DE4031137A1 - Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zur dosierten Überwa­ chung eines Fluidstroms mit einem Ventilsitz in einem Ventilgehäuse und einem mittels einer Spindel betätig­ baren Ventilkörper, der in seiner Schließstellung auf dem Ventilsitz eine Fluidströmung zwischen einem Fluid­ auslaß und einem Fluideinlaß im Ventilgehäuse unter­ bricht und in seiner vom Ventilsitz abgehobenen Stellung eine Fluidströmung vom Einlaß zum Auslaß ermöglicht.

Überall dort, wo Fluidströme, d. h. gasförmige oder flüssige Medien gehandhabt werden müssen, werden Ventile eingesetzt. Abhängig von den Betriebsparametern, wie Druck, Temperatur, Strömungsmenge, Giftigkeit etc. sind zahlreiche Sonderkonstruktionen von Ventilen entwickelt worden, die unter den jeweils vorhandenen speziellen Betriebsbedingungen optimal arbeiten.

Zur Überwachung korrosiver oder giftiger Medien werden vorzugsweise Ventile eingesetzt, die nach außen so gut als möglich abgedichtet sind, um ein Austritt der korrosiven, gefährlichen oder auch giftigen Medien zu verhindern. Diese Abdichtung macht immer dann Schwierigkeiten, wenn Verstellspin­ deln od. dgl. durch das Ventilgehäuse nach außen hin­ durchgeführt werden müssen. Man behilft sich in diesem Fall mit Dichtungen, die im Einzelfall höchst kompli­ ziert aufgebaut sind und aus vielen Einzelteilen be­ stehen. Trotzdem kann nicht ausgeschlossen werden, daß diese Dichtungen, jedenfalls nach einer gewissen Be­ triebszeit, leck werden und ein Austritt der giftigen oder korrosiven Medien stattfindet.

In diesem Zusammenhang sind auch Magnetventile bekannt, d. h. Ventile, bei welchen der in einem geschlossenen Gehäuse angeordnete Ventilkörper mit einem Elektro­ magnet überwacht wird. In der Regel wird der Ventil­ körper gegen die Kraft einer Feder vom Ventilsitz durch einen Elektromagneten abgehoben. Im nicht aktivierten Zustand des Elektromagneten drückt die Feder den Ventilkörper wieder auf den Ventilsitz zu­ rück, wodurch das Ventil geschlossen wird.

Aus der US-PS 39 51 378 ist ein Ventil bekannt, bei dem der Ventilkörper durch im Ventilgehäuse angeordnete Permanentmagneten zusammen mit Elektromagneten und Druck­ federn überwacht wird. Magnetkräfte und Federkräfte sind dabei so aufeinander abgestimmt, daß der Ventilkörper in einer einmal erreichten Schaltstellung fixiert bleibt, bis er von einem zusätzlichen Elektromagneten in die andere Schaltstellung gezogen wird. Das bekannte Ventil arbeitet, wie auch die anderen bekannten Magnetventile nur in zwei Schaltstellungen, d. h. das Ventil ist ent­ weder geöffnet oder geschlossen. Zwischenstellungen sind nicht möglich, so daß eine geregelte Steuerung eines Fluidstroms nicht möglich ist. Darüber hinaus bestehen die bekannten Magnetventile aus einer Vielzahl von Ein­ zelkomponenten, die die Herstellung der Ventile aufwendig machen, ihre Lebensdauer verkürzen und Zuverlässigkeit mindern.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Ventils, das gegenüber der äußeren Umgebung hermetisch dicht ist, und das eine geregelte Überwachung eines Fluidstroms er­ möglicht. Das Ventil soll konstruktiv einfach aufgebaut sein, ohne daß dadurch die Zuverlässigkeit und Funktions­ sicherheit leidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kenn­ zeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung basiert auf dem Zusammenwirken zweier Permanentmagnete, von denen einer mit der Ventilspindel und der andere mit einem außen auf dem hermetisch abge­ dichteten Ventilgehäuse angeordneten Verstellglied ver­ bunden ist. Das Verstellglied ist auf dem Ventilgehäuse derart geführt, daß es verschiedene axiale Positionen einnehmen kann. Entsprechende Positionen nimmt die im Inneren des Ventilgehäuses gleitend gelagerte Spindel ein, die einen Ventilkörper überwacht, der wiederum einen mehr oder weniger großen Auslaßquerschnitt im Inneren des Ventils freigibt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist der Ventilkörper in Form einer frei im Ventilgehäuse "schwimmenden" dis­ kusförmigen Scheibe aus einem hochbelastbaren Keramik­ material, vorzugsweise Siliziumnitrit. Durch die Be­ wegungsmöglichkeiten kann sich die Ventilscheibe dem Ventilsitz optimal anpassen. Die Vibrationen der Ven­ tilscheibe verhindern die Anlagerung von mitgeführten Sedimenten.

Auch die im Rahmen der Erfindung eingesetzten Permanentmagnete sind sogenannte Keramikmagnete, auf der Basis von Zirkonoxid, das mit einem hochkoerziti­ ven Ferrit gefüllt ist. Die eingesetzten keramischen Werkstoffe und die auf diese Werkstoffe abgestimmte Konstruktion in Form von beispielsweise planen Ventilsitzflächen verleihen dem Ventil eine über­ durchschnittliche Robustheit und Lebensdauer. Durch den Einsatz der axial verstellbaren Permanent­ magneten kann der Fluidstrom in einem gewissen Bereich fein reguliert werden. Da keine Gefahr besteht, daß durch eine elektrische Betätigung Induktionsfunken ge­ bildet werden, kann das Ventil auch zur Überwachung hochexplosiver Medien eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft ist das Ventil auch zum Ver­ schließen von Druckgasflaschen geeignet. Das absolut leckfreie Verschließen derartiger Druckgasflaschen ist in der Regel durch entsprechende Vorschriften sicherzu­ stellen. Diesen Vorschriften entspricht das erfindungs­ gemäße Ventil in der Regel wegen seiner 100%igen Dichtheit und hohen Betriebssicherheit.

Nachfolgend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Aus­ führungsform und

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweite Aus­ führungsform des Ventils.

In einer ersten Ausführungsform besteht das Ventil aus einem Ventilgehäuse 10 mit einem Einlaß 12 und einem Aus­ laß 14. Zwischen dem Einlaß und dem Auslaß befindet sich ein Ventilsitz 16, der am oberen Rand eines internen Rohrstutzens als kreisringförmige plane Fläche ausgeführt ist. Abhängig von den verwendeten Werkstoffen wäre auch eine ballige Ausführung des Ventilsitzes denkbar.

Auf dem Ventilsitz 16 liegt der Ventilkörper 18 in Form einer diskusförmigen Scheibe auf. Die Scheibe 18 kann sich im Ventilgehäuse 10 axial frei bewegen, d. h. axial gleiten. Die Scheibe weist eine zentrale Mittelbohrung 20 auf, die ein Flattern des Ventilkörpers bei vom Ventil­ sitz abgehobener Stellung der Scheibe verhindern soll.

Oberhalb des Ventilkörpers 18 ist die Ventilspindel 22 im Gehäuse derart angeordnet, daß sie axial frei gleiten kann. Am unteren Ende der Spindel 22 ist ein Dichtkörper 24 angeordnet, der die Zentralbohrung 20 in der Scheibe 18 verschließt. Die Spindel 22 wirkt damit wie ein Dicht­ stempel, der die Scheibe 18 gegen den Ventilsitz 16 drückt und gleichzeitig die Mittelbohrung 20 in der Scheibe 18 verschließt.

Auf der Spindel 22 sind ringförmige Permanentmagnete 24 angeordnet, deren Material so ausgewählt ist, daß die erforderlichen Stellkräfte für die Spindel auch über­ tragen bzw. erzeugt werden. Für Hochtemperaturanwendungen haben sich sogenannte Keramikmagnete bewährt, die aus einer Matrix aus Zirkoniumoxid mit eingelagerten Ferriten bestehen. Das Ventilgehäuse 10 besteht im Be­ reich der Magnete aus einem nicht-magnetischen Werkstoff, vorzugsweise V2A-Stahl.

Außen auf dem Gehäuse 10 ist eine Kappe 26 aufgesetzt, die mittels einer Gewindespindel 28 axial verstellt wer­ den kann. Im inneren Umfang der Kappe 26 sind ebenfalls ringförmige Permanentmagnete 28 befestigt, die mit den Permanentmagneten 24 zusammenwirken.

Die Scheibe 18 besteht aus einem hochfesten keramischen Werkstoff, sie weist neben der zentralen Bohrung 20 noch eine Drosselbohrung 30 auf, die dem Druckausgleich mit dem Raum oberhalb der Scheibe 18 dient.

Das Fluid strömt bei geöffnetem Ventil über den Einlaß 12 durch den Ventilsitz 16, wird dann durch die Scheibe 18 um 180° umgelenkt und strömt durch die im Ventilge­ häuse angeordneten Abströmkanäle 32 zum Auslaß 14. Die Durchflußmenge des Fluidstroms läßt sich durch die axiale Position der Scheibe 18 steuern. Diese Position hängt wieder von der axialen Stellung der Spindel 22 ab, die abhängig von der axialen Position der Verstellkappe 26 in einer bestimmten Lage gehalten wird.

Durch die Drosselbohrung 30 stellt sich auch oberhalb der Scheibe 18 ein Druck ein, der etwa dem Einlaßdruck des Fluids 12 entspricht. Da auch beim Schließen des Ventils der Druck unterhalb der Scheibe 18 schneller abnimmt, sich aber andererseits ein Druckausgleich durch die Dros­ selbohrung 30 nicht so schnell herstellen läßt, wird die Scheibe 18 durch den oberhalb der Scheibe herrschenden jetzt höheren Druck beschleunigt in ihre Schließstellung bewegt.

Statt der Verstellkappe 26 kann auch ein anderer Ver­ stellmechanismus vorgesehen sein, mit dem die Magnete 28 beispielsweise über einen Hebelmechanismus axial am Ventilgehäuse 10 verschoben werden können.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei dem Einlaß 12 und Auslaß 12 koaxial angeordnet sind. Im übrigen sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform weist die Spindel 22 eine zentrale Bohrung 34 auf, durch die sich der Eintrittsdruck des Fluids in einen Druck­ ausgleichsraum 36 fortpflanzen kann. Dieser Druckaus­ gleichsraum ist im Ventilgehäuse 10 zylinderförmig ausgebildet, wobei das obere Ende der Spindel 22 wie ein Kolben in diesem Druckausgleichsraum gleitet. Die obere Stirnfläche der Spindel 22 ist dabei so bemessen, daß ihre Fläche gerade derjenigen Fläche der Scheibe 18 entspricht, die innerhalb des Ventilsitzes 16 liegt und daher druckbelastet ist. Die vom Eintrittsdruck des Fluids auf die Scheibe 18 ausgeübten Kräfte werden da­ durch kompensiert, es ist nicht erforderlich, das Ventil mit einer ständigen Vorspannung in Schließstellung zu halten. Im Gegenteil, konstruktionsbedingt wird auf den Ventilkörper bzw. die Scheibe 18 immer eine bestimmte Kraft einwirken, die das Ventil geschlossen hält. Da sich über die Drosselbohrung 30 auch hinter der Scheibe 18 der Auslaßdruck aufbauen kann, entspricht die auf den Ventilkörper bzw. die Scheibe 18 wirkende Schließ­ kraft dem Produkt aus dem Auslaßdruck und der kreisring­ förmigen Fläche des Ventilsitzes 16. Natürlich ist dieser Zustand nur dann gegeben, wenn die Zentralbohrung 20 in der Scheibe 18 vom Dichtkörper 24 verschlossen wird. Letzteres ist dadurch sichergestellt, daß die Spindel 22 immer mit einer bestimmten, wenn auch schwachen elasti­ schen Kraft gegen die Scheibe 18 drückt und dadurch die Zentralbohrung 20 verschließt.

Bei Strömungstillstand, d. h. bei abgeschaltetem Ver­ braucher sinkt die Scheibe unter Wirkung der Schwerkraft und der noch aufrechterhaltenen Rückstellkraft der Magnete 24, 28 nach unten und verschließt das Ventil.

Wird auf der Verbraucherseite über den Auslaß 14 wieder Fluid abgezogen, wird unter Wirkung der sich einstellen­ den Druckdifferenz zwischen Einlaß 12 und Auslaß 14 die Scheibe 18 gegen die auf die Spindel 22 wirkende Magnet­ kraft nach oben verschoben. Die Scheibe wird jedoch durch den sich einstellenden strömungsbedingten Unter­ druck in einer bestimmten Lage knapp über dem Ventil­ sitz 16 festgehalten. Wird die Spindel 22 weiter nach oben gezogen, öffnet sich die Zentralbohrung 20 und es kommt zu einem Druckausgleich der Räume unter- und ober­ halb der Scheibe 18, so daß sich die Scheibe 18 in einer dynamischen Gleichgewichtslage stabilisiert.

Beim Schließen des Ventils wird zunächst die Zentralboh­ rung 20 geschlossen, so daß der Druck in dem Raum ober­ halb der Scheibe 18 gegenüber dem unterhalb herrschenden Druck überwiegt, die Scheibe wird nach unten gezogen und Druckausgleich stellt sich wieder her. Die magnetisch elastisch in Schließstellung vorgespannte Spindel 22 folgt dem Schließkörper und preßt diesen schließlich auf den Ventilsitz 16, wobei gleichzeitig die Zentral­ bohrung 20 verschlossen wird.

Ein Nachlassen der Schließkraft führt nicht sofort wieder zu einem Öffnen des Ventils, da, wie oben ausgeführt, die Druckverhältnisse die Scheibe zunächst auf dem Sitz 16 festhalten. Das Öffnungsverhalten zeigt also einen gewis­ sen Hysterese-Effekt, d. h. die Öffnungskräfte müssen höher sein, als die Schließkräfte. Gerade ein solches Verhalten ist jedoch bei der Überwachung von Druckgas­ flaschen äußerst wichtig. Hat sich das Ventil bei Strö­ mungsstillstand zunächst selbsttätig geschlossen, ist eine jedenfalls die Schließkraft überwindende höhere Kraft nötig, um das Ventil wieder zu öffnen.

Der freibewegliche Ventilkörper bzw. die Scheibe 18 hat noch den weiteren Vorteil, daß eine Anpassung an den planen Ventilsitz 16 trotz etwaiger minimaler Fluchtungs­ fehler der Dichtflächen problemlos möglich ist. Bei einer festen Verbindung der Scheibe 18 mit der Spindel 22 wür­ den Fluchtungsfehler zu Verkantungen führen. Ein gewisses Flattern der Scheibe 18 beim Schließen hat den weiteren Vorteil, daß mögliche Ablagerungen auf dem Ventilsitz bei Sediment führenden Fluiden nicht entstehen können, bzw. bestehende Ablagerungen losgeschlagen werden. Eine zuverlässige Funktion ist daher über lange Zeiträume gewährleistet. Die Vorteile des schwimmenden Ventilkör­ pers können natürlich auch ohne die Permanentmagnete verwirklicht werden. In diesem Fall müßte die Kraft der Permanentmagnete beispielsweise durch eine entsprechend dimensionierte in Schließstellung vorgespannte Druck­ feder aufgebracht werden.

Claims (12)

1. Ventil zur dosierten Überwachung eines Fluidstroms mit einem Ventilsitz in einem Ventilgehäuse und einem mittels einer Spindel betätigbaren Ventilkörper, der in seiner Schließstellung auf dem Ventilsitz eine Fluid­ strömung zwischen einem Fluideinlaß und einem Fluidaus­ laß im Ventilgehäuse unterbricht und in seiner vom Ventil abgehobenen Stellung eine Fluidströmung vom Einlaß zum Auslaß ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (22) im Inneren des hermetisch geschlossenen Ventilgehäuses (10) axial verschieblich geführt ist und an der Spindel (22) Permanentmagnete (24) befestigt sind, die durch das zumindest teilweise aus nicht-magnetischem Material bestehende Ventilgehäuse (10) hindurch mit äußeren Permanentmagneten (28) zusammenwirken, die an einem Verstellteil (26) befestigt sind, das außen am Ventilgehäuse (10) verdrehbar oder verstellbar gelagert ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (16) eine kreisringförmige plane Fläche darstellt, auf welcher der Ventilkörper in Form einer axial frei im Ventilgehäuse beweglichen diskusförmigen Scheibe (18) aufsitzt und daß der aus dem Ventilsitz (16) austretende Fluidstrom die Scheibe zentral trifft und, um 180° umgelenkt, durch Abströmkanäle (32) zum Fluidauslaß (14) geführt wird.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (18) eine zentrale Bohrung (20) aufweist, die durch einen am unteren Ende der Spindel (22) angeordneten Dichtkörper (24) verschließbar ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (22) eine zentrale Bohrung (34) aufweist, die mit einem Druckausgleichsraum (36) im Ventilgehäuse (10) in Verbindung steht, wobei das obere Ende der Spindel (22) als Kolben ausgebildet ist, der dichtend im als Zylinder ausgebildeten Druckausgleichsraum (36) gleitet.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des oberen Spindelendes so bemessen ist, daß ihre Fläche derjenigen Fläche der Scheibe (18) ent­ spricht, die bei geschlossenem Ventil mit unter Druck stehendem Fluid beaufschlagt ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Verschleißteile, vorzugsweise der Ventilkör­ per und Ventilsitz aus Keramik, vorzugsweise Silizium­ nitrit bestehen.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe noch eine zusätzliche Drosselbohrung (30) aufweist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellteil eine Drehkappe (26) ist, die auf das Ventilgehäuse (10) derart aufschraubbar ist, daß unter­ schiedliche axiale Positionen möglich sind.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellteil Teil eines Hebelmechanismus ist.

10. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (24, 28) Ringmagnete sind und einerseits koaxial auf der Spindel (22) und anderer­ seits koaxial am Innenrand der Drehkappe (26) befestigt sind.

11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (24, 28) aus keramischen Werkstoffen be­ stehen.

12. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (10) im Bereich der Permanent­ magnete (24, 28) aus einem nicht-magnetischen Stahl, vorzugsweise V2A-Stahl besteht.