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Ventil zur Druck regelung von Gasen
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Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Druckregelung von Gasen, welches
aus einer eine Vordruckkammer und eine Hinterdruckkammer enthaltenden Ventileinheit
mit einem durch den Vordruck in Schließrichtung versetzbaren Verschlußelement an
einer Gasdurchtrittsöffnung und einer elektrodynamischen, nach Druck-Ist-Werten
und Druck-Soll-Werten gesteuerten Antriebseinheit besteht, die über einen bewegbaren
Stößel von der Hinterdruckseite her an dem Verschlußelement angreift.
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Aus der DE-OS 28 31 312 ist eine Geräteanordnung gemäß oben genanntem
Gattungsbegriff bekannt.
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Darin wird eine Anordnung zur Regelung eines Gasdruckes beschrieben,
bei welcher der Öffnungsweg eines Kugelventils mit Hilfe einer Antriebseinheit verändert
wird. Eine Steuereinheit vergleicht den Druck-Ist-Wert in der Hinterdruckkammer
mit einem vorgegebenen Druck-Soll-Wert. Die daraus resultierende Regelabweichung
steuert die Antriebseinheit derart, daß sie die in ihrem Sitz frei bewegliche Kugel
mittels eines Stößels in Öffnungsrichtung verschiebt.
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Soll das Ventil geschlossen werden, gibt die Antriebseinheit den Stößel
frei, und der in der Vordruckkammer herrschende Gasdruck verschiebt die Kugel und
den Stößel in Schließrichtung um einen von der Antriebseinheit bestimmten Weg.
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Eine solche Ventilanordnung arbeitet während des Regelvorganges jedoch
nur dann stabil, wenn bei geöffnetem Ventil eine genügend hohe Druckdifferenz zwischen
Vordruckkammer und Hinterdruckkammer herrscht, die in der Lage ist, bei freigegebenen
Stößel die Ventilkugel und den Stößel
in Schließrichtung zu verschieben.
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Ist das Ventil anfangs beispielsweise verschlossen, herrscht in der
Vordruckkammer ein Überdruck, welcher die Ventilkugel mit einer bestimmten Schließkraft
auf ihren Sitz drückt. Bei entsprechender Ansteuerung der Antriebseinheit wird diese
Schließkraft überwunden und das Ventil durch Verschiebung der Kugel um eine festgelegte
Wegstrecke geöffnet. Jetzt wirkt der Ringspalt zwischen Kugel und Sitz als eine
Drossel, durch welche das Gas aus der Vordruckkammer in die Hinterdruckkammer strömt.
Dementsprechend nimmt die Schließkraft auf die Ventilkugel ab, und zwar um so mehr,
je weiter das Ventil geöffnet wird.
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Der Verlauf der Stellkraft, die von der Antriebseinheit auf den Stößel
und die Kugel ausgeübt wird, ergibt daher in bezug auf den variablen Öffnungsweg
der Kugel eine im wesentlichen negative Kennlinie. Dieses unerwünschte Verhalten
der Ventilanordnung wirkt sich destabilisierend auf den Antriebs- und Steuerkreis
aus.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, ein Ventil
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch bei geöffnetem Ventil stets
genügende Rückstellkräfte auf das Verschlußelement und den Stößel ausgeübt werden,
um beide in Schließrichtung auf eine von der Antriebseinheit bestimmte Position
zu verschieben.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß an dem Stößel ein federelastisches
Element derart angreift, daß der Stößel bei seiner Bewegung in Öffnungsrichtung
unter federelastischer Rückstellkraft steht.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Aufprägung einer Rückstellkraft
auf den Stößel besteht darin, daß die Abhängigkeit der von der Antriebseinheit auszuübenden
Stellkraft vom Öffnungsweg des Ventils, die sich in einer im wesentlichen negativen
Kennlinie äußert, so weit ausgeglichen wird, daß eine Stabilisierung des Steuerverhaltens
auf einfache Weise erreicht wird. Dadurch genügt zur Ansteuerung der Antriebseinheit
eine einfach aufgebaute Regeleinheit, wie z.B. ein Einquadrantenregler.
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Zur Aufprägung der Rückstellkraft können federelastische Elemente
unterschiedlicher Ausführungsformen wie z.B.
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Schraubenfedern, Gasdruckfedern, Faltenbälge gewählt werden. Vorzugsweise
wird eine Schraubendruckfeder eingesetzt.
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In einer weiteren vorteilhaften Anordnung von Ventileinheit und Antriebseinheit
wird das federelastische Element derart ausgebildet, daß dessen Rückstellkraft beim
Öffnen des Ventils annähernd in einem solchen Maße zunimmt, wie die pneumatische
Schließkraft abnimmt. Somit wird die negative Kennlinie der Schließkraft der Ventilanordnung
durch die positive Kennlinie der Rückstellkraft des federelastischen Elementes wenigstens
teilweise kompensiert.
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Die Justierung der Vorspannkraft der Schraubendruckfeder erfolgt zweckmäßigerweise
durch eine Stellschraube im feststehenden Teil der Antriebseinheit, welche eine
Feder gegen eine auf das rückwärtige Ende des Stößels aufgesteckte Kappe drückt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem
Längsschnitt des Ventils in Schließstellung schematisch dargestellt.
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In dem Ventilgehäuse 18 ist .in der Vordruckkammer 20 als Verschlußelement
eine Kugel 1 angeordnet, welche zwischen mehreren Führungsstegen 19 in einer Richtung
verschiebbar ist, wobei der Verschiebungsweg auf der einen Seite durch ein Siebgitter
17 und auf der anderen Seite durch den Ventilsitz 2 begrenzt wird. Die Kugel 1 ist
in dem von dem Siebgitter 17, den Führungsstegen 19 und dem Ventilsitz 2 begrenzten
Käfig frei beweglich. Bei geöffnetem Ventil strömt das Gas aus der Vordruckkammer
20 durch den Gaskanal 21 in die Hinterdruckkammer 3.
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In der Hinterdruckkammer 3 befindet sich ein Druckfühlerrohr 4, welches
mit dem Druckfühler 5 verbunden ist.
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Geführt von den aufeinander ausgerichteten Lagerelementen 6, 11 der
Ventileinheit 22 und der Antriebseinheit 16 ist ein Stößel 12 zentrisch auf die
Kugel 1 gerichtet, welcher mit seiner konisch verlaufenden, abgeflachten Spitze
die Oberfläche der Kugel 1 flächig berührt. Eine am Schaft des Stößels 12 angeordnete
Lippendichtung 7 verhindert den Gasaustritt aus der Hinterdruckkammer 3.
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An dem Schaftende des Stößels 12 ist ein Träger 9 angebracht. Dieser
trägt eine Tauchspule 27, welche in ein Magnetsystem 28 eingreift und dadurch die
elektrodynamische Antriebseinheit 16 bildet.
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Auf der Außenfläche 24 des Ventilgehäuses 18 ist eine in Richtung
der Antriebseinheit 16 kegelförmig zulaufende Schraubenfeder 8 einseitig abgestützt.
Diese greift an dem Mitnehmer 25 an, welcher direkt mit dem Träger 9 verbunden ist.
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Um bei geschlossenem Ventil am Stößel 12 eine gewünschte Vorspannkraft
einstellen zu können, ist an seinem hinteren Ende , welches durch das Lagerelement
11 in den Raum 26
hineinragt, eine Kappe 13 aufgesetzt. Die Kappe
13 ist über eine Feder 14 mit der Stellschraube 15 verbunden, mit welcher die Vorspannung
der Schraubehfeder 8 durch Kompensation verändert werden kann, Dabei ist die Ruhelage
durch den Anschlag 10 bestimmt.
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Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Steuereinheit, wie sie beispielsweise
in der DE-OS 28 31 312 beschrieben ist, vergleicht den von dem Druckfühler 5 gemessenen
Druck-Ist-Wert in der Hinterdruckkammer mit dem an der Steuereinheit vorgebbaren
Druck-Soll-Wert. Ist der Druck in der Hinterdruckkammer aufgrund des Vergleiches
zu erhöhen, so übt die Antriebseinheit über den Träger 9 eine axiale Kraft in Öffnungsrichtung
des Ventils entgegen der Rückstellkraft der Feder 8 aus. Hierdurch wird die Kugel
1 in Öffnungsrichtung verschoben, bis der geforderte Druck-Soll-Wert in der Hinterdruckkammer
erreicht ist. Soll jedoch der Druck in der Hinterdruckkammer erniedrigt werden,
läßt auf ein entsprechendes Steuersignal von der Steuereinheit die Kraft der Antriebseinheit
auf den Stößel 12 nach, so daß die in Schließrichtung wirkende Rückstellkraft der
Feder 8 den Stößel 12 auf eine durch das Steuersignal bestimmte Position zurückführt.
Unter dem in der Vordruckkammer 20 herrschenden Gasdruck folgt die Kugel 1 in Schließrichtung
des Ventils, wobei sie der Spitze des Stößels 12 anliegt.