DE4447309C2 - Regelventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelventil gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Ein derartiges Regelventil ist in der US 4 879 901 als bekannt ausgewiesen. Bei diesem bekannten Regelventil sind zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit des Ventils und zur Fehlermeldung an verschiedenen Stellen unterschiedliche Sensoren vorgesehen. Unter anderem wird die Bewegungsgeschwindigkeit einer von dem elektrischen Antriebsmotor bewegten Gewindespindel überwacht, die an ihrem einen Ende ein Gegenelement in Form eines Ventilkörpers trägt. Die Auswertung der verschiedenen Sensorsignale erfordert einen relativ hohen Re­ gelungsaufwand, um die verschiedenen Sensorsignale adäquat zu berück­ sichtigen. So ist angegeben, daß die Geschwindigkeitsinformation der Ventil­ stange in Form der Gewindespindel in Verbindung mit der Information verwend­ bar ist, die sich auf die auf die Ventilstange wirkenden Kräfte bezieht, die mit einem anderen Sensor erfaßt werden.

Die nicht vorveröffentlichte EP 0 637 713 A1 gibt an, den Stellweg einer Ventil­ stange mittels eines Stellungssensors zu erfassen. Bezüglich einer Geschwindig­ keitserfassung macht diese Entgegenhaltung keine Aussage.

Die DE-GM 19 90 860 zeigt bei einem Absperrventil die Anordnung eines Kupp­ lungsmoduls mit einer Federeinheit (Federkupplung) zwischen einer Antriebs­ spindel und einer als Zugspindel ausgebildeten Ventilstange. Die Federkupplung ist mit mindestens einer Nase ausgerüstet, die in geschlossener oder offener Stellung des Schiebers einen Endlagenschalter betätigt, der den Antriebsmotor abschaltet. Bei diesem Ventil ist keine Regelung vorgesehen.

In der DE 41 08 282 A1 ist als Stellglied ein Schrittmotor mit einer zentralen Öffnung offenbart, in die eine Betätigungswelle ragt, die an ihrem anderen Ende den Ventilkörper trägt. Im Innern der zentralen Öffnung des Schrittmotors ist ein Innengewinde ausgebildet, in das ein Außengewinde der Betätigungswelle als Vorschubgewinde eingreift, so daß der Vorschub der Betätigungswelle fest an die Umdrehung des Schrittmotors gebunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Regelventil bereitzustellen, bei dem mit einfachen Maßnahmen eine sichere Funktion erzielt wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist also vorgesehen, daß die Schubstange auf ihrer dem Antriebsmodul zugekehrten Seite in Achsrichtung federnd abgestützt ist und daß die Ge­ schwindigkeit der Schubstange bzw. des von dieser getragenen Gegenelements erfaßt wird. Dazu wird der von der Schubstange bzw. dem Gegenelement zu­ rückgelegte Weg nach der Zeit differenziert. Hierdurch kann der auf der An­ triebsseite der Abstützfeder gelegene Abschnitt der Schubeinheit eine von der Schubstange bzw. dem Gegenelement abweichende Geschwindigkeit erreichen, nämlich sobald das Gegenelement den Ventilsitz erreicht oder die Schubstange bzw. das Gegenelement infolge einer Störung in der Bewegung gehemmt und die Feder beansprucht wird. Die aus dem Unterschied zwischen der Geschwin­ digkeit der Schubstange bzw. des Gegenelements und der vorgegebenen Ge­ schwindigkeit des antriebsseitigen Abschnitts der Schubeinheit gewonnene In­ formation ermöglicht auf einfache Weise eine exakte Regelung des Regelventils. Zum einen kann beispielsweise beim Erreichen des Ventilsitzes das Antriebs­ modul schrittweise in der Umdrehung weiter angesteuert werden, bis das Ge­ genelement mit dem gewünschten Federdruck aufsitzt. Zum andern sind Dia­ gnosemöglichkeiten gegeben, da zum Beispiel ein geringerer Geschwindigkeits­ unterschied von einer fehlerhaften Funktion oder einem Fremdkörper herrühren kann. Hierauf kann das Regelverhalten zum Beispiel durch entsprechende Programmierung leicht abgestimmt und der Antrieb erforderlichenfalls ab­ geschaltet werden. Vielfache Stellglieder und darauf abgestimmte mechanische oder elektrische Steuerungselemente bzw. ein großer Steuerungsaufwand er­ übrigen sich daher durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen.

Hierbei ist vorteilhaft, daß die Schubeinheit eine Schubstange und eine Ge­ windespindel aufweist, die miteinander mittels eines Kupplungsmoduls verbun­ den sind, wobei das Kupplungsmodul eine Federeinheit aufweist, die die Gewin­ despindel gegenüber der Schubstange in Achsrichtung federnd abstützt, und daß das Signalübertragungselement den zurückgelegten Weg der Schubstange erfaßt.

Mittels der Federeinheit kann durch die Verstellung der Gewindespindel gegen­ über der Schubstange eine Erhöhung der Schließkraft bewirkt werden. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, daß die Gewindespindel gegenüber der Schub­ stange schrittweise verstellt wird, und daß aus dem Verstellweg und der Feder­ konstanten des Kupplungsmoduls die erzeugte Schließkraft korreliert und diese über eine Anzeigevorrichtung dargestellt wird. Damit kann der Schließzustand des Regelventils überwacht und gesteuert werden.

Die Anzeigevorrichtung kann beispielsweise auch eine speicherprogrammierbare Steuerung sein, die ebenfalls mit dem Antriebsmodul verbunden ist, so daß eine automatische Steuerung des Regelventils möglich ist.

Ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, daß die Federeinheit vorgespannt so­ wohl die Gewindespindel als auch die Schubstange abstützt, so kann ein dop­ pelt wirkendes Regelventil ausgebildet werden. Bei diesen Regelventilen sind zwei Gegenelemente vorgesehen, die abhängig von der Vorschubrichtung der Schubeinheit entweder den einen oder den anderen Ventilsitz verschließen. Durch die Vorspannung wird bewirkt, daß beim Aufsitzen des Gegenelementes auf dem Ventilsitz eine vordefinierte Schließkraft aufgebracht ist. Es ist auch möglich, diese Art der Abstützung bei einfach wirkenden Regelventilen zu ver­ wenden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Federeinheit in einer Hülse eingesetzt ist, an die die Schubstange angeschlossen ist, daß die Hülse in ein Gehäuse eingesetzt ist, das die Gewindespindel trägt, und daß das Gehäuse mittels Ansätzen gegen die Federeinheit abgestützt ist.

Ein einfacher Aufbau eines Regelventils ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Antriebsmodul ein Getriebemodul nachgeschaltet ist, das die Schubeinheit ver­ schiebt, und daß das Getriebemodul die Regeleinrichtung trägt.

Antriebsmodul, Getriebemodul, Schubeinheit und Regeleinrichtung können als separate Bauteile bzw. Einheiten bereitgestellt werden. Je nach Anforderungen ist es beispielsweise möglich, auch verschiedene Antriebsmodule zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise ist es denkbar, als Antriebsmodul einen Elektromotor oder eine Pneumatikeinrichtung zu verwenden. Durch den modularen Aufbau sind stets alle Teile miteinander kombinierbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein Regelventil mit einem Ventilge­ häuse, auf das ein Antriebsmodul, ein Getriebemodul und eine Schubeinheit aufgesetzt ist, und

Fig. 2 in Seitendarstellung und im Schnitt die Schubeinheit gemäß Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt ein Regelventil mit einem Ventilgehäuse 10, das einen Eintritts­ kanal 13 und einen Austrittskanal 12 aufweist, die jeweils in Rohrleitungs­ flanschen enden. An die Rohrleitungsflansche 11 kann eine weiter­ führende Rohrleitung angeschlossen werden.

Das Ventilgehäuse 10 trägt in seinem Inneren einen Ventilsitz, der mittels eines Gegenelementes verschlossen werden kann. Bei verschlossenem Ventilsitz ist die Verbindung zwischen Eintrittskanal und Austrittskanal unterbrochen. Auf seiner Oberseite weist das Ventilgehäuse 10 einen kreisrunden Anschlußflansch 14 auf, auf den ein Aufsatzteil 15a mit seiner Flanschplatte 15 aufgesetzt und mittels Befestigungsschrauben 16 befestigt ist. Das Aufsatzteil 15a trägt eine Brücke 17, die mit zwei Durchbrüchen versehen ist. In die Durchbrüche sind Längsführungen 18 eingesetzt, die sich vertikal nach oben erstrecken. An der dem Aufsatzteil 15a abgekehrten Seite der Längsführungen ist ein Getriebemodul 50 angekoppelt. Das Getriebemodul 50 selbst trägt ein Antriebsmodul 60. Das Antriebsmodul 60 kann beispielsweise ein Elektromotor sein. Die von dem Elektromotor erzeugte Rotationsbewegung wird in dem Getriebemodul 50 in eine Längsbewegung umgewandelt. Die Längsbewegung wird in eine Schubeinheit eingeleitet. Die Schubeinheit besteht aus einer Gewindespindel 40, die mittels einer Mutter in dem Getriebemodul 50 gehalten ist. Bei Verdrehung der Mutter wird mittels der Gewindespindel 40 eine Vorschubbewegung erzeugt.

Die Gewindespindel 40 geht an ihrem dem Getriebemodul 50 abgekehrten Ende in ein Kupplungsmodul 20 über. Das Kupplungsmodul 50 koppelt eine Schubstange 30a an die Gewindespindel 40. Die Achsen der Gewindespindel 40 und der Schubstange 30a fluchten miteinander. Das Kupplungsmodul 20 weist seitlich Drehmomentstützen 22 auf, die an den Längsführungen 18 geführt sind.

Zur Erfassung der Stellgeschwindigkeit der Schubstange 30a bzw. des Gegenelementes ist ein Ausleger 72 mit der Schubstange 30a fest verbunden. Der Ausleger 72 trägt ein Signalübertragungselement 71, das zu einer Regeleinrichtung 70 geführt ist. Mittels dem Signalübertragungselement 71 kann der zurückgelegte Weg der Schubstange 30a erfaßt werden. In der Regeleinrichtung 70 befindet sich ein Differenzierglied, das den zurückgelegten Weg der Schubstange nach der Zeit differenziert, so daß die Geschwindigkeit der Schubstange 30a bzw. des Gegenelementes erfaßt wird.

Der so erfaßte Geschwindigkeitsverlauf kann ausgewertet werden. Abweichungen oder Erreichung von voreingestellten Geschwindigkeitswerten können erfaßt und von der Regeleinrichtung ausgegeben werden. Diese Informationen können beispielsweise einem Leitstand übermittelt werden, wo das Betriebspersonal die Funktion des Regelventils überwacht. Es ist auch möglich, die Regeleinrichtung 70 an eine speicherprogrammierbare Steuerung anzuschließen, die ihrerseits wieder das Regelventil über das Antriebsmodul 60 steuert.

In Fig. 2 ist das Kupplungsmodul 20 in Seitenansicht und im Schnitt zur Veranschaulichung gezeigt. Die Gewindespindel 40 ist an ihrem Ende mit einem Gewindezapfen 42 versehen. Der Gewindezapfen 42 ist in eine Gewindeaufnahme einer Verschlußplatte 21 eingeschraubt. Gleichzeitig trägt die Verschlußplatte 21 eine Querbohrung, die sich quer zur Längsrichtung der Gewindespindel 40 erstreckt. In diese Querbohrung ist ein Spannstift 41 eingesetzt und durch eine Querbohrung der Gewindespindel 40 geschoben, so daß diese unverdrehbar mit der Verschlußplatte 21 verbunden ist.

Die Schubstange 30 weist ebenfalls endseitig einen Gewindezapfen 32 auf, der in ein Gewinde einer Hülse 80 eingeschraubt ist. Die Fixierung der Schubstange 30a an der Hülse 80 erfolgt ebenfalls mittels eines Spannstiftes 31. Die Hülse ist im wesentlichen topfförmig ausgebildet und zu ihrer Oberseite hin offen. Auf den Boden der Hülse ist eine untere Scheibe 90b aufgelegt. Auf die untere Scheibe 90a sind mehrere Tellerfedern aufgeschichtet, die eine Federeinheit 91 bilden. Die unterste Tellerfeder stützt sich an ihrem Außenumfang auf der unteren Scheibe 90b ab. Auf die obere Tellerfeder ist eine obere Scheibe 90a aufgelegt. Die obere Scheibe 90a und die obere Tellerfeder berühren sich linienförmig an dem Außenumfang der oberen Tellerfeder.

Die offene Seite der Hülse 80 ist mit einem Deckel 83 verschlossen. Der Deckel 83 kann beispielsweise mit der Hülse 80 verschraubt sein. Die aus den Tellerfedern bestehende Federeinheit ist in dem von der Hülse 80 und dem Deckel eingeschlossenen Rahmen vorgespannt eingesetzt.

Die aus Hülse 80, Federeinheit 91, Scheiben 90a, 90b und Deckel 83 gebildete Einheit ist in ein Gehäuse 23 eingesetzt. In diesem Gehäuse 23 kann die Hülse 80 in Längsrichtung verschoben werden. Das Gehäuse 23 ist ebenfalls topfförmig ausgebildet und weist an seinem Boden 26 einen Durchbruch 27 auf, durch den ein Vorsprung 82 der Hülse 80 hindurchgeführt ist. Der Vorsprung 82 trägt die Schubstange 30a. Bei eingesetzter Hülse 80 kann das Gehäuse 23 mittels der Verschlußplatte 21 verschlossen werden. Um zu gewährleisten, daß die Achsen der Gewindespindel 40 und der Schubstange 30a miteinander fluchten, ist eine Zentrierung 43 vorgesehen, die die Verschlußplatte 21 zu dem Gehäuse 23 zentriert.

In den Boden 26 des Gehäuses 23 sowie in die Verschlußplatte 21 sind Bohrungen eingebracht, in die als Bolzen ausgebildete Ansätze 44 bzw. 24 eingesetzt und darin festgeschweißt sind. Die Ansätze 44 ragen in den von dem Gehäuse 23 umschlossenen Raum und in Bohrungen 81 der Hülse 80.

Das in der Fig. 2 veranschaulichte Beispiel zeigt den Zustand des Kupplungsmoduls 20 bei auf dem Ventilsitz aufgesetzten Gegenelement. In diesem Zustand wirken die durch die Pfeile veranschaulichten Kräfte auf das Kupplungsmodul. Der untere Pfeil zeigt die Kraft, die von dem Ventilsitz auf das Gegenelement und damit auf die Schubstange 30a bewirkt wird. Der obere Pfeil zeigt die Kraft, die von dem Antriebsmodul 60 eingeleitet wird. Infolge dieser Kraftrelation wird die Hülse 80 in dem Gehäuse 23 derart verschoben, daß der Deckel 23 gegen die Unterseite der Verschlußplatte 21 gedrückt wird. Die Unterseite der Verschlußplatte 21 bildet somit einen oberen Anschlag 45. Die Bolzen 44, die in die Verschlußplatte 21 eingesetzt sind, drücken auf die obere Scheibe 90a, so daß die Federeinheit 91 gestaucht wird. Die von der Federeinheit 91 gespeicherte Kraft entspricht somit der Kraft, die durch die Pfeile angedeutet ist. Diese Federkraft entspricht der Schließkraft des Ventils. Abhängig vom Vorschubweg der Schubeinheit 30 kann die Verschlußkraft variiert werden. Eine geringere Schließkraft kann dann erzeugt werden, wenn der Deckel 83 nicht gegen den oberen Anschlag 45 gefahren wird, sondern in eine Zwischenstellung.

Zum Öffnen des Ventils wird die Gewindespindel 40 über das Antriebs- und das Getriebemodul nach oben gezogen. Hierdurch wandert die Hülse 80 in dem Gehäuse 23 nach unten. Die Schließkraft wird schrittweise abgebaut, bis das Gegenelement kraftlos auf dem Ventilsitz aufsitzt. Von dieser Stellung aus kann das Gegenelement mittels der Gewindespindel 40 von dem Ventilsitz abgehoben werden. Bei dem vorliegenden Regelventil handelt es sich um ein doppelt wirkendes Regelventil. Das bedeutet, daß das Gegenelement einen weiteren Ventilsitz versorgt. Ist das Gegenelement von dem einen Ventilsitz abgehoben, so bewirkt eine weitere Verschiebung mittels der Gewindespindel 40 ein Aufsetzen des Gegenelementes auf den zweiten Ventilsitz. Diese Verfahrbewegung kann ebenfalls mit der Geschwindigkeitsüberwachung geregelt werden. Bei aufsitzendem Gegenelement verschiebt sich die Hülse 80 in dem Gehäuse 23 nach unten, bis sie auf einem unteren Anschlag 25 des Bodens 26 des Gehäuses 23 aufsitzt. Hierbei treten die Ansätze 24 durch Bohrungen 81 in die Hülse 80 ein und stauchen über die untere Scheibe 90b die Federeinheit 91.

In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Tellerfedern verwendet. Es ist aber auch möglich, bei hohen Kräften Ringfedern oder dgl. einzusetzen.

Claims (5)

1. Regelventil mit einem Ventilgehäuse, das einen Ventilsitz aufweist, der mittels eines an einer Schubeinheit angeordneten Gegenelementes ver­ schließbar ist, wobei die Schubeinheit eine federnd abgestützte Schub­ stange aufweist und an ein elektrisches Antriebsmodul angeschlossen ist, mittels der das Gegenelement relativ zum Ventilsitz verstellbar ist, wobei die Verstellbewegung des Gegenelementes mittels einer Regeleinrichtung regelbar ist und wobei die Regeleinrichtung ein Signalübertragungs­ element aufweist, das den von der Schubeinheit zurückgelegten Weg er­ faßt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schubstange (30a) auf ihrer dem Antriebsmodul (60) zugekehrten Seite in Achsrichtung federnd abgestützt ist und
daß ein Differenzierglied den von der Schubstange (30a) oder dem Ge­ genelement zurückgelegten Weg zur Erfassung der Geschwindigkeit nach der Zeit differenziert.

2. Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubeinheit (30) eine Schubstange (30a) und eine Gewinde­ spindel (40) aufweist, die miteinander mittels eines Kupplungsmoduls (20) verbunden sind, wobei das Kupplungsmodul (20) eine Federeinheit (91) aufweist, die die Gewindespindel (40) gegenüber der Schubstange (30) in Achsrichtung federnd abstützt.

3. Regelventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinheit (91) vorgespannt sowohl die Gewindespindel (40) als auch die Schubstange (30) abstützt.

4. Regelventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Federeinheit (91) in einer Hülse (80) eingesetzt ist, an die die Schubstange (30) angeschlossen ist,
daß die Hülse (80) in ein Gehäuse (23) eingesetzt ist, das die Gewinde­ spindel (40) trägt, und
daß das Gehäuse (23) mittels Ansätzen gegen die Federeinheit (91) abge­ stützt ist.

5. Regelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Antriebsmodul (60) ein Getriebemodul (50) nachgeschaltet ist, das die Schubeinheit verschiebt, und
daß das Getriebemodul (50) die Regeleinrichtung (70) trägt.