseinrichtung, wobei der Ventilschaft 14B mit der Mutter 21B, die gegenüber dem Deckel durch die Abdichtung 15B abgedichtet ist, schraubverbunden ist. Die Stoßkräfte des Ventilschafts 14B werden durch die Mutter 21B auf das schmelzbare Element 19B und von dort über den Aufsatz 17B auf den Deckel 11B übertragen. Die Hin- und Herbewegung des Ventilschaftes 14B wird durch Drehen des Handrades 24B erreicht, das seinerseits die Mutter 21B dreht. Eine Bewegung der Mutter in Richtung der Enden wird durch Einschließen der Schulter 22B zwischen Lagern 23B und 35 verhindert. Das Arbeitsprinzip der Betätigungseinrichtung der Fig. 3 ist das gleiche wie das der anderen Betätigungseinrichtungen, indem auf das Schmelzen des schmelzbaren Elementes 19B hin die Mutter und der Ventilschaft unter dem Einfluß des Druckes innerhalb des Ventilkörpers auswärts bewegt werden gemäß dem Schmelzen des schmelzbaren Elements 19B.

Auch hier wird wiederum die Geschwindigkeit der Auswärtsbewegung durch die Anzahl und Größe der Öffnungen 25B in dem Aufsatz gesteuert. Auch ist die Länge des Schaftes 14B unterhalb der Dichtung 15B länger als die Strecke, um die sich der Schaft auf das Schmelzen des schmelzbaren Elements hin nach außen bewegt wird.

In Fig. 4 ist eine Betätigungseinrichtung für ein Ventil mit ansteigendem Schaft gezeigt, die eine verhältnismäßig schnelle Bewegung des Ventilschaftes auf das Schmelzen des schmelzbaren Elementes hin ermöglicht. Bei dieser Darstellung weist der erste Abschnitt der Betätigungseinrichtung die Hülse 50 auf, die innerhalb des Aufsatzes 51 durch Lager 52 und 53, die zwischen sich den nach außen gewandten Flansch 54 einschließen, drehbar angebracht ist. Die Nabe 55 des Handrades 24C ist ebenfalls ein Teil des ersten Abschnittes und stützt sich gegen das schmelzbare Element 21C ab. Letzteres ist natürlich der zweite Abschnitt der Betätigungseinrichtung. Der dritte Abschnitt der Betätigungseinrichtung ist das mit einem Gewinde versehene obere Ende des Ventilschafts 14C, das eine Gewindeverbindung zum schmelzbaren Element hat.

Mit dieser Anordnung ist ersichtlich, daß die Drehung des Handrades auch den Aufsatz 57 und das schmelzbare Element 21C drehen wird, um letzteres zu veranlassen, den Ventilschaft hin- und herzubewegen. Die Stoßkräfte beim Hin- und Herbewegen des Ventilschaftes werden von letzterem auf das schmelzbare Element, dann zu Aufsatz 57, Nabe 55, Hülse 50 und Aufsatz 51 zum Deckel 11C übertragen.

Wenn ein Feuer oder ein anderer mit erhöhter Temperatur verbundener Umstand das schmelzbare Element 21C erwärmt, verliert es seine Druckfestigkeit und den Widerstand gegen Scherung bis zu einem Punkt, wo die auswärtsgerichtete Kraft auf den Ventilschaft bewirkt, daß das schmelzbare Element in der Nachbarschaft der Linie 58 abschert. Als Folge hiervon kann der Ventilschaft sich schnell nach oben bewegen, wobei er den abgescherten Materialpfropfen, der noch mit dem Gewinde des Ventilschaftes in Eingriff steht, mit sich trägt. Dieser letztere Eingriff verhindert, daß der abgescherte Pfropfen wie ein Geschoß wirkt.

In Fig. 4 wird bemerkt werden, daß das schmelzbare Element eine konische äußere Oberfläche 59 hat, die zu einer entsprechenden konischen Oberfläche 60 an der Innenseite des Aufsatzes 57 paßt. Sobald der Ventilschaft eine aufwärtsgerichtete Kraft an das schmelzbare Element anlegt, wird aufgrund der konischen Anordnung eine Keilwirkung auftreten, die das schmelzbare Element in engeren Eingriff mit dem Gewinde am Ventilschaft stoßen soll. Als Ergebnis können, wenn das Material oder das schmelzbare Element irgendwelche Kaltfließeigenschaften hat, diese bewältigt werden, während das schmelzbare Element in richtiger Gewindeverbindung mit dem Ventilschaft gehalten wird.

Im allgemeinen können die schmelzbaren Elemente der Erfindung aus Materialien hergestellt werden, die physikalische Eigenschaften haben, die dazu geeignet sind, den Beanspruchungen und Belastungen zu unterliegen, die der normale Betrieb des Ventils mit sich bringt. Zusätzlich sollten solche Materialien einen Erweichungs- oder Schmelzpunkt haben, der es erlaubt, daß das Ventil geschlossen wird, wenn die Temperatur in der Nachbarschaft des Betätigungsmechanismus einen Grad erreicht, der durch den Konstrukteur des Ventils gewählt ist. Gewöhnlich wird dieser Grad eine Temperatur innerhalb des Bereichs von 150°C bis 200°C (300 bis 400°F) für Betrieb des Ventils bei Raumtemperatur sein, aber er kann höher oder niedriger sein. Ein Beispiel eines bevorzugten aus solchen Materialien ist ein Azetalharz, das unter dem Handelsnamen "Delrin" vertrieben wird. Andere verwendbare Materialien sind Nylon-6/6, das unter dem Namen "Zytel" vertrieben wird, ein Polycarbonat, das unter dem Namen "Lexan" vertrieben wird, Noryl, das ein modifiziertes Polyelyphenoxid, und Texin, das ein Polyurethan ist. Es gibt auch eine Familie von Metallegierungen mit niedrigerem Schmelzpunkt, die benutzt werden können, darunter 30/70 Stangenlot, Woodsches Metall usw.

Claims (9)

1. Ventil für einen Hochdruckkreislauf mit einem Gehäuse und einem Ventilelement, das zwischen einer inneren und einer äußeren Lage mittels einer Betätigungseinrichtung bewegbar ist, wobei

• - deren erster Abschnitt mit dem Gehäuse und
• - deren dritter Abschnitt mit dem Ventilelement (12) verbunden ist und
• - deren zweiter Abschnitt ein durch Wärme schmelzbares Element (19) ist, das mit dem ersten und dritten Abschnitt verbunden ist und zwischen ihnen normalerweise Ventilkräfte überträgt, und im geschmolzenen Zustand die Verlagerung des dritten Abschnittes auf den ersten Abschnitt zu nach außen ermöglicht, bis sich das Ventilelement (12) in seiner äußeren Lage befindet,
• - sowie mit einer Dichtung zwischen Gehäuse und Betätigungseinrichtung,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt das schmelzbare Element (19, 19A, 19B) eng umgibt und wenigstens eine Öffnung (25, 26, 25A) aufweist, deren Anzahl und Größe die Ausflußgeschwindigkeit und/oder -menge des geschmolzenen Elementes (19, 19A) so beschränkt, daß die Bewegungsgeschwindigkeit des dritten Abschnittes auf den ersten Abschnitt zu auf eine gewünschte Größe beschränkt ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der erste Abschnitt einen Aufsatz (17) mit einer an einem Ende angeordneten Schalter (20) aufweist,
• - der dritte Abschnitt eine drehbare Mutter (21) mit einer an einem Ende angeordneten Schulter (22) aufweist und
• - das schmelzbare Element (19) zwischen den Schultern (20, 22) angeordnet ist, um diese normalerweise im Abstand zu halten und bei Schmelzen des Elementes (19) eine Bewegung der einen Schulter zur anderen zuzulassen.

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der erste Abschnitt am Ende eine Schulter (20A) aufweist,
• - der dritte Abschnitt am Ende eine Schulter (22A) und eine nicht drehbare Mutter (21A) mit welcher über ein Gewinde ein drehbarer, mit dem Ventilelement (12) verbundener Ventilschaft (14A) verbunden ist und
• - das schmelzbare Element (19A) zwischen den Schultern (20A, 22A) aufgenommen ist, um diese normalerweise im Abstand zu halten und bei Schmelzen des Elementes (19, 19A, 19B) eine Bewegung der einen Schulter zur anderen zuzulassen.

4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der dritte Abschnitt ein Ventilschaft (14C) ist,
• - der zweite Abschnitt nicht drehbar mit dem ersten Abschnitt verbunden ist und ein schmelzbares Element aufweist, welches über ein Gewinde mit dem Ventilschaft (14C) in Verbindung steht, um normalerweise eine Hin- und Herbewegung des Ventilschaftes (14C) zu erreichen, aber bei Schmelzen des schmelzbaren Elementes den ersten und den dritten Abschnitt zu trennen.

5. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des schmelzbaren Elementes (19, 19A, 19B) mindestens gleich der Strecke zwischen der inneren und äußeren Lage des Ventilelementes (12) entspricht.

6. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzbare Element (19, 19A, 19B) außerhalb der Abdichteinrichtung angeordnet ist.

7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzbare Element (19, 19A, 19B) um die Mutter (21, 21A, 21B) herum angeordnet ist.

8. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche des schmelzbaren Elementes konisch ist und an einer entsprechenden konischen Fläche der Betätigungseinrichtung anliegt.