DE3936430A1 - Absperrorgan - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verschließen bzw. Einstellen eines Strömungsquerschnitts einer Rohrleitung (Absperrorgan) nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Absperrorgane dieser Art sind bekannt und dienen ganz all­ gemein und bestimmungsgemäß dazu, die Strömung eines Mediums, wie z. B. einer Flüssigkeit, eines Dickstoffs, eines Dampfes oder Gases, in einer Rohrleitung oder an einem Behälter ab­ zusperren oder gezielt einzustellen. Absperrorgane sind unter anderem Ventile, Schieber, Hähne und Klappen, die nach dem Stand der Technik manuell, elektrisch, hydraulisch oder auch pneumatisch betätigt und damit der spezifischen Aufgabe ent­ sprechend eingestellt werden. Die Größe des Absperrorgans wird dabei durch den Durchmesser der Rohrleitung einerseits und den Arbeitsdruck in dieser Rohrleitung andererseits be­ stimmt; die Wirkung des Absperrorgans liegt darin, daß die Kontur des Absperrorgans und der Sitz in der Rohrleitung so zueinander komplementär ausgebildet sind, daß über eine Ver­ stellung bzw. Verschwenkung des Absperrkörpers eine in diesem vorgesehene und dem Leitungsdurchmesser entsprechende Öffnung dem Sitz gegenüber mehr oder weniger geöffnet oder geschlossen wird.

Diese bekannten axialsymmetrischen Absperrorgane werden mittels einer nach außen durch die Wand der Rohrleitung bzw. durch Verbindungsflansche zwischen Rohrleitungsstücken geführten Schalt- oder Stellwelle betätigt. Dies bedeutet, daß vom freien Strömungsquerschnitt der Rohrleitung eine nach außen offene Durchführung ausgeht, die abzudichten ist, wenn die Rohrleitung von einem Medium durchflossen wird. An diese Abdichtung werden dabei umso höhere Anforderungen gestellt, je umweltunverträglicher das Arbeitsmedium ist, das durch die Rohrleitung strömt. An die Dichtheit dieser Durchführung der Schaltwelle werden somit gegebenenfalls Anforderungen gestellt, die - soweit sie überhaupt mit ver­ tretbarem Aufwand erfüllt werden können - á priori schon deshalb nicht hundertprozentig erfüllt sein können, weil eben die Durchführung in der Rohrleitung oder der Flansch­ verbindung die Möglichkeit einer Leckage bildet. Zur Lösung dieses Problems sind aufwendige Stopfbuchsen­ konstruktionen und Faltenbalgabdichtungen bekannt.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht davon ausgehend darin, ein Absperrorgan der gattungs­ gemäßen Art anzugeben, bei dem die geforderte Sicherheit in Verbindung mit der Strömung umweltschädlicher Medien gegeben ist, bei dem also im Bereich des Absperrorgans keinerlei Ausströmmöglichkeit für das Arbeitsmedium besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Absperrkörper aus einem permanentmagnetischen Material be­ steht und daß zur Einstellung des Absperrkörpers gegenüber dem in der Rohrleitung integrierten komplementären Sitz ein Elektromagnet vorgesehen ist. Damit ist über das im Elektromagneten induzierte magnetische Feld der Absperr­ körper relativ zur Axialrichtung der Rohrleitung verschwenk­ bar.

Aufgrund dieser Konzeption wird letztlich erreicht, daß der Absperrkörper zwischen den bestimmungsgemäß erforder­ lichen Einstellungen für unterschiedliche Strömungsquer­ schnitte geschaltet werden kann, ohne daß jedoch eine Schaltwelle für die Betätigung des Absperrkörpers er­ forderlich ist. Die verschiedenen Schaltstellungen werden vielmehr dadurch erreicht, daß das Magnetfeld des Elektro­ magneten jeweils einer bestimmten Schaltstellung ent­ sprechend induziert wird, und zwar je nachdem, ob der Strömungsquerschnitt vergrößert oder verringert werden soll einer dem Magnetfeld des Absperrkörpers entsprechenden "positiven" oder "negativen" Feldlinienausrichtung ent­ sprechend.

Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird dabei der zu­ sätzliche Vorteil erreicht, daß das Bauvolumen und das Gewicht des Absperrorgans ganz wesentlich reduziert werden, wodurch die Rohrleitungen als Ganzes ebenfalls vereinfacht wird. Da letztlich auch der Anteil der sich bewegenden Teile auf den Absperrkörper an sich reduziert ist, ergibt sich somit auch eine Verbesserung bezüglich der Betriebs­ sicherheit und der Standzeit des Absperrorgans.

Grundsätzlich ist es dabei gleichgültig, ob der Elektro­ magnet außerhalb der Rohrleitung (Anspruch 2) oder inner­ halb der Rohrleitung (Anspruch 3) angeordnet ist. Wesentlich ist nur, daß das vom Elektromagneten gebildete Magnetfeld bezüglich seiner Feldlinienrichtung und bezüglich seiner Feldstärke relativ zum permanentmagnetischen Feld des Ab­ sperrkörpers so spezifiziert ist, daß letzterer gezielt und reproduzierbar relativ zum statischen Elektromagneten aus­ gerichtet werden kann. Insoweit ist es auch ohne weiteres denkbar, den Elektromagneten durch eine Mehrzahl von Einzel­ spulen zu verifizieren, die bestimmten Strömungsquerschnitten der Rohrleitung entsprechend aktiviert werden (Anspruch 4).

Um gegebenenfalls auch eine äußere Anzeige der aktuellen Stellung des Absperrkörpers zu haben, kann dieser mit einem äußeren beweglichen Anzeiger magnetisch gekoppelt werden (Anspruch 5).

Die Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand einer Schnitt-Zeichnung erläutert, die das erfindungsgemäße Absperrorgan in Form einer Prinzip­ darstellung zeigt. Das zeichnerisch dargestellte Aus­ führungsbeispiel zeigt als Absperrkörper einen sogenannten Kugelhahn oder Kugelschieber, bei dem eine relativ zum Rohrleitungsdurchmesser größere Kugel mit einer zum Rohr­ leitungsdurchmesser durchmessergleichen Zentralbohrung mit seiner äußeren Oberfläche als Dichtungsfläche in einem komplementären Sitz in der Rohrleitung gleitet. Die Er­ findung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel be­ schränkt, sondern immer dann anwendbar, wenn ein rotations­ symmetrischer Absperrkörper das Kernstück einer sogenannten 90°-Dreharmatur bildet.

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäß konfiguriertes Absperrorgan 1 dargestellt, wie es - bestimmungsgemäß - im Verlaufe einer Rohrleitung 2 integriert ist, um für das in der Rohrleitung 2 strömende Arbeitsmedium einen bestimmten Strömungsquerschnitt einzustellen. Die Konstruk­ tion dieses Absperrorgans 1 basiert auf einem hermetisch dichten käfigähnlichen Flanschelement 3 , das an der vor­ gegebenen Position der Rohrleitung 2 über konjugierte Anschlußflansche 4 der Rohrleitung 2 selbst in diese eingefügt ist.

Das genannte Flanschelement 3 weist mittig eine kreisring­ förmige Ausnehmung 5 auf, in die eine büchsenartige Hülse 6 als Aufnahme und Sitz für eine Kugel 7 eingesetzt ist.

Diese Kugel 7 weist - wie der zeichnerischen Darstellung zu entnehmen - eine zentrale Bohrung 8 auf, deren Durch­ messer dem Innendurchmesser der Rohrleitung 2 entspricht; der Kugeldurchmesser selbst ist - wie in der Zeichnung dar­ gestellt - größer als der Innendurchmesser der Rohrleitung 2, so daß bei entsprechender Drehung der Kugel 7 der gesamte Strömungsquerschnitt der Rohrleitung 2 zur Verfügung steht - im Bereich des Absperrorgans 1 kann in diesem Falle das Arbeitsmedium frei und ungehindert fließen.

Die konstruktive Zuordnung bzw. Abstimmung zwischen der Kugel 7 einerseits und der Hülse 6 andererseits ist so, daß der Innendurchmesser dieser Hülse 6 ebenfalls dem Innendurchmesser der Rohrleitung 2 entspricht und daß die Hülse 6 eine umlaufende Abstützung 9 für die Kugel 7 bildet. Diese Abstützung 9 nimmt bei der Montage des Flanschelements 3 von beiden Seiten die Kugel auf und gibt dieser einen solchen Halt, daß die Kugel 7 relativ zu dieser schulterähnlichen Abstützung 9 "frei" taumeln kann.

Die in der Zeichnung dargestellte Ausrichtung der Kugel 7 ist so, daß die Bohrung 8 exakt koaxial zur Rohrleitung 2 liegt, d. h. die Schaltstellung der Kugel 7 entspricht dem völlig offenen Strömungsquerschnitt. Wird nun die Kugel 7 in dem durch die Abstützung 9 gebildeten Sitz so ver­ schwenkt, daß die an die Bohrung 8 anschließende Kugel­ kalotte in den von der Hülse 6 anschließend gebildeten freien Leitungsquerschnitt eintaucht, so wird der Strömungs­ querschnitt verringert; wird die Kugel 7 um die senkrecht zur Bohrungsachse liegende Achse um 90° gedreht, so ist der Leitungsquerschnitt verschlossen. In der Rohrleitung 2 fließt kein Arbeitsmedium.

Der soweit beschriebene Kugelhahn ist insoweit Stand der Technik, als die Verschwenkung der Kugel 7 im Verlauf der Rohrleitung 2 über eine nach außen durch das Flansch­ element 3 geführte Schalt- oder Stellwelle erfolgt. Damit sind aber auch die eingangs genannten Probleme verbunden.

Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, die Kugel 7 im Zentrum des Flanschelements 3 ohne jede Durchführung von bzw. nach außen zu verstellen, so daß eine hermetisch dichte 90°-Dreharmatur zu Verfü­ gung steht.

Die konstruktive bzw. konzeptionelle Lösung selbst be­ steht dabei einerseits darin, daß die Kugel 7 als Permanentmagnet ausgebildet ist, dessen Polarität so ausgerichtet ist, daß die Stirnseiten der Bohrung 8 jeweils entgegengesetzte Polarität haben. Dies ist in der Zeichnung so dargestellt, daß die linke Stirnseite positive Polarität hat (hier treten die Feldlinien aus) und daß die rechte Stirnseite negative Polarität hat (hier treten die Feldlinien ein). Das Pendant zur per­ manentmagnetischen Kugel 7 bildet andererseits ein von außen überlagertes Feld eines Elektromagneten 10, das relativ zur Kugel 7 - und zwar (wie dargestellt) je nach Ausführungsform innerhalb des Flanschelements 3 oder außerhalb dieses Flanschelements so angeordnet ist, daß das elektro-magnetische Feld im Winkel zum Feldlinienverlauf des Permanentmagneten "Kugel" ausge­ richtet ist. Wird nun der Elektromagnet 10 und damit das elektro-magnetische Feld aktiviert, so wird an der Kugel 7 ein Drehmoment wirksam, das bemüht ist, die Kugel in Richtung des elektro-magnetischen Feldes zu orientieren. Je nach Größe des von der Richtung der Feldlinien eingeschlossenen Winkels α beträgt dieses Drehmoment

Auf der Grundlage dieser Konstruktion und Konzeption läßt sich somit die Kugel 7 durch Anlegen eines Magnetfeldes über den Elektromagneten 10 in bestimmter Weise relativ zur Achse der Rohrleitung 2 ausrichten und zwar - je nach der Stärke des vom Elektromagneten 10 überlagerten Feldes - von der in der Zeichnung dargestellten Aus­ richtung bis hin zur 90°-Stellung, d. h. zur Verschluß­ stellung. Soll die Kugel 7 wieder in die andere Richtung verschwenkt werden, weil die Strömung des Arbeits­ medium wieder ermöglicht oder der Strömungsquerschnitt wieder vergrößert werden soll, so wird durch Umkehrung des Stromflusses im Elektromagneten 10 die Polarität des elektro­ magnetischen Feldes umgekehrt - die Kugel 7 dreht somit in Richtung "Öffnung des Strömungsquerschnitts".

Das vom Elektromagneten 10 aufzubringende magnetische Feld kann auch mit einer Mehrzahl von Einzelspulen erzeugt werden, wobei unter Umständen bestimmten Strömungs­ querschnitten entsprechend á priori jeweils bestimmte Spulen fest einschaltbar sind. Um die jeweilige Stellung der Kugel 7 und damit die Größe des Strömungsquerschnitts auch nach außen ablesbar zu machen, ist die Kugel 7 mag­ netisch mit einem Anzeiger gekoppelt, der jeweils die aktuelle Stellung des Absperrkörpers und damit den Strömungs­ querschnitt des Absperrorgans anzeigt.

Bezugnehmend auf die zeichnerische Darstellung wird er­ läuternd folgendes angemerkt: Das magnetische Feld des Elektromagneten 10 ist von rechts oben nach links unten orientiert, d. h. die Feldlinien sind dementsprechend aus­ gerichtet. Aufgrund der Magnetisierung des Absperrkörpers, d. h. der Kugel 7 ergibt sich somit ein Drehmoment, welches bemüht ist, die Kugel im Uhrzeigersinn (vgl. Pfeil o) zu drehen. Für den Fall, daß die Kugel 7 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht werden soll, wird der Stromfluß im Elektromagneten 10 umgekehrt, so daß die magnetischen Feldlinien von links unten nach rechts oben ausgerichtet sind. Die Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagnetfeld der Kugel 7 und dem magnetischen Feld des Elektro­ magneten 10 ist dabei so, daß die Kugel 7 - bezogen auf die Zeichnung - links herum dreht (vgl. Pfeil ).

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Verschließen bzw. Einstellen eines Strömungsquerschnitts einer Rohrleitung (Absperr­ organ) mittels eines um eine Achse verschwenkbaren Absperrkörpers, dessen Oberfläche auf einem in der Rohrleitung integrierten komplementär ausgebildeten Sitz gleitet und der eine dem Rohrleitungsdurchmesser entsprechende Öffnung aufweist, die der Axialrichtung der Rohrleitung gegenüber zwischen einer koaxialen "Offenstellung" und einer um 90° gedrehten "Schließ­ stellung" einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Absperrkörper aus einem Material mit permanent­ magnetischen Eigenschaften besteht, und
daß zur Einstellung des Absperrkörpers gegenüber dem in der Rohrleitung integrierten komplementären Sitz ein Elektromagnet vorgesehen ist,
so daß über das im Elektromagneten induzierte elektro­ magnetische Feld der Absperrkörper relativ zur Axialrichtung der Rohrleitung verschwenkbar ist.

2. Absperrorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet außerhalb der Rohrleitung vorgesehen ist.

3. Absperrorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet innerhalb der Rohrleitung vorgesehen ist.

4. Absperrorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet aus einer Mehrzahl bestimmten Winkelstellungen des Absperrkörpers und damit bestimmten Strömungsquerschnitten entsprechend schaltbaren Einzelspulen besteht.

5. Absperrorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Absperrkörper mit einem außerhalb der Rohrleitung beweglichen Anzeiger magnetisch gekoppelt ist, der den aktuellen Strömungs­ querschnitt anzeigt.