DE4232831C2 - Ventil mit Absperr- und Drosselfunktion - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil mit Absperr- und Drosselfunktion der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Solche Ventile eignen sich beispielsweise als Absperr- und Drosselglieder in Rohrleitungen für flüssige oder gasförmige Medien, deren Durchflußmenge, Druck oder Wärmemenge gesteuert oder geregelt wird. Ein derartiges Ventil ist bereits bekannt (FR 1 261 204). Bei diesem kann ein Ventilteller über ein Knickgestänge durch Kolbenhub weggeschwenkt werden, so daß der Ventilteller und das Knickgestänge im offenen Zustand des Ven­ tils nicht mehr im Durchflußkanal des Mediums liegen. Solche Ventile haben im offenen Zustand den gewünschten kleinen Strömungswiderstand, erfordern jedoch zum Schließen relativ hohe Kräfte. Aufgrund der Schwenkbewegung des Ventiltellers im Bereich des Ventilsitzes sind zudem kleine Durchflußmengen schlecht dosierbar.

Ferner ist ein Ventil bekannt (DE-OS 29 26 500), bei dem ein Schließkörper mit Hilfe eines Kniehebels durch eine Spindel axial in der Durchflußrichtung des Ventils bewegbar ist. Der Kniehebel und Schließkörper sind von einem dichten Innenge­ häuse umgeben, welches vom gesteuerten Medium umströmt wird. Damit das Ventil im offenen Zustand einen kleinen Strömungs­ widerstand aufweist, ist ein großer Ventilsitz notwendig.

Schließlich ist ein Ventil bekannt (DE-PS 7 24 915), bei dem zur Schließkörperführung ein Hebelsystem Anwendung findet, bei dem die Auflagekräfte zwischen Ventilsitz und Schließkörper orts-abhängig sind, was zu raschem Verschleiß und dadurch zur Leckage führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der ein­ gangs genannten Art mit einfachen Mitteln so zu gestalten, daß kleine Durchflußmengen genau dosierbar sind und das Ventil trotzdem schnell ganz geöffnet und schnell ganz geschlossen werden kann, ohne daß das Ventil im offenen Zustand einen nur kleinen Strömungswiderstand aufweist.

Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Die erfindungsgemäße Führung zur Aufteilung in zwei Bewegungs­ phasen führt zur Aufgabenlösung.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt eines Ventils in Richtung Rohr- und Ankerachse in geschlossener Stellung (Schnitt B-B in Fig. 3),

Fig. 2 ein Kniegelenksystem eines Ventils in geschlossener und in offener Stellung und

Fig. 3 einen Schnitt eines Ventils in Richtung Rohrachse, senkrecht zur Ankerachse (Schnitt A-A in Fig. 1).

In der Fig. 1 bedeutet 1 ein Ventil mit einem Gehäuse 2, welches eine Gehäusekammer 3 umschließt und zwei im wesentlichen rohrformige Durchlaßkanäle 4 und 5 aufweist, die auf einer gemeinsamen Rohrachse 6 einander gegenüber angeordnet sind und von denen einer an seinem Ende gegen die Gehäusekammer 3 hin einen Ventilsitz 7 für einen Schließkörper 8 aufweist.

In der Gehäusekammer 3 ist ein Kniehebelsystem 9 untergebracht, dessen Knie 10 von einem am Gehäuse 2 gelenkig verankerten Stützhebel 11 und einem mit dem Schließkörper 8 gelenkig verbundenen Schließhebel 12 gebildet wird und über einen Stellhebel 13 bewegbar ist. Der Stellhebel 13 ist gelenkig am Knie 10 angebracht. Es ist auch möglich, daß der Stellhebel 13 statt am Knie 10 am Schließhebel 12 oder am Stützhebel 11 angreift.

Ein Stellantrieb 14 besteht im wesentlichen aus einem am Stellhebel 13 gelenkig angebrachten Anker 15 aus ferromagnetischem Material, der von einem durch eine stromdurchflossene Spule 16 magnetisierbaren Kern 17 entgegen der Kraft einer Druckfeder 18 angezogen werden kann. Vorteilhaft ist der Stellantrieb 14 als Deckel zum Gehäuse 2 ausgebildet.

Im Ruhezustand des Stellantriebs 14 - d. h. im stromlosen Zustand der Spule 16 - wirkt die Kraft der vorgespannten Druckfeder 18 über den gelösten Anker 15 auf den Stellhebel 13 des Kniehebelsystems 9, welches den Schließkörper 8 auf den Ventilsitz 7 preßt, so daß sich das Ventil 1 in geschlossenem Zustand befindet.

Ein elektrischer Strom durch die Spule 16 bewirkt ein Magnetfeld mit einer vom Strom abhängigen Kraft auf den Anker 15, die entgegen der Kraft der Druckfeder 18 wirkt und mit zunehmendem Strom größer wird. Ist die Kraft des Magnetfelds größer als die Kraft der Druckfeder 18, wird der Anker 15 so weit in die Spule 16 hineingezogen, bis sich die beiden Kräfte kompensieren oder bis der Anker 15 am Kern 17 anschlägt. Die Position des Ankers 15 ist also zwischen zwei Endstellungen vom Betrag des Stromes abhangig; eine passive Endstellung ergibt sich durch die Stellung des Schließkörpers 8 im geschlossenen Zustand des Ventils 1, und eine aktive Endstellung wird mit dem Anschlag des Ankers 15 am Kern 17 erreicht. Es ist aber auch möglich, daß die aktive Endstellung auf eine andere Art, beispielsweise durch einen nicht gezeichneten Anschlag am Kniehebelsystem 9 bestimmt wird.

Die Hebelverhältnisse am Kniehebelsystem 9 und die Vorspannung der Druckfeder 18 sind für die Absperrfunktion in bekannter Weise so ausgelegt, daß der Schließkörper 8 einerseits in der passiven Endstellung mit dem nötigen Schließdruck auf dem Ventilsitz 7 aufliegt und andererseits in der aktiven Endstellung so weit aus der Rohrachse 6 geschwenkt ist, daß das Ventil 1 im offenem Zustand ist, in dem das Medium in seinem Durchfluß durch die beiden Durchlaßkanäle 5 und 4 vom Schließkörper 8 praktisch nicht behindert wird. Damit ist beim Ventil 1 eine wichtige Voraussetzung zu einem kleinen Strömungs­ widerstand bei offenem Zustand gegeben. Der offene Zustand des Ventils ist in Fig. 2 mit Strichlinien dargestellt.

Hat das Medium die in der Fig. 1 eingezeichnete Strömungs­ richtung V, unterstützt der Druck des Mediums in der Gehäuse­ kammer 3 die durch das Kniehebelsystem 9 übertragene Kraft auf den Schließkörper 8 und verstärkt damit den Schließdruck.

Im folgenden wird ausgehend von einem Ventil 1 in geschlossenem Zustand die Bewegung des Schließkörpers 8 beim Öffnen näher beschrieben.

Am Schließhebel 12 und am Stützhebel 11 ist eine Feder, vorzugsweise eine Torsionsfeder 19 derart vorgespannt angebracht, daß ihre Kraft den Schließhebel 12 mit dem Knie 10 als Drehachse gegen den Stützhebel 11 drückt und den Winkel α zwischen dem Schließhebel 12 und dem Stützhebel 11 durch eine Scherbewegung zu verkleinern sucht. Der minimal erreichbare Winkel α′ wird durch ein Begrenzungsmittel am Kniehebelsystem 9 bestimmt. Vorzugsweise ist das Begrenzungsmittel eine Nase 20, die am Stützhebel 11 derart ausgebildet ist, daß sie bei einer Scherbewegung des Schließhebels 12 bzw. des Stützhebels 11 als Anschlag für den Schließhebel 12 dient, wenn der minimale Winkel α erreicht ist. Ein am Gehäuse 2 angeordneter Führungs­ körper 21 mit einer Führungsebene 22, auf die sich der Schließkörper 8 und der Schließhebel 12 während einer ersten Phase beim Öffnen des Ventils 1 über ein Führungsmittel 23 abstützt, ist so gestaltet, daß der Schließkörper 8 axial zur Rohrachse 6 mit einer Translationsbewegung vom Ventilsitz 7 abhebt, da durch die Kraft der Torsionsfeder 19 die Scherbewegung des Schließhebels 12 bis zu ihrer Begrenzung durch die Nase 20 ausgeführt wird, wenn das Knie 10 vom Stellhebel 13 gegen den Stellantrieb 14 gezogen wird. Wird das Knie 10 in einer anschließenden zweiten Phase weiter gegen den Stellantrieb 14 gezogen, schwenkt der Schließkörper 8 zunehmend weiter aus der Rohrachse 6, bis das Ventil 1 seinen offenen Zustand erreicht.

Ebensogut kann die Nase 20 am Schließhebel 12 statt am Stützhebel 11 ausgebildet sein.

In der ersten Phase nimmt der für die Durchflußmenge des Mediums wirksame Öffnungsquerschnitt zwischen dem Ventilsitz 7 und dem Schließkörper 8 linear mit dem vom Schließkörper 8 axial zurückgelegten Weg, und damit im wesentlichen linear mit dem zurückgelegten Weg des anziehenden Ankers 15, zu. Der Betrag der Geschwindigkeit des Schließkörpers 8 bei seiner Schwenkbewegung in der zweiten Phase vergrößert sich durch die Wirkung des Kniehebelsystems 9 bei gleichförmiger Translation des Ankers 15.

Beim Schließen des Ventils verläuft der Bewegungsablauf genau umgekehrt.

Dadurch, daß das Öffnen bzw. das Schließen in zwei unterschiedlichen Bewegungsphasen abläuft, ergeben sich wichtige Vorteile:
In der ersten Phase - d. h. bei der axialen Bewegung des Schließkörpers 8 - erfolgt der Hub des Schließkörpers 8 im wesentlichen linear zum Hub des Ankers 15, womit auch die Durchflußmenge im wesentlichen linear vom Hub des Ankers 15 abhängt. In dieser Phase ist die Durchflußmenge durch die Position des Ankers 15 bzw. durch den elektrischen Strom in der Spule 16 genau dosierbar. Durch die vorteilhafte Bewegung des Schließkörpers 8 beim Abheben vom Ventilsitz 7 beziehungsweise unmittelbar vor dem Aufsetzen auf diesen ergeben sich am Ventilsitz 7 keinerlei Dichtungsprobleme und Abnützungserscheinungen. Ebenso ist die Schwingungsneigung gering. Das Ventil 1 kann damit beispielsweise vorteilhaft als Drosselglied in einem Rohrsystem, dessen Durchflußmenge oder Druck geregelt wird, eingesetzt werden. Die gewählten Übersetzungsverhältnisse der Hebel im Kniehebelsystem 9 bestimmen in bekannter Weise die Translation des Schließkörpers 8, die durch die Translation des Ankers 15 verursacht wird.

Für die vollständige Schwenkbewegung in der zweiten Phase ist aufgrund der Hebelverhältnisse des Kniehebelsystems 9 nur ein geringer Hub des Ankers 15 notwendig, so daß diese Phase beim Öffnen und beim Schließen sehr rasch ablaufen kann.

Das Führungsmittel 23 ist beispielsweise durch die beiden vorstehenden Enden einer Achse gebildet, die als gelenkiges Verbindungsmittel zwischen dem Schließhebel 12 und dem Schließkörper 8 dient. Ein unerwünschtes Abdrehen des Schließkörpers 8 um seine Verbindung zum Schließhebel 12, welches bei der Schwenkbewegung des Schließkörpers durch das strömende Medium verursacht werden kann, wird beispielsweise durch einen entsprechend hohen Reibungswiderstand in der Verbindung oder durch eine Begrenzung des Drehbereichs zwischen dem Schließhebel 12 und dem Schließkörper 8 auf den in der ersten Phase erforderlichen Bereich verhindert.

Ein stabiler Aufbau des Kniehebelsystems 9 ergibt sich, wenn der Stützhebel 11 sowie auch der Schließhebel 12, wie in der Fig. 3 dargestellt, als Doppelhebel 11, 11′ bzw. 12, 12′ aufgebaut ist. Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaus liegt darin, daß im offenen Zustand des Ventils 1 das gesamte Kniehebelsystem außerhalb der Durchflußzone zwischen den beiden Durchlaßkanälen 4 und 5 liegt, damit bei diesem Ventil 1 ein niedriger Strömungs­ widerstand erreicht wird.

Es ist auch möglich, den Führungskörper 21 so zu gestalten, daß er beide Phasen der Bewegung des Schließkörpers 8 bestimmt. In diesem Fall geht die Führungsebene 22 an ihrer vom Ventilsitz weiter entfernten und senkrecht zur Rohrachse liegenden Abschlußlinie in eine konvexe Führungsfläche über, die so gekrümmt ist, daß der Schließkörper 8 in der zweiten-Phase die geforderte Schwenkbewegung ausführt. Die Nase 20 ist in dem Fall nicht erforderlich.

Die beiden Phasen in der Bewegung des Schließkörpers 8 werden auch bei einer Variante des Ventils 1 erreicht, in der im Führungskörper 21 eine Kulisse für das Führungsmittel 23 ausgebildet ist.

Der Anschluß eines Rohrs an den Durchlaßkanal 4 bzw. 5 kann über ein Gewinde oder durch eine Flanschverbindung erfolgen.

Statt des beschriebenen Stellantriebs 14 kann auch ein Stellantrieb mit anderen Wirkprinzipien, beispielsweise ein hydraulischer oder ein pneumatischer Antrieb, dessen Aufgabe übernehmen. Es ist auch möglich, den Stellantrieb 14 als Druckregler auszubilden.

Claims (5)

1. Ventil (1) mit Absperr- und Drosselfunktion mit einem Ge­ häuse (2) mit auf einer gemeinsamen Rohrachse (6) ange­ ordneten Durchlaßkanälen (4; 5), einem fest am Gehäuse (2) angebrachten Ventilsitz (7) und einem Schließkörper (8), der über ein Kniehebelsystem (9) derart betätigbar ist, daß das Kniehebelsystem (9) im offenen Zustand des Ventils (1) zur Erreichung eines niedrigen Strömungs­ widerstandes außerhalb der zwischen den Durchlaßkanälen (4; 5) liegenden Durchflußzone angeordnet ist, wobei das Kniehebelsystem (9) einen am Gehäuse (2) gelenkig veran­ kerten Stützhebel (11), einen mit dem Schließkörper (8) gelenkig verbundenen Schließhebel (12) und einen Stellhebel (13) aufweist und ein vom Stützhebel (11) und vom Schließhebel (12) gebildetes Knie (10) durch den Stellhebel (13) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (21, 22, 23) zur Führung des Schließkörpers (8) angeordnet und derart ausgebildet sind, daß der Schließkörper (8) in einer ersten Bewegungsphase, in der er vom Ventilsitz (7) abhebbar ist, in Richtung der Rohr­ achse (6) geradlinig bewegbar geführt ist, und daß der Schließkörper (8) in einer der ersten Bewegungsphase anschließenden zweiten Bewegungsphase bei teilweise offenem Zustand des Ventils (1) zur Erreichung des voll­ ständig offenen Zustandes ganz aus der Rohrachse (6) schwenkbar ist.

2. Ventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Kniehebelsystem (9) ein Begrenzungsmittel derart ausgebildet ist, daß beim Öffnen des Ventils (1) der Schließhebel (12) in seiner Scherbewegung zum Stützhebel (11) hin begrenzbar ist, wodurch die geradlinige Bewegung des Schließkörpers (8) der ersten Bewegungsphase in die Schwenkbewegung des Schließkörpers während der zweiten Bewegungsphase übergeht.

3. Ventil (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Begrenzungsmittel eine am Stützhebel (11) oder am Schließhebel (12) ausgebildete Nase (20) ist.

4. Ventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (2) ein Führungskörper (21) mit einer Führungsfläche zur Führung eines Führungsmittels (23) des Schließkörpers (8) angeordnet ist, die einen geradlini­ gen, parallel zur Rohrachse verlaufenden und zur Erzeu­ gung der ersten Bewegungsphase des Schließkörpers die­ nenden ersten Bereich und einen gekrümmten zweiten Bereich aufweist, durch dessen Form die Bewegung des Schließkörpers während der zweiten Bewegungsphase be­ stimmt ist.

5. Ventil (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Torsionsfeder (19) derart vorgespannt am Schließhebel (12) und am Stützhebel (11) angebracht ist, daß sie beim Abheben des Schließkörpers (8) vom Ventil­ sitz (7) die Scherbewegung zwischen Schließhebel (12) und Stützhebel (11) unterstützt.