DE3613761A1 - Sicherheitsventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil mit einer Eintrittsleitung und einer Austrittsleitung für ein Druck­ medium, einem Ventilgehäuse, einem Ventilsitz, einem be­ weglichen Ventilkörper und einer den Ventilkörper belasten­ den Feder.

Zum Absichern druckbelasteter Arbeitsräume werden Sicher­ heitsventile verwendet, die bei Überschreitung eines meist einstellbaren Solldruckwertes öffnen und so einen uner­ wünschten oder gefährlichen Druckaufbau im zu sichernden Arbeitsraum verhindern. Bekannte Sicherheitsventile spre­ chen auf einen Differenzdruck zwischen Ein- und Austritts­ druck des Sicherheitsventils an.

Steht jedoch die Austrittsseite des Sicherheitsventils mit einem weiteren abgesperrten und zusätzlich abgesicher­ ten Raum in Verbindung, so erhöht sich z.B. durch unver­ meidliche Leckage durch das Sicherheitsventil auf der Austrittsseite der Druck, wodurch der abzusichernde Druck ebenfalls ansteigt. Damit sind die herkömmlichen Sicher­ heitsventile für mehrstufige Sicherheitssysteme ungeeignet. Mehrstufige Sicherheitssysteme werden z.B. zur Absicherung von unter Druck stehenden, flüssiges Helium enthaltenden Kühlanlagen, insbesondere Kryostaten, von wärmebelasteten Großanlagen, wie z.B. Infrarot-Laboratorien, Weltraum-Infra­ rot-Teleskopen usw., benötigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Sicher­ heitsventil so auszugestalten, daß es folgende Anforde­ rungen erfüllt:

Um eine Verwendung des Sicherheitsventils bei mehrstufigen Sicherheitssystemen zu ermöglichen, muß das Sicherheits­ ventil unabhängig vom Druck in der Austrittsleitung bei einem bestimmten, einstellbaren Absolutdruck öffnen. Das Sicherheitsventil muß in der Lage sein, bereits bei geringen Absolutdrücken anzusprechen. Außerdem muß eine einwandfreie Funktion des Sicherheitsventils bei tiefen Temperaturen gewährleistet sein, um seine Verwendung bei der Absicherung von z.B. Flüssigheliumtanks zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Membranbalg einerseits mit dem Ventilgehäuse und andererseits mit dem Ventilkörper in Verbindung steht, daß eine Ausgleichsleitung die Eintrittsleitung mit dem Innenraum des Membranbalges verbindet und der Außenraum des Membranbalges einem konstanten Druck ausgesetzt ist.

Bei der Erfindung handelt es sich um ein durch ein Eigen­ medium absolutdruckgesteuertes Sicherheitsventil. Ein im Ventilgehäuse angeordneter Membranbalg, der im folgen­ den als Arbeitsbalg bezeichnet wird, ist einerseits mit dem Ventilgehäuse und andererseits mit dem Ventil­ körper verbunden. Der Druck in der Eintrittsleitung des Sicherheitsventils wirkt über eine Ausgleichsleitung auf den Innenraum des Arbeitsbalges, wodurch eine hohe Kraft erreicht wird, die den Ventilkörper gegen eine Feder­ kraft vom Ventilsitz wegbewegt und damit das Sicherheits­ ventil öffnet. Da der Außenraum des Arbeitsbalges einem konstanten Druck ausgesetzt ist, öffnet das Sicherheits­ ventil immer bei gleichem Absolutdruck.

Ein weiterer Membranbalg, der im folgenden als Dichtbalg bezeichnet wird, ist nach einer zweckmäßigen Ausgestal­ tungsform ebenfalls einerseits mit dem Ventilgehäuse und andererseits mit dem Ventilkörper verbunden. Der Druck in der Eintrittsleitung des Sicherheitsventils wirkt über die Ausgleichsleitung auf den Innenraum des Dichtbalges. Eine dadurch erreichte Kraft drückt den Ventilkörper zusätzlich zur Federkraft auf den Ventilsitz. Der Außen­ raum des Dichtbalges ist dem Druck in der Austrittslei­ tung ausgesetzt. Eine geeignete Dimensionierung des Dicht­ balges sorgt dafür, daß sich vom Dichtbalg auf den Ventil­ körper ausgeübte Kräfte und vom Druckmedium in Ein- und Austrittsleitung auf den Ventilkörper ausgeübte Kräfte kompensieren, so daß der Druckwert, bei dem sich das Sicherheitsventil öffnet, vom Druck nach dem Sicherheits­ ventil völlig unabhängig ist.

Ein am Ventilkörper angebrachter und aus dem Ventilgehäuse herausgeführter Seilzug erlaubt ein Öffnen des Sicher­ heitsventils von Hand.

Durch die Unabhängigkeit des Öffnungsdrucks des Sicher­ heitsventils vom Druck in der Austrittsleitung eignet sich das erfindungsgemäße Sicherheitsventil ausgezeichnet für mehrstufige Sicherheitssysteme. Ein eventueller Druckanstieg in einem dem Sicherheitsventil nachgeschal­ teten Leitungssystem beeinflußt nicht den Öffnungsdruck des Sicherheitsventils, so daß ein Druckanstieg im abzu­ sichernden Arbeitsraum vermieden wird.

Jedes Ventil besitzt einen gewissen Toleranzbereich für den Öffnungsdruck so daß es erst bei einer Überschreitung eines Solldruckwertes um etwa 10% ganz geöffnet ist.

Bei einer Ausstattung eines mehrstufigen Sicherheits­ systems mit erfindungsgemäßen absolutdruckgesteuerten Sicherheitsventilen öffnet jedes einzelne Sicherheitsven­ til bei einem bestimmten, einstellbaren Absolutdruck und ist bei Überschreitung eines Toleranzbereiches von etwa 10% des eingestellten Absolutdruckes ganz geöffnet. Durch den jeweils individuell für jedes einzelne Sicherheits­ ventil einstellbaren Öffnungsdruck sind kleine Druckab­ stufungen in mehrstufigen Sicherheitssystemen möglich.

Durch die Möglichkeit, das Sicherheitsventil mittels des Seilzuges von Hand zu öffnen, kann das erfindungs­ gemäße Sicherheitsventil auch als Absperrventil verwendet werden. So kann z.B. ein Flüssigheliumtank, der mit dem erfindungsgemäßen Sicherheitsventil abgesichert ist, bei Öffnung des Sicherheitsventils von Hand über die Austritts­ leitung des Sicherheitsventils befüllt und durch Schließen des Sicherheitsventils abgesperrt werden. Durch Verwendung eines geeignet dimensionierten erfindungsgemäßen Sicher­ heitsventils und geeigneter Vorspannung der Feder im Ven­ tilgehäuse öffnet das Sicherheitsventil bei Überschrei­ tung eines bestimmten Druckes im Flüssigheliumtank.

Das erfindungsgemäße Sicherheitsventil eignet sich sehr gut für die Absicherung geringer Drücke. Bei herkömm­ lichen Sicherheitsventilen wirkt der abzusichernde Druck in der Eintrittsleitung direkt auf den Ventilkörper, also auf eine relativ kleine Fläche, so daß ein hoher Druck erforderlich ist, um die zur Erreichung einer hohen Dichtheit erforderliche große Federkraft zu über­ winden. Herkömmliche Sicherheitsventile eignen sich also nur für relativ hohe Differenzdrücke. Dagegen wirkt beim erfindungsgemäßen Sicherheitsventil der Eintritts­ druck einerseits direkt auf den Ventilkörper, andererseits aber auch über die Ausgleichsleitung auf die Innenfläche des Arbeitsbalges. Durch eine große wirksame Fläche des Arbeitsbalges erzeugt das Druckmedium eine große Kraft, die schließlich auf den Ventilkörper wirkt und das Sicher­ heitsventil öffnet. Das erfindungsgemäße Sicherheitsven­ til spricht also bereits auf sehr geringe Drücke an, be­ sitzt wegen der großen Federkraft jedoch eine hohe Dicht­ heit.

Diese Dichtheit ist ein weiterer Vorteil des erfindungs­ gemäßen Sicherheitsventils. Durch die Verwendung des Ar­ beitsbalges werden zur Öffnung des Sicherheitsventils hohe Kräfte bereitgestellt, so daß auch die den Ventil­ körper auf den Ventilsitz drückende Gegenkraft durch ge­ eignete Dimensionierung der Feder entsprechend groß ge­ wählt werden kann. Dadurch wird der Ventilkörper stark auf den Ventilsitz gedrückt, so daß eine gute Abdichtung erreicht wird.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils besteht darin, als konstanten, auf die Außenflächen der Membranbälge wirkenden Druck einen unteratmosphärischen Druck zu verwenden. Dies bietet sich vor allem bei Verwendung des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils zur Absicherung eines unter Druck stehenden Kryostaten, z.B. eines Flüssigheliumtanks, an.

In diesem Fall kann der Außenraum des Arbeitsbalges mit einem Isolationsvakuum des Kryostaten in Verbindung gebracht werden. Dadurch ist ein konstanter Referenz­ druck auf den Außenflächen des Arbeitsbalges gewährleistet. Außerdem können bei dieser Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Sicherheitsventils auch besonders geringe Drücke abgesichert werden, da die den Ventilkörper auf den Ven­ tilsitz drückende Kraft und damit der Öffnungsdruck des Sicherheitsventils durch entsprechende Dimensionierung der Feder besonders gering gehalten werden kann. Der Öffnungsdruck des Sicherheitsventils kann durch geeig­ nete Auslegung der Membranbälge, der Feder und des auf die Außenfläche der Membranbälge wirkenden konstanten Referenzdruckes eingestellt werden. Außerdem ist eine Variation des Öffnungsdruckes durch entsprechende Vor­ spannung der Feder in einem Bereich von etwa ± 10% möglich. Das erfindungsgemäße Sicherheitsventil ist besonders vor­ teilhaft in einem Druckbereich von etwa 0,5 bis 6 bar Druckdifferenz zum konstanten Referenzdruck einsetzbar.

Durch die Verwendung eines Vakuums als konstanten, auf die Außenfläche des Arbeitsbalges wirkenden, Referenz­ druck wird ferner der Einsatz des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils bei tiefen Temperaturen bis unter 2 K ermöglicht. Würde atmosphärischer Luftdruck als Referenz­ druck verwendet, so könnte Luftkondensation zu Vereisung im Bereich des Membranbalges und daher zu Funktionsstö­ rungen des Sicherheitsventils führen. Dies wird durch die Herstellung einer Verbindung zwischen den Außenräumen der Membranbälge und einem Vakuum verhindert. Damit kann also das erfindungsgemäße Sicherheitsventil vorteilhaft in einem weiten Temperaturbereich von unter 2 K bis 300 K eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Sicherheitsventil kann vorteilhaf­ terweise überall dort angewendet werden, wo druckbelaste­ te Arbeitsräume mehrstufig abgesichert werden sollen, mit kleinen Drücken oder niedrigen Temperaturen gearbeitet wird oder hohe Dichtheit des Sicherheitsventils verlangt wird. Es kann z.B. zur Absicherung druckbelasteter Kryo­ staten, unter Druck stehender, flüssiges Helium enthal­ tender, Kühleinrichtungen für Infrarotlaboratorien oder Weltraum-Infrarot-Teleskope usw. eingesetzt werden.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungs­ gemäßes Sicherheitsventil gezeigt.

Das dargestellte Sicherheitsventil besitzt eine Eintritts­ leitung 3 und eine Austrittsleitung 10 für ein Druckmedium, einen Ventilsitz 8 und einen beweglichen Ventilkörper 7. Im Ventilgehäuse 5 sind eine den Ventilkörper 7 auf den Ventilsitz 8 drückende Feder 6, ein Arbeitsbalg 1 und ein Dichtbalg 2 angeordnet. Eine Ausgleichsleitung 4 ver­ bindet die Eintrittsleitung 3 mit den Innenräumen der Membranbälge 1 und 2.

Der Druck in der Eintrittsleitung 3 wirkt über die Aus­ gleichsleitung 4 auf die Innenräume der Membranbälge 1 und 2. Der Außenraum des Arbeitsbalges steht unter kon­ stantem Druck und ist z.B. mit einem Isolationsvakuum eines Flüssig-Helium-Kryostaten verbunden. Der im Innen­ raum des Arbeitsbalges 1 herrschende Druck erzeugt eine hohe Kraft, die den Ventilkörper 7 gegen die Kraft der Feder 6 vom Ventilsitz 8 weg bewegt. Der Dichtbalg 2 ist so dimensioniert, daß sich vom Dichtbalg 2 auf den Ventilkörper 7 ausgeübte Kräfte und vom Druckmedium in Eintrittsleitung 3 und Austrittsleitung 10 auf den Ventil­ körper 7 ausgeübte Kräfte kompensieren. Ein Seilzug 9 ist mit dem Ventilkörper 8 verbunden und aus dem Ventil­ gehäuse 5 herausgeführt. Er ermöglicht eine Betätigung des Sicherheitsventils per Hand.

Ein Auslegungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sicherheits­ ventils stellt ein für eine Absicherung eines Flüssig­ Helium-Tanks konzipiertes Sicherheitsventil dar. Der Außenraum des Membranbalges 1 steht mit einem Isolations­ vakuum des Flüssig-Helium-Tanks in Verbindung. Die Feder 6 und die Membranbälge 1 und 2 sind so dimensioniert, daß das Sicherheitsventil bei einem Druck von 1,5 bar öffnet und bei 1,65 bar völlig geöffnet ist. Das Sicherheits­ ventil wird bei einer Temperatur des Druckmediums von 1,8 K betrieben, seine Dichtheit bei Raumtemperatur beträgt 10^-8 mbar l/sec.

Claims (4)

1. Sicherheitsventil mit einer Eintrittsleitung und einer Austrittsleitung für ein Druckmedium, einem Ventil­ gehäuse, einem Ventilsitz, einem beweglichen Ventil­ körper und einer den Ventilkörper belastenden Feder, dadurch gekennzeichnet, daß ein Membranbalg (1) einer­ seits mit dem Ventilgehäuse (5) und andererseits mit dem Ventilkörper (7) in Verbindung steht, daß eine Ausgleichsleitung (4) die Eintrittsleitung (3) mit dem Innenraum des Membranbalges (1) verbindet und der Außenraum des Membranbalges (1) einem kon­ stanten Druck ausgesetzt ist.

2. Sicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein weiterer Membranbalg (2) einerseits mit dem Ventilgehäuse (5) und andererseits mit dem Ventilkörper (7) in Verbindung steht, daß die Aus­ gleichsleitung (4) die Eintrittsleitung (3) mit dem Innenraum des Membranbalges (2) verbindet und der Außenraum des Membranbalges (2) dem Druck in der Aus­ trittsleitung (10) ausgesetzt ist.

3. Sicherheitsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als konstanter Druck ein unter­ atmosphärischer Druck verwendet wird.

4. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Seilzug (9) mit dem Ven­ tilkörper (7) verbunden ist.