DE3831487A1

DE3831487A1 - Thermisch gesteuertes ventil

Info

Publication number: DE3831487A1
Application number: DE3831487A
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: 1990-03-29
Also published as: NL8902197A; FR2636708A1; US4995553A; IT8948373A0; FR2636708B1; BR8904654A; JPH02120584A; GB2224332B; GB2224332A; CA1323344C; DD287761A5; GB8920838D0; BE1003257A5; IT1232664B; HUT55105A

Description

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

Bekannte derartige Ventile (DE-PS 23 513, GB-PS 4 73 063) öffnen jeweils analog der Menge des abzuführenden Mediums. Bei kleinen anfallenden Mengen nimmt das Verschlußteil eine Drosselstellung ein. Es hat sich gezeigt, daß derartige Drosselstellungen in vielen Einsatzfällen, z.B. beim Ableiten von Kondensat, zu starkem Erosionsverschleiß und damit Leckage an Ventilsitz und Verschlußteil führen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die kleinen Mengen stetig anfallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermisch gesteuertes Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das auch bei kleinen abzuführenden Mediummengen verschleißunanfällig ist.

Durch die im Hauptanspruch angegebenen Erfindungsmerkmale wird diese Aufgabe gelöst.

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.

Die Unteransprüche haben besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.

Durch eine monostabile Schnappfeder, wie sie der Anspruch 2 vorsieht, lassen sich, bei gleichem Kraftmaximum, besonders große abrupte Öffnungs- und Schließhübe des Verschlußteiles erzielen. Als monostabil wird eine Schnappfeder bezeichnet, bei der die Richtung der Federkraft über den Federhub stets gleich bleibt, also keine Umkehrung von Druck- in Zugkraft eintritt.

Eine bevorzugte, besonders wenig Bauhöhe beanspruchende Ausführung der Schnappfeder gibt der Anspruch 3 an.

Ein sehr großer Verschlußteilhub wird auch durch die Merkmale des Anspruches 4 erzielt. Anspruch 5 gibt hierzu eine besonders vorteilhafte Ausführungsform an, bei der die Schnapp- und die Schleichfeder in einem einzigen Element vereint sind.

Sobald beim Öffnungsvorgang geringste Mengen Medium die erste Absperrstelle des Ventiles aus Anspruch 6 passieren, wird in der Zwischenkammer auf das zweite Verschlußteil eine zusätzliche Schließkraft und auf das erste Verschlußteil eine zusätzliche Öffnungskraft ausgeübt. Dieser zusätzliche Öffnungsimpuls führt dazu, daß das erste Verschlußteil bereits in dieser Situation abrupt in eine Weitoffenstellung aufschnellt. Dabei wird nach Zurücklegen des Relativhubes das zweite Verschlußteil aus seiner sicher dichtenden Schließstellung heraus in eine Weitoffenstellung mitgerissen. Dadurch ist auch bei kleinsten Mengen ein abruptes weites Öffnen und ein ebensolches Schließen gewährleistet.

In der Weiterbildung nach Anspruch 7 ist der elastisch verformbare, hubbewegliche Wandungsteil der Ausdehnungskapsel als Membranglied gestaltet und wird in jeder Hubposition durch eine monostabile Tellerfeder gestützt. Die aus der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und der Außenseite der Ausdehnungskapsel resultierende Kraft wird von der Tellerfeder aufgenommen. Die bei einer Aufnahme dieser Kraft durch das Membranglied sonst in diesem auftretenden relativ hohen Zugspannungen entfallen. Das Membranglied unterliegt lediglich den relativ geringen Biegespannungen, die von der Hubbewegung herrühren. Trotz der abrupten Öffnungs- und Schließbewegungen ist das erfindungsgemäße Ventil bei langer Membranlebensdauer für einen sehr großen Einsatzdruckbereich geeignet.

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

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

Fig. 2 einen Ausschnitt des Ventils mit einer zweiten Ausführung der Ausdehnungskapsel in Schließstellung,

Fig. 3 ein Kraft-Hub-Diagramm der Ausführung aus Fig. 1,

Fig. 4 die Tellerfeder aus Fig. 2 in Draufsicht,

Fig. 5 ein Kraft-Hub-Diagramm der Ausführung aus Fig. 2 und

Fig. 6 eine Einzelheit der Ausdehnungskapseln 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 Ausdehnungskapsel 5 angeordnet, die ein hubbewegliches Wandungsteil in Form eines biegeelastischen Membrangliedes 6 und ein starres, tellerförmiges Wandungsteil 7 aufweist. Das tellerförmige Wandungsteil 7 ist zentral zu einem Aufnahmeraum 8 für ein Verdampfungsmedium ausgewölbt. Der Aufnahmeraum 8 enthält stationär eine Anschlagscheibe 9 für das Membranglied 6 und via Membranglied 6 auch für ein Verschlußteil 10, das sich stromauf eines am Sitzelement 4 vorgesehenen Ventilsitzes 11 befindet. Das Verschlußteil 10 weist einen Kopf 12 und das Membranglied 6 eine diesen aufnehmende, zentrale Lagerdelle 13 auf, wobei das Verschlußteil 10 an dem Membranglied 6 befestigt ist. In Höhe des Dellenrandes weist das Verschlußteil 10 eine axiale Angriffsfläche 14 für eine Tellerfeder 15 auf. Ferner besitzt das Verschlußteil 10 einen der anderen Seite der Tellerfeder 15 zugewandten Mitnehmer 16. Die Tellerfeder 15 ist als bistabile Schnappfeder ausgeführt und stützt sich mit ihrem Außenrand an einer Widerlagerscheibe 17 ab. Diese ist zum einen fest mit dem Membranglied 6 und dem Wandungsteil 7 verbunden, während sie zum anderen auf dem Sitzelement 4 aufliegt.

Der Öffnungs- und Schließvorgang des Ventils wird anhand des Diagrammes Fig. 3 im Detail geschildert. Auf der Ordinate ist die Kraft F _f der Tellerfeder 15 sowie die vom Innendruck der Ausdehnungskapsel 5 und dem Druck des abzuführenden Mediums auf das Verschlußteil 10 ausgeübte Kraft F _v aufgetragen. Auf der Abszisse ist der Hub H aufgetragen, wobei die Grenzlinie "auf" die Offenendstellung des Verschlußteiles 10 und die Grenzlinie "zu" dessen Schließstellung markiert. Die Grenzlinie "zu" liegt vor dem Kraftminimum a der Kraft-Hub-Kennlinie 18 der bistabilen Tellerfeder 15. Die Kraft F _v ist über den Hub im wesentlichen konstant.

Im kalten Zustand ist das Verdampfungsmedium im Aufnahmeraum 8 kondensiert und sein Dampfdruck gleich Null. Das Membranglied 6 und das Verschlußteil 10 werden durch die Tellerfeder 15 und die im Öffnungssinn wirkende Druckdifferenz, die zwischen dem Aufnahmeraum 8 und der Hochdruckseite 1 herrscht, in der Offenendstellung "auf" gehalten.

Wird die Ausdehnungskapsel 5 erwärmt, erfolgt im Aufnahmeraum 8 eine Verdampfung und es entsteht dort ein Druck entsprechend der Dampfdruckkurve des Verdampfungsmediums. Wenn die daraus und aus dem Druck des abzuführenden Mediums resultierende, in Schließrichtung wirkende Kraft F _v die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft F _f der Tellerfeder 15 im Punkt b übersteigt, wird das Verschlußteil 10 im Kräftegleichgewicht stetig in Schließrichtung bewegt. Sobald dabei das Kraftmaximum c der Kennlinie 18 erreicht wird (Temperatur t ₁), entsteht Ungleichgewicht zwischen den Kräften F _f und F _v. Es beginnt der Schnapphubbereich der Tellerfeder 15. Das Verschlußteil 10 bewegt sich aus der Weitoffenstellung heraus abrupt weiter, bis es in der Schließstellung "zu" dichtend auf dem Ventilsitz 11 zur Auflage kommt - Punkt d. Während des Schließschnapphubes ändert die Kraft F _f der bistabilen Tellerfeder 15 im Punkt e ihre Wirkrichtung. Die Tellerfeder 15 wirkt dann nicht mehr über die Angriffsfläche 14 öffnend auf das Verschlußteil 10, sondern über den Mitnehmer 16 schließend.

Zum Öffnen des Ventils muß die Kraft F _v ihre Wirkrichtung ändern. Hierzu ist eine entsprechende Temperatur- und damit Druckabsenkung des Verdampfungsmediums im Aufnahmeraum 8 erforderlich. Nach einer solchen Umkehrung der Wirkrichtung übt das Membranglied 6 seinen Anteil der Kraft F _v im Öffnungssinn gegen die Wirkung der Tellerfeder 15 auf das an dem Membranglied 6 befestigte Verschlußteil 10 aus. Während der Abkühlung verharrt das Verschlußteil 10 zunächst in der Schließstellung "zu", bis bei der Temperatur t ₃ im Punkt f Kräftegleichgewicht mit der Tellerfeder 15 erreicht ist. Da dort, also vor dem Kraftminimum a, die Schließkraft F _f der Tellerfeder 15 eine fallende Tendenz hat, wird das Verschlußteil 10 aus seiner Schließstellung heraus abrupt bis in die Offenendstellung "auf" - Punkt g - bewegt. Während des Öffnungsschnapphubes ändert die Kraft K _f der bistabilen Tellerfeder 15 im Punkt e ihre Wirkrichtung.

Bei erneutem Temperaturanstieg verharrt das Verschlußteil 10 zunächst in der Offenendstellung, bis ein Gleichgewicht zwischen den Kräften F _f und F _v erreicht ist - Punkt b. Dann erfolgt das Schließen wie bereits zuvor erläutert.

Weder beim Öffnungs- noch beim Schließvorgang nimmt also das Verschlußteil 10 eine verschleißanfällige Drosselstellung ein.

In der Ausführung nach Fig. 2 befindet sich stromab des Ventilsitzes 11 eine Zwischenkammer 19, deren Auslaß einen Ventilsitz 20 aufweist. Mit dem ersten Ventilsitz 11 wirkt ein erstes ringförmiges Verschlußteil 21 zusammen und mit dem zweiten Ventilsitz 20 ein in der Zwischenkammer 19 angeordnetes zweites Verschlußteil 22. Das zweite Verschlußteil 22 ist mit dem ersten begrenzt relativ-hubbeweglich gekoppelt. Das erste Verschlußteil 21 ist dicht in einem Verschlußteilträger 23 befestigt, der den zentriert in der Lagerdelle 13 des Membrangliedes 6 gelagerten Kopf 12 und die Angriffsfläche 14 für die Tellerfeder 15 aufweist. Auf eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Membranglied 6 und dem Kopf 12 wurde verzichtet. Die Tellerfeder 15 weist, wie die Fig. 4 zeigt, einen geschlossenen ringförmigen Bereich 24 auf, von dem sich hubaddierend Federzungen 25 radial nach innen erstrecken. Der Bereich 24 ist dabei als monostabile Schnappfeder ausgebildet, während die Federzungen 25 als Schleichfeder wirken. Die Tellerfeder 15 liegt stützend an der verschlußteilseitigen Stirnfläche des Membrangliedes 6 an.

Die beiden in Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden Absperrstellen 11, 21; 20, 22 schließen und öffnen aufgrund des Relativhubes beider Verschlußteile 21, 22 verzögert nacheinander. In dem Diagramm Fig. 5, das u.a. die Kraft-Hub-Kennlinie 26 der monostabilen Tellerfeder 15 zeigt, markieren die Grenzlinien "auf" und "zu" die Offenendstellung und die Schließstellung des Verschlußteiles 22. Dieses ist so gestaltet, daß die vom Mediumdruck darauf ausgeübte Schließkraft kleiner ist als die Kraftdifferenz zwischen den beiden Extremen a und c der Kennlinie 26.

Aus der Offenendstellung "auf" - Punkt b - heraus erfolgt bei dem Ventil nach Fig. 2 bei steigender Temperatur die Schließbewegung bis zum Kraftmaximum c der Kennlinie 26 stetig. Im Punkt c haben beide Verschlußteile 21, 22 eine Weitoffenstellung inne. Von dort aus (Temperatur t ₁) setzt sich die Schließbewegung schnappend fort. Während des Schnapphubes kommt zunächst das Verschlußteil 22 auf seinen Ventilsitz 20 dichtend zur Auflage - Punkt d. Das Verschlußteil 21 setzt währenddessen seinen Schnapphub fort, bis es seine Schließstellung auf dem Ventilsitz 20 eingenommen hat.

Befindet sich die Schließstellung des Verschlußteiles 21 jenseits des Kraftminimums a der Kennlinie 26, erfolgt bei sinkender Temperatur zunächst eine schleichende Öffnungsbewegung des Verschlußteiles 21 bis zum Kraftminimum a (Temperatur t ₂). Von dort setzt sich die Öffnungsbewegung abrupt bis in eine Weitoffenstellung fort. Während der abrupten Bewegung wird nach Beendigung des Relativhubes das Verschlußteil 22 aus der dicht schließenden Stellung - Punkt f - heraus abrupt in eine Weitoffenstellung - Punkt h - mitgenommen.

Wenn die Schließstellung des Verschlußteiles 21 sich in oder vor dem Kraftminimum a der Kennlinie 26 befindet, entfällt der schleichende Teil der Öffnungsbewegung des Verschlußteiles 21. Letztere erfolgt stattdessen auch von Anfang an schnappend.

Die Kombination der schnappenden monostabilen Tellerfeder 15 mit den zwei Verschlußteilen 21, 22 hat den entscheidenden Vorteil, daß das Verschlußteil 22 aus der Weitoffenstellung in die voll dichtende Schließstellung hineinspringt und vice versa. Ferner ist beim Öffnungsvorgang zwischen dem Ventilsitz 11 und dem Verschlußteil 21 bereits ein großer Strömungsquerschnitt freigegeben, bevor das Verschlußteil 22 den Mediumdurchfluß freigibt. Hierdurch wird Erosionsverschleiß an den Absperrstellen 11, 21; 20, 22 zuverlässig vermieden.

Das abrupte Öffnen und Schließen ist unabhängig von der Menge des abzuführenden Mediums stets gegeben, also selbst bei winzigsten Mengen. Es wird zum einen durch die Druckwechsel in der Zwischenkammer 19 initiiert. Zum anderen wird es zwangsläufig und besonders ausgeprägt durch die Tellerfeder 15 bewirkt.

Während der Hubbewegungen liegt die monostabile Tellerfeder 15 nicht nur an der Angriffsfläche 14 des Verschlußteilträgers 23, sondern auch an der verschlußteilseitigen Stirnfläche des Membrangliedes 6 an. Während des gesamten Hubes wird also das Membranglied 6 großflächig durch die Tellerfeder 15 gestützt. Die aus dem Differenzdruck zwischen dem Aufnahmeraum 8 und der Hochdruckseite 1 resultierende Kraft wird daher von der Tellerfeder 15 aufgenommen. Das Membranglied 6 ist durch diese Kraft nicht belastet, sondern lediglich den durch die Hubbewegung entstehenden, relativ geringen Biegespannungen unterworfen. Dadurch kann das Membranglied 6 bei sehr hohen Druckdifferenzen eingesetzt werden und weist trotz der abrupten Hubbewegungen eine sehr große Lebensdauer auf.

In den erfindungsgemäßen Ventilen kann das Membranglied aus einer einzigen Membran oder 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 vorgesehen ist ein Membranglied 6, das aus zwei aufeinanderliegenden Membranlamellen 27, 28 mit konzentrischen Wellen besteht (Fig. 6). In vorgewölbtem Zustand, und zwar in der Offenendstellung, wird das Membranglied 6 zwischen dem Wandungsteil 7 und der Widerlagerscheibe 17 eingeklemmt und dann mit beiden verschweißt. Dadurch werden Zugspannungen im Membranglied 6 vermieden.

Bezugszeichenliste

1 Hochdruckseite
2 Niederdruckseite
3 Trennwand
4 Sitzelement
5 Ausdehnungskapsel
6 Membranglied
7 Wandungsteil
8 Aufnahmeraum
9 Anschlagscheibe
10 Verschlußteil
11 Ventilsitz
12 Kopf
13 Lagerdelle
14 Angriffsfläche
15 Tellerfeder
16 Mitnehmer
17 Widerlagerscheibe
18 Kennlinie
19 Zwischenkammer
20 Ventilsitz
21, 22 Verschlußteile
23 Verschlußteilträger
24 Bereich
25 Federzunge
26 Kennlinie
27, 28 Membranlamellen

Claims

1. Thermisch gesteuertes Ventil, insbesondere Kondensatableiter, mit

- einem Ventilsitz,
- einem damit zusammenwirkenden Verschlußteil,
- einer ein Verdampfungsmedium enthaltenden Ausdehnungskapsel, die mit einem hubbeweglichen Wandungsteil das Verschlußteil betätigt, und
- einer im Öffnungssinn auf das Verschlußteil einwirkenden Feder,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Feder eine Schnappfeder (15) ist und
- die Schnappfeder (15) so angeordnet ist, daß sie in Schließstellung des Ventils eine im Hubbereich zwischen dem Kraftmaximum (c) und dem Kraftminimum (a) ihrer Kraft-Hub-Kennlinie (18, 26) gelegene Hubposition innehat.

2. Thermisch gesteuertes Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Feder eine monostabile Schnappfeder (15) ist und
- die monostabile Schnappfeder (15) so angeordnet ist, daß sie in Schließstellung des Ventils eine vor dem Kraftminimum (a) ihrer Kraft-Hub-Kennlinie (26) gelegene Hubposition innehat.

3. Thermisch gesteuertes Ventil nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnappfeder eine Tellerfeder (15) ist.

4. Thermisch gesteuertes Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Schleichfeder (25) vorgesehen ist, wobei die Schleichfeder (25) und die Schnappfeder (24) hubaddierend angeordnet sind.

5. Thermisch gesteuertes Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (15) radiale, die Schleichfeder bildende Federzungen (25) aufweist.

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

- die Ausdehnungskapsel (5) sich stromauf des Ventilsitzes (11) befindet,
- stromab des Ventilsitzes (11) eine Zwischenkammer (19) angeordnet ist,
- in der Zwischenkammer (19) ein Verschlußteil (22) vorgesehen ist, das mit einem am Auslaß der Zwischenkammer (19) angeordneten Ventilsitz (20) zusammenwirkt, und
- das letztgenannte Verschlußteil (22) begrenzt relativ-hubbeweglich mit dem anderen Verschlußteil (21) gekoppelt ist.

7. Thermisch gesteuertes Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hubbewegliche Wandungsteil der Ausdehnungskapsel (5) als auf das Verschlußteil (10; 21, 22) einwirkendes Membranglied (6) ausgebildet ist und die Tellerfeder (15) an der verschlußteilseitigen Stirnfläche des Membrangliedes (6) anliegt.