DE3723120A1 - Automatisch gesteuertes servoventil mit schnelloeffnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein automatisch gesteuertes Servor­ ventil mit Schnellöffnung, um ein Gas abzulassen.

Es ist bekannt, daß in Industrieanlagen im allgemeinen und in Kernkraftanlagen im besonderen Fälle eintreten, wo ein plötzlicher und unkontrollierbarer Druckanstieg infolge eines Brandes, einer Explosion, des Entweichens von Gas oder Dampf od. dgl. erfolgt.

Um derartige Druckanstiege zu verhindern, ist es erforderlich, rasch brechende Membranen vorzusehen, um ein rasches Entweichen des Gases zu ermöglichen.

Der Hauptnachteil solcher rasch brechender Membranen besteht darin, daß sie nach ihrem Wirksamwerden, nach ihrem Bruch ersetzt werden müssen und demzufolge nur einmal verwendet werden können. Abgesehen von diesem wirtschaftlichen Nachteil ist auch klar, daß diese Membranen nur auf einer statistischen Grundlage bemes­ sen werden können, indem einige der Membranen, die in der betref­ fenden Anlage eingebaut werden sollen, mutwillig zerstört werden.

Wenn sehr große Austrittsflächen für sehr geringe Differen­ tialdrücke erforderlich sind, dann wird auch bei der Verwendung ganz spezieller Materialien sehr rasch eine Grenze der Unver­ träglichkeit zwischen den Anforderungen hinsichtlich der Empfind­ lichkeit und der Stabilität erreicht (Risiko eines unbeabsichtig­ ten Bruchs einer Membran).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile mittels eines automatischen Servoventils zu überwinden, das nor­ malerweise geschlossen ist.

Das erfindungsgemäße Ventil besteht aus einem ortsfesten Rah­ men und aus einem an diesem angelenkten Deckel, der durch eine Sperreinrichtung in geschlossenem Zustand gehalten wird und der nach dem Ausrücken der Sperreinrichtung durch eine geeignete Be­ tätigungseinrichtung in eine geöffnete Stellung gedrückt wird.

Diese Sperreinrichtung reagiert auf den Druck, genauer ge­ sagt auf die Druckdifferenz zwischen den beiden getrennten Kam­ mern des Ventils. Die Sperreinrichtung weist mindestens einen mit dem Deckel einstückigen Arretierstift auf, der durch den auf den Deckel wirkenden Druck gegen mindestens einen Gleitbolzen gedrückt wird, und zwar von einer ausgefahrenen Sperrstellung des Gleitbolzens in eine zurückgezogene Stellung desselben, wobei die Kraft einstellbarer Federn überwunden wird.

Gemäß der Erfindung ist die Tangente an die Berührungsflächen zwischen dem Arretierbolzen und dem Gleitbolzen zu der Verlage­ rungsrichtung eines oder beider Teile geneigt.

Die den Ventildeckel in die Offenstellung schiebende Betäti­ gungseinrichtung besteht aus einem Zylinder mit einem inneren Kol­ ben, der von einer Feder oder einem Druckfluid belastet wird, und sie ist ferner mit einer Dämpfungseinrichtung versehen, welche die Geschwindigkeit des Ventildeckels im Endstadium seines Hubes ver­ zögert.

Geeignete Reguliermittel ermöglichen die Veränderung der durch die Betätigungseinrichtung bewirkten Geschwindigkeit und Beschleunigung des Ventildeckels.

Die vorstehend erwähnte Sperreinrichtung ist mit Einstell­ mitteln versehen, mit denen sich der minimale Betätigungsdruck des Ventils einstellen läßt, der in der erforderlichen Weise verringert werden kann.

Es ist offensichtlich, daß die minimale Diffenrenz des auf beiden Seiten des Ventildeckels wirksamen Druckes in der erfor­ derlichen Weise abgesenkt werden kann, indem die Fläche des Ven­ tildeckels vergrößert wird, oder indem die Vorspannung der auf den Gleitbolzen einwirkenden Federn verringert wird, oder indem die Reibung zwischen den miteinander in Berührung stehenden Flä­ chen des Arretierungsbolzens einerseits und des Gleitbolzens an­ dererseits verringert wird.

Die Verringerung der Reibung kann durch den Einbau von Berüh­ rungsteilen erreicht werden, die anstelle einer Gleitreibung eine Rollreibung bewirken.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung er­ geben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die bezüglich der Offenbarung aller nicht im Text beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Gesamtdarstellung des Ventils,

Fig. 2 in kleinerem Maßstab eine Seitenansicht des Ventils nach Fig. 1 im geöffneten Zustand,

Fig. 3, 4 und 5 Schnitte nach den Symmetrieebenen des Ventils in den durch die Kästchen III, IV und V in Fig. 2 gezeigten Bereichen in einem größeren Maßstab,

Fig. 6 eine Ansicht in Richtung der Pfeile VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII in Fig. 3, und

Fig. 8 eine teilweise geschnittene Darstellung einer Einzel­ heit des in Fig. 7 gezeigten Gleitbolzens.

In diesen Figuren ist mit dem Bezugszeichen 10 der Grundrahmen des Ventils bezeichnet, der mit der Wand der Kammer, deren Innen­ druck überwacht werden soll, starr und dicht verbunden sein muß.

An einer Seite des Rahmens 10 ist ein Deckel 20 mit einem Scharnier 21 angelenkt.

In das Profil des Rahmens 10 ist eine Dichtung 11 eingesetzt, die durch den Rand des Deckels 20 komprimiert wird, wenn sich die­ ser in der Schließstellung befindet, um das Ventil gasdicht zu ma­ chen. Bei der gezeigten Ausführungsform besteht die Sperreinrich­ tung des geschlossenen Deckels aus mehreren Arretierbolzen 30, auf denen Buchsen 31 frei drehbar gelagert sind, wie dies nachfolgend näher erläutert wird, die dazu dienen, die Reibung zu verringern, um den minimalen Betätigungsdruck des Ventils zu verringern.

Die Arretierbolzen 30 sind in einem Träger 32 abgestützt, der von der Innenseite des Deckels 20 vorsteht und nahe der Seite 22 des Deckels 20 angeordnet ist, die der mit Scharnieren 21 verse­ henen Seite 23 gegenüberliegt. Auf dem gleichen Träger 32 ist ein Bolzen 41 gelagert, mit dem das Ende 42 der Kolbenstange 243 des Kolbens 43 eines Betätigungszylinders 40 schwenkbar verbunden ist (siehe Fig. 1 und 5).

Der Zylinder 40 ist an seinem anderen Ende an einem Bolzen 44 angelenkt, der in einem von der Innenseite der Seite 12 des Rah­ mens 10 abstehenden Bügel 13 gelagert ist.

Wenn sich der Deckel 20 in einer geschlossenen Stellung befin­ det, dann ist der Kolben 43 eingezogen und belastet eine Feder, wo­ gegen der Kolben 43 in der in Fig. 1 gezeigten offenen Stellung des Deckels ausgefahren ist. Wie dies nachfolgend noch näher er­ läutert wird, steuert der Zylinder die Öffnung des Deckels 20, wenn sich dessen Verriegelungseinrichtung in die ausgerückte Stel­ lung bewegt.

Diese Verriegelungseinrichtung umfaßt neben den am Deckel 20 angeordneten Arretierstiften mindestens einen Gleitbolzen 50, der an der der Seite 12 gegenüberliegenden Seite 14 des Rahmens 10 gelagert ist.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform sind zwei Gleitbolzen symmetrisch angeordnet, die jeweils mit einem Arretierbolzen 30 zusammenwirken.

Die beiden Gleitbolzen 50 sind in einem gemeinsamen Träger 51 gelagert, der einen Hohlraum 52 aufweist (siehe Fig. 7).

Die Falle 53 eines jeden der beiden Arretierbolzen ragt in diesen Hohlraum hinein, und in der geschlossenen Stellung des Deckels 20 sind die beiden Arretierbolzen 30 in diesem Hohlraum angeordnet.

Wenn der Deckel 20 geschlossen und verriegelt ist, dann hal­ ten die Fallen 53 der Gleitbolzen 50 die Arretierbolzen 30 nieder.

Wie dies aus Fig. 8 ersichtlich ist, besteht der Gleitbolzen 50 aus einer Falle 53, die in einem rohrförmigen Körper 54 ver­ schiebbar gelagert ist, der seinerseits mit einem Außengewinde versehen ist, so daß er in eine entsprechende Gewindebohrung des Trägers 51 eingeschraubt werden kann.

Das Ende der Axialbohrung 55 des rohrförmigen Körpers 54 ist mit einem Innenflansch 56 versehen, der als Sitz für einen Außen­ flansch 57 der Falle 53 dient.

Die Falle 53 wird durch eine Feder 58, die im vorliegenden Fall aus einem Stapel Tellerfedern besteht, elastisch nach außen gedrückt. Die Vorspannung der Tellerfedern 58 wird durch einen Gewindebolzen 59 bestimmt, der in das der Falle 53 gegenüberlie­ gende Ende der Axialbohrung 55 des rohrförmigen Körpers 54 einge­ schraubt ist.

Eine Mutter 60 dient zum Festlegen des in die entsprechende Bohrung des Trägers 51 eingeschraubten rohrförmigen Körpers 54 in der gewünschten Axialstellung. Eine Mutter 61 dient zum Fixieren der Relativstellung des Gewindebolzens 59 in der Axialbohrung 55, um die gewünschte Vorspannung der Tellerfedern 58 aufrechtzuer­ halten.

Es ist erkennbar, daß die zum Zurückbewegen der Falle 53 vom Bolzen 50 erforderliche Kraft stufenlos und mit großer Genauigkeit eingestellt werden kann.

Wenn bei geschlossenem Ventil in der gesamten Umgebung ein Überdruck auftritt, dann stützen sich die Arretierbolzen 30 an den Fallen 53 der Gleitbolzen 50 ab und üben eine Kraft aus, die zu der Fläche des Deckels 20 und dem besagten Überdruck proportional ist. Das Ausrücken der Sperreinrichtung 30-50 wird durch die Rück­ wärtsbewegung der Gleitbolzen 50 oder genauer gesagt der Fallen 53 bewirkt.

Damit sich die Fallen 53 nach hinten bewegen, wenn der besagte Überdruck einen bestimmten Wert erreicht, haben die Arretierbolzen 30 und die Fallen 53 abgeschrägte Berührungsflächen, so daß die von den Bolzen 30 auf die Fallen 53 der Gleitbolzen 50 ausgeübte Kraft eine Komponente aufweist, die zur Achse der Bolzen 50 parallel ist. Wenn der auf die Innenfläche des Deckels 20 einwirkende Über­ druck ansteigt, dann steigt die von den Arretierbolzen 30 auf die Fallen 53 ausgeübte Kraft und demzufolge die zur Achse der Fallen parallele Komponente dieser Kraft proportional an.

Wenn diese Komponente die Vorspannkraft der Tellerfedern 58 übersteigt, dann bewegen sich die Fallen 53 nach hinten, und die Verriegelungseinrichtung 30-50 wird ausgerückt.

Zu diesem Zeitpunkt bewirkt der vorgespannte Zylinder 40 eine Schnellöffnung des Ventils, indem er den Deckel verschwenkt.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, den zum Öffnen des Ventils erforderlichen Überdruck im Vergleich zu den bekannten Membranven­ tilen auf sehr kleine Werte abzusenken.

Gemäß der Erfindung kann dieser Minimaldruck auf 1/100 bar und sogar darunter abgesenkt werden.

Verschiedene Faktoren können beeinflußt werden, um eine sol­ che Verringerung des Betätigungsdruckes zu erzielen.

Man kann beispielsweise die Ventilfläche vergrößern, wodurch eine große Kraft erzielt wird, die von den Arretierbolzen 30 auf die Fallen 53 der Gleitbolzen 50 ausgeübt wird.

Man kann den Ventilöffnungsdruck aber auch durch eine Verrin­ gerung der Vorspannkraft der Federn 58 absenken.

Es ist ferner möglich, die axiale Komponente der auf die Fal­ len 53 einwirkenden Kraft zu vergrößern, indem man den Tangential­ winkel der Kontaktflächen der Fallen und der Arretierbolzen ver­ ändert.

Wie dies bei der gezeigten Ausführungsform der Fall ist, kann man die Gleitreibung zwischen der Falle 53 und dem Arretierbolzen 30 mittels einer auf den Arretierbolzen 30 drehbar gelagerten Buch­ se 31 in eine Rollreibung umwandeln.

Dadurch läßt sich nicht nur eine weitere Verringerung des zum Öffnen des Ventils erforderlichen Druckes, sondern insbesondere eine kleinere Toleranz des zum Öffnen des Ventils erforderlichen Überdrucks erzielen, weil die Rollreibung sanftere Betriebsbe­ dingungen ergibt.

Wie dies eingangs bereits erwähnt wurde, sollten Ventile ge­ mäß der vorliegenden Erfindung eine hohe Öffnungsgeschwindigkeit aufweisen. Zu diesem Zweck wird der Kolben, wenn er sich in der zurückgezogenen Stellung befindet, elastisch beaufschlagt, so daß er den Deckel 20 beim Ausrücken der Verriegelungseinrichtung 30-50 rasch in die geöffnete Stellung bewegt. Zu diesem Zweck kann der Zylinder mit Federn oder mit einem Druckfluid vorgespannt sein.

Die Verwendung eines Druckfluids ermöglicht eine hohe Öff­ nungsgeschwindigkeit im Anfangsstadium, wenn der Fluiddruck im Zylinder 40 noch hoch ist und wenn die von dem Kolben auf die Kolbenstange 243 und von dieser auf den Deckel 20 ausgeübte Kraft entsprechend hoch ist.

Die Kolbenstange 243 wird nach und nach nach außen geschoben, und der Druck des in dem Arbeitsraum des Zylinders komprimierten Arbeitsfluids nimmt ab, und die auf den Deckel ausgeübte Schwenk­ kraft nimmt ebenfalls ab. Die Drehgeschwindigkeit beim Öffnen des Deckels 20 nimmt entsprechend ab, was nicht bedeutet, daß die Wirk­ samkeit des Ventils verringert wird, weil die Querschnittsvergrö­ ßerung des Ventils im Endstadium der Verschwenkung abnimmt, wenn der Deckel offen ist. Demzufolge ist nicht nur die Verringerung der Öffnungsgeschwindigkeit des Deckels im Endstadium des Hubes nicht störend, sondern sie ist sogar vorteilhaft, weil sie ver­ hindert, daß der Deckel im Endstadium seines Hubes gegen die Schar­ niere 21 anschlägt und diese beschädigt.

Wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, begrenzt der Kolben 43 des Zylinders 40 zu diesem Zweck zwei Kammern im Inneren des Zylin­ ders 40. Die erste Kammer oder die Arbeitskammer 141 (in Fig. 5 unten) enthält eine Feder oder ein komprimiertes Fluid, wogegen die zweite Kammer (in Fig. 5 oben) Luft unter Umgebungsdruck ent­ hält, die durch die in der oberen Wand 142 des Zylinders 40 ange­ ordnete Bohrung 143 entweicht. Der Kolben 43 bewegt sich nach und nach nach oben, und der Druck in der oberen Kammer steigt trotz der Bohrung 143 und bremst (insbesondere im letzten Stadium des Kolbenhubes, wenn der Ventilquerschnitt den Maximalwert erreicht) die Geschwindigkeit des Kolbens, um als Dämpfungseinrichtung zu wirken.

Diese Dämpfungswirkung kann reguliert werden, indem der Quer­ schnitt der Bohrung 143 mittels eines eine Kegelspitze aufweisen­ den Gewindestiftes mehr oder weniger verkleinert wird.

Demzufolge ist es nicht nur möglich, den Ventilbetätigungs­ druck in der gewünschten Weise in großen Grenzen zu regulieren, wobei er unter die für herkömmliche Einrichtungen erforderlichen Werte abgesenkt wird, sondern es kann auch im Anfangsstadium eine große Öffnungsgeschwindigkeit des Ventils und eine zunehmende Ver­ ringerung der Geschwindigkeit erzielt werden, um die mechanischen Teile des Ventils an einer Beschädigung im Endstadium des Öffnungs­ hubes zu schützen, wenn die Zunahme des Ventilquerschnitts nahezu vernachlässigbar ist.

Wenngleich es sich bei dem in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung um eine bevorzugte Ausführungsform handelt, so ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern läßt im Rahmen des allgemeinen Fachwissens zahlreiche Abwandlungen zu, ohne daß dadurch der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird.

• Bezugszeichenliste  10 Grundrahmen
   11 Dichtung
   13 Bügel
   20 Deckel
   21 Scharnier
   22 freie Seite von 20
   23 angeschlagene Seite von 20
   30 Arretierbolzen
   31 Buchsen
   32 Träger
   40 Betätigungszylinder
   41 Bolzen
   42 Ende von 243
   43 Kolben
   44 Bolzen
   50 Gleitbolzen
   51 Träger
   52 Hohlraum von 51
   53 Falle
   54 rohrförmiger Körper
   55 Axialbohrung von 54
   56 Innenflansch von 55
   57 Außenflansch von 53
   58 Tellerfedern
   59 Gewindebolzen
   60 Mutter auf 54
   61 Mutter auf 59
  141 Arbeitskammer von 40
  142 Deckel von 40
  143 Bohrung
  144 Gewindestift
  243 Kolbenstange

Claims (8)

1. Automatisch gesteuertes Servoventil mit Schnellöffnung, gekennzeichnet durch einen Ventilkörper, bestehend aus einem Rahmen (10) und einem Verschlußteil, das von einem an dem Rahmen (10) angelenkten Deckel (20) gebildet ist, wobei eine Verriege­ lungseinrichtung (30-50) vorgesehen ist, die ggf. durch den auf der Innenseite des Ventils wirksamen Überdruck ausrückbar ist, wobei eine durch ein Druckfluid oder eine Feder vorgespannte Be­ tätigungseinrichtung (40) vorgesehen ist, um die Öffnungsbewegung des Ventildeckels (20) zu steuern, sobald die Verriegelungseinrich­ tung (30-50) ausgerückt wird.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungseinrichtung mindestens einen Arretierbolzen (30) aufweist, der mit dem Deckel (20) einstückig ist und an minde­ stens einem federnd belasteten Gleitbolzen (50) anliegt, wobei die Berührungsfläche zwischen dem Arretierbolzen (30) und dem Gleitbolzen (50) geneigt ist, um eine Ausrückbewegung des Gleit­ bolzens und damit das Ausrücken der Verriegelungseinrichtung zu bewirken, wenn der auf den Deckel ausgeübte Überdruck eine vor­ gegebene Untergrenze übersteigt.

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Ausrücken der Verriegelungseinrichtung (30-50) den Ventil­ deckel (20) öffnende Betätigungseinrichtung (40) aus einer durch eine Feder oder ein unter Druck stehendes gasförmiges Fluid vor­ gespannten Kolben-Zylinder-Einheit besteht, die einerseits mit dem Ventilrahmen (10) und andererseits mit dem Ventildeckel (20) gelenkig verbunden ist.

4. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitbolzen (50) mit einer an dem Arretierbolzen (30) anliegen­ den Falle (53) versehen ist, wobei die Falle (53) durch Federn (58) elastisch nach außen belastet ist, die mit einer Einstell­ schraube (59) vorgespannt sind.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Falle (53) ein halbkugelförmiges Ende hat.

6. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arretierbolzen (30) von einer frei drehbaren Buchse (31) umgeben ist, die mit Rollreibung auf dem Bolzen gelagert ist.

7. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es mit mehreren Arretierbolzen (30) und mit mehreren symmetrisch angeordneten Gleitbolzen (50) versehen ist.

8. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (40) zwischen dem Boden des Zylinders (40) und dem zugeordneten Kolben (43) mit einer Arbeitskammer (141) versehen ist, in der ein gasförmiges Fluid oder eine Feder komprimiert ist, und zwischen dem Kolben (43) und dem von der Kol­ benstange (142) durchsetzten Zylinderboden mit einer Dämpfungs­ kammer versehen ist, wobei die Dämpfungskammer mit der Atmosphäre durch eine Öffnung (143) verbunden ist, deren Querschnitt durch einen mit einer kegelförmigen Spitze versehenen Stift veränder­ bar ist, der vorzugsweise in einen entsprechenden Sitz einge­ schraubt ist.