DE3831474A1

DE3831474A1 - Thermisch gesteuertes ventil

Info

Publication number: DE3831474A1
Application number: DE19883831474
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Foeller; Holm Dipl Ing Klann
Original assignee: Gestra AG
Current assignee: Gestra AG
Priority date: 1988-09-16
Filing date: 1988-09-16
Publication date: 1990-04-05
Also published as: DD287762A5

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisch gesteuertes Ventil, insbesondere Kondensatableiter, der im Oberbegriff des Hauptanspruches spezifizierten Art.

Die bei diesen Ventilen im Öffnungssinn auf das Verschlußteil einwirkende Feder ergibt den Vorteil, daß das Ventil im Falle einer Leckage der Membrankapsel - also bei deren Versagen - die Offenstellung einnimmt. Dieses Verhalten ist aus prozeßtechnischen Gründen für viele Anwendungsfälle zu fordern.

Damit dieses Verhalten im gesamten Einsatzdruckbereich des Ventils gewährleistet ist, muß die Feder so bemessen sein, daß sie die aus dem höchsten Einsatzdruck resultierende große Schließkraft des Verschlußteiles überwinden kann. Wenn ein solches Ventil beim höchsten Einsatzdruck schließen soll, reicht eine relativ geringe Schließkraft der Membrankapsel aus, die von dem Membranglied auf das Verschlußteil übertragen wird. Wird das Ventil bei niedrigem Druck eingesetzt, ist auch die Schließkraft des Verschlußteiles gering. Die Größe der Federkraft ist hingegen unvermindert. Zum Schließen des Ventils ist in diesem Fall eine relativ hohe Kraft von dem Membranglied zu übertragen. Eine hohe Kraft erzeugt große Spannungen in dem Membranglied. Der Einsatzdruck bereich bzw. die Membranlebensdauer der bekannten Ausführungen (DE-PS 23 513) dieses Ventils ist deshalb beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermisch gesteuertes Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das für einen großen Einsatzdruckbereich geeignet ist und sich durch eine hohe Membranlebensdauer auszeichnet.

Durch die im Hauptanspruch angegebenen Erfindungsmerkmale wird diese Aufgabe gelöst.

Das Membranglied wird in jeder Hubposition auf seiner gesamten radialen Erstreckung durch die nur wenig Bauhöhe beanspruchende Tellerfeder gestützt. Die aus der zwischen dem Aufnahmeraum der Membrankapsel und ihrer Außenseite herrschenden Druckdifferenz resultierende Kraft wird unmittelbar auf die Tellerfeder und das Verschlußteil übertragen. Die sonst bei der Übertragung dieser Kraft durch das Membranglied in ihm auftretenden relativ hohen Spannungen entfallen. Das Membranglied unterliegt im wesentlichen nur noch dem relativ geringen Spannungsanteil, der von der Hubbewegung herrührt. Das erfindungsgemäße Ventil ist somit für einen großen Einsatzdruckbereich geeignet und durch eine lange Membranlebensdauer gekennzeichnet.

Die Unteransprüche haben besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 bilden die Membrankapsel, das Verschlußteil, die Tellerfeder und das Widerlager eine Baueinheit, die komplett vorgefertigt werden kann. Zudem begrenzt das Widerlager den Hub der Tellerfeder und damit auch den Hub des Membrangliedes in Schließrichtung. Dadurch hält die Membrankapsel sehr hohem Innendruck stand, der z.B. durch starke Überhitzung entstehen kann.

Eine zuverlässige Zentrierung des Verschlußteiles in der vorgesehenen Einbaulage ergibt der Anspruch 3. Die Formgebung ist dabei besonders prägegünstig, so daß das Membranglied keine störenden Eigenspannungen aufweist.

Eine besonders flachbauende Membrankapsel, die sehr hohem Außendruck standhält gibt der Anspruch 4 an. Mit geringer Höhe bietet die Auswölbung des Wandungsteiles ausreichend Aufnahmeraum für das Verdampfungsmedium. Durch das Wandungsteil und das Anschlagteil wird das Membranglied in der Offenendstellung in seiner Biegezone und im Bereich des Verschlußteiles abgestützt. Die Membrankapsel ist daher gegen sehr hohen Außendruck resistent, wie er z.B. durch Wasserschlag auftreten kann. Eine besonders fertigungsgünstige Ausführung des Anschlagteiles ist Gegenstand des Anspruches 5.

Nach Anspruch 6 ist die Tellerfeder eine Schnappfeder, vorzugsweise ist sie monostabil. Die von der Schnappfeder auf das Verschlußteil ausgeübte Öffnungskraft fällt während des Schließhubes von einer Weitoffenstellung bis zur Schließstellung des Verschlußteiles ab. Beim Öffnungshub steigt sie von der Schließstellung bis zu einer Weitoffenstellung an. Bei Erreichen der Öffnungstemperatur wird daher das Verschlußteil in eine Weitoffenstellung aufgeschnellt; d.h. in eine Offenstellung, die bei kleinen Mengen das für ein stetiges Abführen nötige, durch die federelastische Ausdehnungskapsel angestrebte Maß übersteigt. Eine geringe Mediummenge wird folglich in kürzester Zeit durchgeleitet. Sodann schließt das Ventil abrupt aus einer Weitoffenstellung heraus wieder. Durch die Verwendung einer Schnappfeder anstelle einer konventionellen Feder - einer sogenannten Schleichfeder - werden verschleißfördernde Drosselstellungen des Verschlußteiles vermieden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ventils dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt des Ventils mit einer ersten Ausführung der Membrankapsel in Offenstellung,

Fig. 2 einen Ausschnitt des Ventils mit einer zweiten Ausführung der Membrankapsel in Schließstellung und

Fig. 3 eine Einzelheit der Membrankapseln aus Fig. 1 und 2 in Teiloffenstellung in anderem Maßstab.

In Fig. 1 trägt eine zwischen der Hochdruckseite 1 und der Niederdruckseite 2 vorgesehene Trennwand 3 eines nicht dargestellten Ventilgehäuses ein Sitzelement 4. Auf der Hochdruckseite 1, d.h. stromauf des Sitzelementes 4, ist eine Membrankapsel 5 angeordnet, die ein starres Wandungsteil 6 und ein Membranglied 7 aufweist. Beide bilden einen Aufnahmeraum 8 für ein Verdampfungsmedium. Das Membranglied 7 betätigt ein stromauf des Sitzelementes 4 befindliches Verschlußteil 9. An dem Sitzelement 4 ist ein Ventilsitz 10 für das Verschlußteil 9 vorhanden.

Das Membranglied 7 weist zentral eine in den Aufnahmeraum 8 hineinragende kalottenförmige Lagerdelle 11 auf. Darin ruht ein kalottenförmiger Kopf 12 des Verschlußteiles 9, der entweder fest mit dem Membranglied 7 verbunden sein kann oder - wie im vorliegenden Fall - lediglich an ihm anliegt. In Höhe des Randes der Lagerdelle 11 weist der Kopf 12 eine axiale Angriffsfläche 13 auf. Darauf wirkt eine Tellerfeder 14 mit ihrem Innenrand im Öffnungssinn ein. Zugleich liegt die Tellerfeder 14 an der dem Wandungsteil 6 abgewandten Stirnfläche des Membrangliedes 7 an. Mit ihrem Außenrand stützt sie sich in einer Vertiefung 15 einer als Widerlager fungierenden, konkav gewölbten Ringscheibe 16 ab. An ihrem Innenrand ist die Ringscheibe 16 mit Haltemitteln 17 versehen, die auf dem Sitzelement 4 aufliegen. An ihrem Außenrand ist die Ringscheibe 16 mit dem Membranglied 7 und dem Wandungsteil 6 verbunden.

Das Wandungsteil 6 ist tellerförmig ausgebildet und mit einer zentralen topfförmigen Auswölbung 18 versehen, deren Innendurchmesser wesentlich größer ist als der Außendurchmesser des Verschlußteiles 9. Auf diese Weise bietet die Auswölbung 18 bei relativ geringer Bauhöhe ausreichend Aufnahmeraum 8 für das Verdampfungsmedium. In der Auswölbung 18 befindet sich eine gelochte Scheibe 19. Sie ist im Bereich des Randes der Auswölbung 18 an dem Wandungsteil 6 befestigt, z.B. durch Punktschweißen.

Im kalten Zustand ist das Verdampfungsmedium im Aufnahmeraum 8 kondensiert und sein Dampfdruck praktisch Null. Das Membranglied 7 und das Verschlußteil 9 werden durch die Tellerfeder 14 und den außerhalb der Membrankapsel 5 herrschenden Druck in der Offenendstellung gehalten. In dieser Position wird das Membranglied 7 großflächig durch das Wandungsteil 6 und die Scheibe 19 abgestützt. Da die Scheibe 19 dem Membranglied 7 auch in seinem den Verschlußteil-Kopf 12 überwölbenden Bereich eine Anschlagfläche bietet, wird via Membranglied 7 auch das Verschlußteil 9 gestützt.

Wird die Membrankapsel 5 z.B. durch umgebendes Kondensat erwärmt, erfolgt in dem Aufnahmeraum 8 eine Verdampfung; es bildet sich in ihm der zur jeweiligen Temperatur gehörende Dampfdruck des Verdampfungsmedium aus. Ist die Temperatur und damit der Innendruck des Aufnahmeraumes 8 ausreichend groß, hebt das Membranglied 7 von dem Wandungsteil 6 und der Scheibe 19 ab. Dabei liegt das Membranglied 7 an der Tellerfeder 14 und dem Verschlußteil-Kopf 12 an. Bei entsprechendem Temperatur- und Innendruckanstieg wird das Verschlußteil 9 über das Membranglied 7 gegen die Wirkung der Tellerfeder 14 in Schließrichtung bewegt und dichtend auf dem Ventilsitz 10 zur Auflage gebracht. Während des gesamten Hubes wird also das Membranglied 7 großflächig durch die Tellerfeder 14 und den Verschlußteil-Kopf 12 gestützt. Jene Kraft, die aus der Druckdifferenz zwischen dem Aufnahmeraum 8 und der Hochdruckseite 1 resultiert, wird daher durch die Tellerfeder 14 aufgenommen. Das Membranglied 7 ist hierdurch nicht belastet, sondern lediglich den relativ geringen Biegespannungen unterworfen, die durch die Hubbewegung entstehen. Dadurch kann das Membranglied 7 bei sehr hohen Druckdifferenzen eingesetzt werden und weist eine sehr große Lebensdauer auf.

Wird die Membrankapsel 5 mit Öffnungstemperatur beaufschlagt, sinkt der Innendruck des Aufnahmeraumes 8 soweit ab, daß die Öffnungskraft der Tellerfeder 14 die herrschenden Schließkräfte überwindet und das Membranglied 7 sowie das Verschlußteil 9 in die Offenstellung bewegt. Das Membranglied 7 braucht hierbei keine Öffnungskraft auf das Verschlußteil 9 auszuüben; dies kann es auch nicht, da auf eine Befestigung des Verschlußteiles 9 an dem Membranglied 7 verzichtet wurde.

Wenn hingegen der Verschlußteil-Kopf 12 und das Membranglied 7 fest miteinander verbunden werden, ist letzteres in der Lage, eine Öffnungskraft auf das Verschlußteil 9 auszuüben. Dadurch kann das Ventil auch dann noch öffnen, wenn die Tellerfeder 14 defekt - d.h. gebrochen oder erlahmt - sein sollte.

Sollte die Membrankapsel 5 einer sehr hohen Überhitzung ausgesetzt werden, die zu einem extremen Innendruck führt, stützt die Ringscheibe 16 die Tellerfeder 14 und dadurch das Membranglied 7 ab. Auch in einem solchen Fall wird folglich das Membranglied 7 nicht überlastet.

Die Ausführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von jener aus Fig. 1 durch die Anordnung zweier Verschlußteile und zweier Ventilsitze. Stromab des Ventilsitzes 10 ist ein weiterer Ventilsitz 20 vorhanden; zwischen diesen beiden erstreckt sich eine Kammer 21. Mit dem ersten Ventilsitz 10 wirkt ein erstes ringförmiges Verschlußteil 22 zusammen und mit dem zweiten Ventilsitz 20 ein in der Kammer 21 angeordnetes, zweites Verschlußteil 23. Letzteres ist begrenzt relativ-hubbeweglich mit dem ersten gekoppelt und das erste Verschlußteil 22 ist dicht in einem Verschlußteilträger 24 befestigt. Der Verschlußteilträger 24 weist den zentrisch in der Lagerdelle 11 gelagerten Kopf 12 und die Angriffsfläche 13 für die Tellerfeder 14 auf.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 öffnen bzw. schließen die beiden Verschlußteile 22, 23 aufgrund ihres begrenzten Relativhubes verzögert nacheinander. Damit ist selbst bei Kleinstmengen eine intermittierende Arbeitsweise gegeben, was Erosionsverschleiß an den Absperrstellen 10, 22; 20, 23 verhindert.

In den erfindungsgemäßen Ventilen kann das Membranglied aus einer einzigen Membran oder aber aus mehreren aufeinanderliegenden Membranlamellen bestehen. Membranlamellen ergeben eine besonders hohe Flexibilität des Membrangliedes. Die Membran bzw. die Membranlamellen können im übrigen glattflächig ausgeführt oder mit konzentrischen Wellen versehen sein. Die Wellen nehmen die beim Hub auftretenden radialen Maßschwankungen ohne Verwerfung des Membrangliedes auf.

Bevorzugt und in den beiden Ausführungsbeispielen Fig. 1 und 2 vorgesehen ist ein Membranglied 7 , das aus zwei aufeinanderliegenden Membranlamellen 25, 26 mit konzentrischen Wellen besteht (Fig. 3). In vorgewölbtem Zustand, und zwar in der Offenendstellung, wird das Membranglied 7 zwischen dem Wandungsteil 6 und der Ringscheibe 16 eingeklemmt und dann mit beiden verschweißt. Dadurch werden Zugspannungen im Membranglied 7 vermieden.

Bezugszeichenliste:

1 Hochdruckseite
2 Niederdruckseite
3 Trennwand
4 Sitzelement
5 Membrankapsel
6 Wandungsteil
7 Membranglied
8 Aufnahmeraum
9 Verschlußteil
10 Ventilsitz
11 Lagerdelle
12 Kopf
13 Angriffsfläche
14 Tellerfeder
15 Vertiefung
16 Ringscheibe
17 Haltemittel
18 Auswölbung
19 Scheibe
20 Ventilsitz
21 Kammer
22, 23 Verschlußteile
24 Verschlußteilträger
25, 26 Membranlamellen

Claims

1. Thermisch gesteuertes Ventil, insbesondere Kondensatableiter, mit

- einem Ventilsitz,
- einem damit zusammenwirkenden Verschlußteil,
- einer Membrankapsel, die ein starres Wandungsteil und ein das Verschlußteil betätigendes Membranglied aufweist, wobei das Wandungsteil und das Membranglied einen Aufnahmeraum für ein Verdampfungsmedium bilden und in ihrem Außenrandbereich miteinander verbunden sind,
- einer im Öffnungssinn auf das Verschlußteil einwirkenden Feder und
- einem Widerlager für die Feder,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Feder als Tellerfeder (14) ausgebildet ist und
- die Tellerfeder (14) an der dem Wandungsteil (6) abgewandten Stirnfläche des Membrangliedes (7) anliegt, wobei sich der Außenrandbereich der Tellerfeder (14) an dem Widerlager (16) abstützt, während ihr Innenrandbereich an dem Verschlußteil (9) bzw. einem damit verbundenen Verschlußteilträger (24) angreift.

2. Thermisch gesteuertes Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerlager aus einer Ringscheibe (16) besteht, die an ihrem Außenrand fest mit der Membrankapsel (5) verbunden ist und auf ihrer der Membrankapsel (5) zugewandten Seite eine die Tellerfeder (14) aufnehmende Vertiefung (15) aufweist.

3. Thermisch gesteuertes Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranglied (7) zentral mit einer kalottenförmigen Lagerdelle (11) versehen ist und das Verschlußteil (9) oder ein mit ihm verbundener Verschlußteilträger (24) einen in der Lagerdelle (11) angeordneten Kopf (12) aufweist, der am Rand der Lagerdelle (11) mit einer axialen Angriffsfläche (13) für die Tellerfeder (14) versehen ist.

4. Thermisch gesteuertes Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Wandungsteil (6) der Membrankapsel (5) tellerförmig ausgebildet und mit einer zentralen topfförmigen Auswölbung (18) versehen ist, deren Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Verschlußteiles (9) oder eines mit ihm verbundenen Verschlußteilträgers (24), und
- in der Auswölbung (18) stationär ein Anschlagteil (19) für das Membranglied (7) angeordnet ist.

5. Thermisch gesteuertes Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Anschlagteil eine Scheibe (19) ist, deren Außenrand im Bereich des Randes der Auswölbung (18) stationär am Wandungsteil (6) gehalten ist.

6. Thermisch gesteuertes Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Tellerfeder (14) eine Schnappfeder ist und
- die Schnappfeder so angeordnet ist, daß sie in Schließstellung des Ventils eine im Hubbereich zwischen dem Kraftmaximum und dem Kraftminimum ihrer Kraft-Hub- Kennlinie gelegene Hubposition innehat.