DE3928348A1

DE3928348A1 - Thermisch gesteuertes ventil

Info

Publication number: DE3928348A1
Application number: DE19893928348
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: 1989-08-26
Publication date: 1991-02-28

Description

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

In diesen Ventilen wird das Membranglied durch die im Öffnungssinn wirkende Tellerfeder gegen den im Aufnahmeraum der Membrankapsel herrschenden Innenüberdruck gestützt. Dadurch kann das Membranglied relativ hohen Druckdifferenzen schadlos ausgesetzt werden. Ein derartig gestaltetes Ventil ist folglich für einen großen Einsatzdruckbereich geeignet.

Die für das Membranglied zulässige Druckdifferenz und insofern auch der Einsatzdruckbereich des Ventils könnte theoretisch bis zu sehr hohen Werten gesteigert werden, indem eine Tellerfeder mit entsprechend sehr großer Öffnungs-Federkraft Verwendung findet. Da andererseits diese Federkraft beim Schließen des Ventils im unteren Abschnitt des Einsatzdruckbereiches bei entsprechend niedrigen Temperaturen von der Druckkraft des Verdampfungsmediums überwunden werden muß, sind durch das Fehlen geeigneter Verdampfungsmedien dem Einsatzdruckbereich Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermisch gesteuertes Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das für einen besonders großen Einsatzdruckbereich geeignet ist.

Durch die im Hauptanspruch angegebenen Erfindungsmerkmale wird diese Aufgabe gelöst.

Durch die erste Tellerfeder ist für das Membranglied bereits die Möglichkeit einer Abstützung im Schließsinn gegeben. Die zusätzliche, zweite Tellerfeder ermöglicht es dem Membranglied, sich auf seiner gesamten radialen Erstreckung - d. h. vom Außen- bis zum Innenrand - jetzt auch im Öffnungssinn abzustützen. Eine aus einer am Membranglied herrschenden Druckdifferenz resultierende Öffnungskraft wird unmittelbar auf die zweite Tellerfeder und das Verschlußteil übertragen. In dem Membranglied treten dabei keine hohen, schädlichen Spannungen auf. Dadurch kann der Einsatzdruckbereich des Ventils wesentlich über den Bereich hinaus erweitert werden, der mit den verfügbaren Verdampfungsmedien bei Anordnung nur der ersten Tellerfeder erreichbar ist.

Die Unteransprüche haben besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.

Bei der Ausführung nach Anspruch 2 ist die Federkraft jeder der beiden Tellerfedern in Öffnungsrichtung des Verschlußteiles gerichtet. In der Offenstellung des Ventils kann die zweite Tellerfeder entweder entspannt sein oder bereits eine Vorspannung aufweisen. Die von der zweiten Tellerfeder erzeugte Federkraft und eine eventuell durch Abstützung des Membrangliedes auf die zweite Tellerfeder übertragene Druckraft wird über den Mitnehmer auf das Verschlußteil ausgeübt.

Aufgrund der Verteilung der Öffnungs-Federkraft auf zwei Tellerfedern sind die Spannungen in den einzelnen Tellerfedern besonders klein, so daß ihre Lebensdauer besonders groß ist.

Es ist möglich, die Federkraft der zweiten Tellerfeder klein zu wählen. Sie muß jedoch mindestens so groß sein, daß die Stützfunktion der Tellerfeder im oberen Teilbereich des Einsatzdruckbereiches des Ventils gewährleistet ist. Eine so dimensionierte zweite Tellerfeder kann mit ihrem Außenrand unmittelbar an dem Membranglied anliegen, ohne daß dessen Lebensdauer dadurch beeinträchtigt wird. Ein membranseitiges Widerlager für den Außenrand der zweiten Tellerfeder erübrigt sich in diesem Fall. Bei einer großen Öffnungs-Federkraft der zweiten Tellerfeder ist ein solches Widerlager hingegen vorzusehen.

Nach den Merkmalen des Anspruches 3 wirken die Kräfte der beiden Tellerfedern einander entgegen. Dadurch können Tellerfedern mit besonders großer Federkraft und dementsprechend besonders großer Stützfähigkeit verwendet werden. Dies ermöglicht einen extrem großen Einsatzdruckbereich. Infolge der gegenseitigen Kompensation der Federkräfte kann die resultierende, von den Tellerfedern auf das Verschlußteil ausgeübte Federkraft sehr gering sein. Sie kann also trotz der besonders großen Stützwirkung in dem durch die verfügbaren Verdampfungsmedien gesetzten Größenbereich liegen.

Eine besonders einfache Mitnehmerausführung beinhaltet der Anspruch 4. Sie findet vorzugsweise dann Verwendung, wenn die Schließkraft der zweiten Tellerfeder möglichst klein gewählt wird, z. B. nur so groß, daß die Stützfähigkeit ausreicht, das Membranglied im gesamten oberen Druckteilbereich zu stützen. Die dabei von der zweiten Tellerfeder zu übertragende Öffnungskraft wird über den Mitnehmer in das Verschlußteil eingeleitet. Infolge ihrer geringen Schließkraft kann die zweite Tellerfeder im unteren Druckteilbereich zum Schließen des Ventils mit ihrem Innenrandbereich unmittelbar an dem Membranglied anliegen, ohne daß dessen Lebensdauer dadurch beeinträchtigt wird.

Der dem Anspruch 5 entsprechende Mitnehmer verhindert, daß die zweite Tellerfeder mit ihrem Innenrandbereich unmittelbar an dem Membranglied anliegt. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die zweite Tellerfeder eine sehr große Schließkraft aufweist. Wenn im oberen Druckteilbereich die zweite Tellerfeder aufgrund der am Membranglied herrschenden Druckdifferenz eine Bewegung in Verschlußteil-Öffnungsrichtung ausführt, folgt das Verschlußteil unter der Öffnungswirkung der ersten Tellerfeder der zweiten Tellerfeder unmittelbar. Obwohl bei dieser Mitnehmerausführung die zweite Tellerfeder keine Öffnungskraft auf das Verschlußteil auszuüben vermag, ist dennoch ein einwandfreies Öffnen des Ventils gewährleistet.

Mit den Merkmalen des Anspruches 6 werden gleichzeitig die zu den Ansprüchen 4 und 5 genannten Vorteile erzielt.

Mit den Merkmalen des Anspruches 7 wird erreicht, daß sich die von den beiden Tellerfedern auf das Verschlußteil ausgeübten Federkräfte über den gesamten Verschlußteilhub nahezu ausgleichen. Dies ist bei der Auswahl des Verdampfungsmediums von großem Vorteil.

Die Ansprüche 8 und 9 geben bevorzugte Ausführungen des Widerlagers für die zweite Tellerfeder an.

Der Anschlag gemäß Anspruch 10 nimmt in der Offenendstellung des Verschlußteiles die Öffnungskräfte auf. Dies ist dann von besonderem Vorteil, wenn die Federhübe, z. B. aus Festigkeitsgründen, kleiner sein müssen als es die Form des Wandungsteiles zuließe.

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

Fig. 1 einen Ausschnitt des Ventils in Offenstellung,

Fig. 2 eine Einzelheit der Membrankapsel des Ventils in anderer Ausführung und Teiloffenstellung sowie,

Fig. 3 eine Einzelheit der Membrankapsel des Ventils in einer weiteren Ausführung und Teiloffenstellung.

In Fig. 1 trägt eine zwischen der Hochdruckseite 1 und der Niederdruckseite 2 vorgesehene Trennwand 3 eines nicht dargestellten Ventilgehäuses ein Sitzelement 4 mit einem Ventilsitz 5. Auf der Hochdruckseite, d. h. stromauf des Sitzelementes 4, ist eine Membrankapsel 6 angeordnet, die ein starres Wandungsteil 7, eine Ringscheibe 8 und ein zwischen beiden angeordnetes Membranglied 9 aufweist. Am Außenrand sind das Wandungsteil 7, das Membranglied 9 und die Ringscheibe 8 fest und dicht miteinander verbunden, vorzugsweise verschweißt. Die Ringscheibe 8 weist an ihrem Innenrand Haltemittel 10 auf, die auf dem Sitzelement 4 aufliegen. Das Wandungsteil 7 ist tellerförmig ausgebildet und mit einer zentralen topfförmigen Auswölbung 11 versehen. Es bildet gemeinsam mit dem Membranglied 9 einen Aufnahmeraum 12 für ein Verdampfungsmedium.

An dem Membranglied 9 ist zentral ein Verschlußteil 13 und ein Mitnehmerträger 14 fest und dicht befestigt, vorzugsweise durch Verschweißen der drei Teile miteinander. Der Mitnehmerträger 14 befindet sich im Aufnahmeraum 12, also auf der dem Wandungsteil 7 zugewandten Membranseite, während das Verschlußteil 13 auf der dem Wandungsteil 7 abgewandten Membranseite angeordnet ist. Das Verschlußteil 13 weist eine axiale, dem Membranglied 9 abgewandte Angriffsfläche 15 auf. - Anstelle des Verschlußteiles 13 kann ein Verschlußteilträger an dem Membranglied 9 befestigt sein, der ein oder zwei Verschlußteile trägt und die Angriffsfläche 15 aufweist, wie im Hauptpatent gezeigt. - Auf die Angriffsfläche 15 wirkt eine erste Tellerfeder 16 mit ihrem Innenrand im Öffnungssinn ein. Mit ihrem membranabgewandten Außenrand stützt sich die erste Tellerfeder 16 in einer Vertiefung 17 der als Widerlager fungierenden, konkav gewölbten Ringscheibe 8 ab.

Eine zweite Tellerfeder 18 befindet sich im Aufnahmeraum 12 zwischen dem Membranglied 9 und dem Wandungsteil 7. Der Wandungsteil 7 weist eine Vertiefung 19 auf, die als Widerlager für den membranabgewandten Außenrand der zweiten Tellerfeder 18 dient. Für deren membranzugewandten Außenrand ist ein Widerlager 20 vorgesehen. Der Mitnehmerträger 14 weist einen den Innenrandbereich der Tellerfeder 18 auf der membranabgewandten Stirnseite hintergreifenden Mitnehmer 21 auf. Die Federkraft der zweiten Tellerfeder 18 ist in Verschlußteil-Öffnungsrichtung gerichtet.

Im kalten Zustand ist das Verdampfungsmedium im Aufnahmeraum 12 kondensiert und sein Dampfdruck praktisch Null. Das Membranglied 9 und das Verschlußteil 13 werden durch beide Tellerfedern 16 und 18 sowie den auf der Hochdruckseite 1 herrschenden Druck in der Offenendstellung gehalten. Diese ist durch am Wandungsteil 7 vorgesehene Anschlagmittel 22 definiert. Die Anschlagmittel 22 greifen am Verschlußteil 13 an. - Sie können alternativ oder auch zusätzlich an dem starr mit dem Verschlußteil 13 verbundenen Mitnehmerträger 14 angreifen. - In der Offenendstellung wird das Membranglied 9 gegen eine eventuell im Öffnungssinn wirkende Druckdifferenz großflächig durch die zweite Tellerfeder 18 gestützt.

Wird die Membrankapsel 6 steigender Temperatur ausgesetzt, z. B. durch umgebendes Kondensat, erfolgt in dem Aufnahmeraum 12 eine Verdampfung. Es bildet sich in ihm der zur jeweiligen Temperatur gehörende Dampfdruck des Verdampfungsmediums aus. Dieser Dampfdruck erzeugt am Verschlußteil 13 eine Schließkraft. Ihr wirkt die resultierende Federkraft beider Tellerfedern 16 und 18 sowie die beim Anliegen des Membrangliedes 9 an der zweiten Tellerfeder 18 in Öffnungsrichtung weisende Druckkraft entgegen. Sobald der Dampfdruck im Aufnahmeraum 12 den Druck auf der Hochdruckseite 1 übersteigt, hebt das Membranglied 9 geringfügig von der zweiten Tellerfeder 18 ab und legt sich an die erste Tellerfeder 16 an. Bei Erreichen der Schließtemperatur ist der Dampfdruck im Aufnahmeraum 12 so groß, daß das Verschlußteil 13 gegen die resultiernde Federkraft beider Tellerfedern 16 und 18 in Schließrichtung bewegt und dichtend auf dem Ventilsitz 5 zur Auflage gebracht wird. Während des gesamten Schließhubes wird das Membranglied 9 großflächig durch die erste Tellerfeder 16 gestützt.

Wird die Membrankapsel 6 mit Öffnungstemperatur beaufschlagt, sinkt der Dampfdruck im Aufnahmeraum 12. Daraufhin überwindet die im Öffnungssinn wirkende, resultierende Federkraft der Tellerfedern 16 und 18 die vom Differenzdruck abhängigen Schließkräfte. Das Membranglied 9 sowie das Verschlußteil 13 werden dadurch in Offenstellung bewegt. Das Membranglied 9 ist hierbei großflächig durch die erste Tellerfeder 16 gestützt.

Vorstehend ist die Öffnungs- und Schließfunktion im unteren Teilbereich des Einsatzdruckbereiches des Ventils beschrieben.

Der untere Druckteilbereich umfaßt jene Einsatzdrücke, bei denen bei Schließtemperatur die in Öffnungsrichtung wirkende, resultierende Federkraft beider Tellerfedern 16 und 18 die vom Druck am Verschlußteil 13 erzeugte Schließkraft übersteigt. Der obere Druckteilbereich umfaßt Einsatzdrücke, bei denen bei Schließtemperatur die in Öffnungsrichtung wirkende, resultierende Federkraft beider Tellerfedern 16 und 18 kleiner ist als die vom Druck am Verschlußteil 13 erzeugte Schließkraft.

Die Funktionsweise im oberen Druckteilbereich unterscheidet sich von jener im unteren Druckteilbereich dadurch, daß das Membranglied 9 sowohl während des Öffnungs- als auch während des Schließhubes unter der herrschenden Druckdifferenz stets an der zweiten Tellerfeder 18 anliegt.

Sollte in Schließstellung im Aufnahmeraum 12, z. B. infolge großer Überhitzung, ein starker Druckanstieg erfolgen, dann stützt sich auch im oberen Druckteilbereich das Membranglied 9 an der ersten Tellerfeder 16 ab.

Im gesamten Einsatzdruckbereich wird das Membranglied 9 sowohl während des Öffnungs- als auch während des Schließhubes jeweils großflächig gestützt und ist nur den geringen Biegespannungen unterworfen, die aus der Hubbewegung herrühren. Durch die zweite Tellerfeder 18 ist es dabei möglich geworden, bei Verwendung der verfügbaren Verdampfungsmedien den Einsatzdruckbereich des Ventils wesentlich nach oben zu erweitern.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann die zweite Tellerfeder 18 alternativ als Schließfeder ausgebildet werden. Dadurch reduziert sich die resultierende, in Öffnungsrichtung auf das Verschlußteil 13 einwirkende Federkraft. Dies wirkt sich vorteilhaft bei der Auswahl des Verdampfungsmediums bzw. der Größe des Einsatzdruckbereiches aus. Wenn die zweite Tellerfeder 18 als Schließfeder ausgebildet wird, erübrigt sich das membranseitige Widerlager 20 für den Außenrand der zweiten Tellerfeder 18. Die Funktion entspricht ansonsten der zu Fig. 1 beschriebenen.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die zweite Tellerfeder 18 als Schließfeder ausgebildet. Der Mitnehmerträger 14 weist einen den Innenrandbereich der Tellerfeder 18 auf ihrer membranzugewandten Stirnseite hintergreifenden Mitnehmer 23 auf. Der Innenrandbereich der Tellerfeder 18 kommt dadurch nicht auf dem Membranglied 9 zur Auflage. Dies ist insbesondere bei großer Federkraft von Vorteil. Wenn die zweite Tellerfeder 18 infolge herrschender Druckdifferenz einen Hub in Öffnungsrichtung ausführt, folgt das Verschlußteil 13 durch die Wirkung der ersten Tellerfeder 16 der zweiten Tellerfeder 18 unmittelbar nach. Die zuvor genannten Vorteile bezüglich Einsatzdruckbereich und Stützung des Membrangliedes 9 sind auch bei dieser Ausführung gegeben.

Dadurch, daß die Federkräfte der beiden Tellerfedern 16 und 18 einander entgegenwirken, können Tellerfedern 16 und 18 mit sehr großen Federkräften verwendet werden, die selbst unter extrem hoher Druckdifferenz das Membranglied 9 zuverlässig stützen. Die resultierende, im Öffnungssinn auf das Verschlußteil 13 einwirkende Federkraft ist dennoch relativ gering. Als sehr vorteilhaft erweist es sich dabei auch, Tellerfedern 16 und 18 zu verwenden, deren Kennlinien im genutzten Hubbereich waagerecht bzw. flach verlaufen; denn dadurch bleibt die resultierende Federkraft über den Hub nahezu konstant.

In der Ausführung nach Fig. 3 ist die zweite Tellerfeder 18 gleichfalls als Schließfeder ausgebildet. Der Mitnehmerträger 14 weist jedoch beiderseits des Membrangliedes 9 je einen Mitnehmer 21, 23 auf. Sowohl Schließ- als auch Öffnungskräfte können von der Tellerfeder 18 unmittelbar auf den Mitnehmerträger 14 und damit auf das Verschlußteil 13 ausgeübt werden.

Die Tellerfedern 16 und 18 können ohne oder mit Durchbrechungen bzw. radialen Ausnehmungen ausgeführt sein. Das Membranglied 9 kann aus einer einzigen Membran oder mehreren aufeinanderliegenden Membranlamellen bestehen. Die Membran bzw. die Membranlamellen können glattflächig ausgeführt oder mit konzentrischen Wellen versehen sein.

Bezugszeichenliste

1 Hochdruckseite
2 Niederdruckseite
3 Trennwand
4 Sitzelement
5 Ventilsitz
6 Membrankapsel
7 Wandungsteil
8 Ringscheibe
9 Membranglied
10 Haltemittel
11 Auswölbung
12 Aufnahmeraum
13 Verschlußteil
14 Mitnehmerträger
15 Angriffsfläche
16 Tellerfeder
17 Vertiefung
18 Tellerfeder
19 Vertiefung
20 Widerlager
21 Mitnehmer
22 Anschlagmittel
23 Mitnehmer

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 Tellerfeder und
- einem Widerlager für die Feder, wobei
- die Tellerfeder an der dem Wandungsteil abgewandten Stirnseite des Membrangliedes anliegt und sich der Außenrandbereich der Tellerfeder an dem Widerlager abstützt, während ihr Innenrandbereich an dem Verschlußteil bzw. einem damit verbundenen Verschlußteilträger angreift, nach Patent ... (Patentanmeldung P 38 31 474.6),

gekennzeichnet durch

- eine zweite, an der dem Wandungsteil (7) zugewandten Stirnseite des Membrangliedes (9) anliegende Tellerfeder (18) und
- ein Widerlager (7) für den Außenrandbereich der zweiten Tellerfeder (18).

2. Thermisch gesteuertes Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Tellerfeder (18) als Öffnungsfeder ausgebildet ist und das Verschlußteil (13) einen Mitnehmer (21) aufweist, der den Innenrandbereich der zweiten Tellerfeder (18) auf ihrer dem Membranglied (9) abgewandten Stirnseite hintergreift.

3. Thermisch gesteuertes Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Tellerfeder (18) als Schließfeder ausgebildet ist.

4. Thermisch gesteuertes Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil (13) einen Mitnehmer (21) aufweist, der den Innenrandbereich der zweiten Tellerfeder (18) auf ihrer dem Membranglied (9) abgewandten Stirnseite hintergreift.

5. Thermisch gesteuertes Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil (13) einen Mitnehmer (23) aufweist, der den Innenrandbereich der zweiten Tellerfeder (18) auf ihrer dem Membranglied (9) zugewandten Stirnseite hintergreift.

6. Thermisch gesteuertes Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil (13) Mitnehmer (21, 23) aufweist, die den Innenrandbereich der zweiten Tellerfeder (18) auf ihren beiden Stirnseiten hintergreifen.

7. Thermisch gesteuertes Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß

- die erste Tellerfeder (16) eine Kraft-Weg-Kennlinie mit einem flach verlaufenden Kennlinienbereich aufweist,
- die zweite Tellerfeder (18) eine Kraft-Weg-Kennlinie mit einem flach verlaufenden Kennlinienbereich aufweist und
- beide Tellerfedern (16, 18) so angeordnet sind, daß sie sowohl in Ventilschließstellung als auch in Ventiloffenstellung jeweils Hubpositionen in ihrem flach verlaufenden Kennlinienbereich innehaben.

8. Thermisch gesteuertes Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandungsteil (7) der Membrankapsel (6) das Widerlager (19, 20) für die zweite Tellerfeder (18) aufweist.

9. Thermisch gesteuertes Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandungsteil (7) tellerförmig ausgebildet ist und auf seiner dem Membranglied (9) zugewandten Seite eine die zweite Tellerfeder (18) aufnehmende Vertiefung (19) aufweist.

10. Thermisch gesteuertes Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandungsteil (7) mit dem Verschlußteil (13) zusammenwirkende, dessen Öffnungshub begrenzende Anschlagmittel (22) aufweist.