DE102013011041A1 - Valve - Google Patents
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Abstract
Ein besonders vorteilhaft gestaltetes Ventil, bei dem die gewünschte Gegenkraft auf den zu bewegenden Ventilaktuator (4) aus einem Druckreservoir (10), wie beispielsweise der Einlassdruckzuführung oder die Auslassdruckabführung einer Expansionsmaschine oder eines Kompressors, in einfacher Weise erzeugt werden kann, indem der Druck des Reservoirs rückseitig in den Aktuatorantrieb (8) eingebracht wird.A particularly advantageously designed valve in which the desired counterforce on the valve actuator (4) to be moved can be generated in a simple manner from a pressure reservoir (10), such as the inlet pressure inlet or the outlet pressure outlet of an expansion machine or a compressor, by the pressure of the Reservoirs back into the actuator drive (8) is introduced.
Description
Die Erfindung betrifft einen besonders vorteilhaften Aufbau eines Ventils, welches sich prinzipiell sowohl für flüssige als auch gasförmige Medien eignet, aber vorrangig für die Verwendung von gasförmige Medien gedacht ist, insbesondere zur Befüllung von Gas-Expansionsmaschinen oder Kompressoren.The invention relates to a particularly advantageous construction of a valve, which is suitable in principle for both liquid and gaseous media, but is primarily intended for the use of gaseous media, in particular for filling gas expansion engines or compressors.
Mit der Erfindung soll erreicht werden, dass die bei der Befüllung oder Entleerung von Füllräumen, insbesondere von Zylinderräumen, die aufzubringenden Ventilkräfte, welche aus der Differenz zwischen dem Einlass-, bzw. Auslass- und dem Füllraumdruck entstehen, über eine erfindungsgemäß gestaltete Gegenkraft kompensiert werden.With the invention, it is to be achieved that the valve forces to be applied during the filling or emptying of filling spaces, in particular cylinder spaces, which arise from the difference between the inlet, outlet and filling space pressure are compensated by means of an opposing force designed according to the invention ,
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Kräftekompensation liegt darin, dass damit die zu generierenden Spitzenkräfte des Aktuatorantriebs reduziert werden können, welche zur Überwindung der auf den Ventilaktuator wirkenden Summe aus Beschleunigungs-, Druck-, Strömungs-, Gewichts-, und Reibungskräfte erforderlich ist.The advantage of the force compensation according to the invention is that it can be used to reduce the peak forces of the actuator drive to be generated, which is required to overcome the force acting on the valve actuator sum of acceleration, pressure, flow, weight, and frictional forces.
Die erforderlichen Antriebsspitzenkräfte bestimmen im starken Maße die Energieverluste, die geometrischen Abmaße, die Materialkosten, das Aktuatorgewicht und damit die dynamischen Eigenschaften des Ventils, insbesondere die Ventilöffnungs- und Schließzeiten.The required drive peak forces strongly determine the energy losses, the geometrical dimensions, the material costs, the actuator weight and thus the dynamic properties of the valve, in particular the valve opening and closing times.
Ein bekannte Möglichkeit zur Kompensation der auf den Ventilaktuator wirkende Spitzenkräfte wird beispielsweise durch eine mech. Federanordnung realisiert, welche die Gegenkraft mittels einer von der Ventilposition abhängigen Federkraft auf den Aktuator überträgt.A known way of compensating the forces acting on the valve actuator peak forces, for example, by a mech. Realized spring arrangement which transmits the opposing force by means of a dependent of the valve position spring force on the actuator.
Das Problem hierbei ist, dass die Federkraft lediglich von der Ventilposition abhängig ist und daher während des Betriebs nur unter großen Aufwand veränderbar gestaltet werden kann, um beispielsweise auf sich ändernde Betriebsbedingungen, wie etwa Druckschwankungen im Einlassraum oder im Füllraum, reagieren zu können.The problem here is that the spring force is only dependent on the valve position and therefore can be made changeable during operation only with great effort, for example, to be able to react to changing operating conditions, such as pressure fluctuations in the inlet chamber or in the filling.
Dieses Problem wird gemäß der Erfindung durch einen Ventilaufbau mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This problem is solved according to the invention by a valve assembly having the features of claim 1.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die gewünschte Gegenkraft auf den zu bewegenden Ventilaktuator aus einem Druckreservoir, wie beispielsweise der Einlassdruckzuführung oder die Auslassdruckabführung einer Expansionsmaschine oder eines Kompressors, in einfacher Weise erzeugt werden kann, indem der Druck des Reservoirs rückseitig in den Aktuatorantrieb eingebracht wird.The invention is based on the recognition that the desired counterforce on the valve actuator to be moved from a pressure reservoir, such as the inlet pressure supply or the outlet pressure discharge of an expansion machine or a compressor, can be generated in a simple manner by the pressure of the reservoir introduced into the back of the actuator drive becomes.
Dazu ist es notwendiger Weise erforderlich, dass der Aktuatorantrieb von einem nach außen abgedichteten Gehäuse, welches hier als Aktuatorantriebsraum bezeichnet wird, umgeben ist und mit dem Druckreservoir in Verbindung steht.For this purpose, it is necessary necessarily that the actuator drive is surrounded by an outwardly sealed housing, which is referred to here as Aktuatorantriebsraum, and is in communication with the pressure reservoir.
Eine enge lineare Führung des Ventilschafts stellt dabei das dichtendes Element zwischen dem Aktuatorantriebsraum und der Einlasszufuhrraum dar, wobei über die Querschnittsfläche des Ventilschafts, welche die Wirkfläche des Drucks auf den Aktuator darstellt, und des Drucks im Druckreservoir die Gegenkraft gebildet wird.A close linear guide of the valve stem is the sealing element between the Aktuatorantriebsraum and the inlet supply chamber, wherein over the cross-sectional area of the valve stem, which is the effective area of the pressure on the actuator, and the pressure in the pressure reservoir, the counterforce is formed.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description and from the accompanying drawings, to which reference is made. In the drawings show:
Der erfindungsgemäße Ventilaufbau besteht aus einem Aktuator, einem Einlassraum, einem Füllraum und einem Aktuatorantriebsraum, welcher von einem zur Umgebung dichten Gehäuse umgeben und mit einen beliebigen Druckreservoir verbunden ist.The valve assembly according to the invention consists of an actuator, an inlet space, a filling space and an actuator drive space, which is surrounded by a sealed housing to the environment and connected to an arbitrary pressure reservoir.
Eine enge Aktuatorführung des Ventilschafts, stellt dabei ein dichtendes Element zwischen dem Einlassraum und dem Aktuatorantriebsraum dar. Der Reservoirs-Druck und die Druckwirkfläche der Aktuatorführung, welche der Querschnittsfläche des Ventilschafts entspricht, bestimmen somit die erfindungsgemäß gestaltete Gegenkraft.A close actuator guide of the valve stem, in this case represents a sealing element between the inlet space and the Aktuatorantriebsraum. The reservoir pressure and the pressure acting surface of the actuator guide, which corresponds to the cross-sectional area of the valve stem, thus determine the invention designed counterforce.
Der Ventilsitz und der Ventilkopf bilden im geschlossenen Zustand ein dichtendes Element zwischen dem Einlassraum und dem Füllraum. Die Differenz aus Einlass- und Füllraumdruck bildet dabei im Zusammenspiel mit der Ventilsitzquerschnittsfläche die zu kompensierende Druckkraft auf den Aktuator.When closed, the valve seat and the valve head form a sealing element between the inlet space and the filling space. The difference between the inlet and filling chamber pressure forms, in interaction with the valve seat cross-sectional area, the compressive force to be compensated for the actuator.
Bei einer Auslassventil-Anwendung ist der Druck im Füllraum überwiegend höher ist als im Einlassraum. Um die gewünschte Selbstschließwirkung zu erzielen, wird der Ventilsitz und der Ventilkopf in Richtung Füllraum breiter.In the case of an exhaust valve application, the pressure in the filling space is predominantly higher than in the inlet space. In order to achieve the desired self-closing effect, the valve seat and the valve head in the direction of filling space is wider.
Bei einer Einlassventil-Anwendungen ist der Druck im Füllraum überwiegend niedriger ist als im Einlassraum. Um die gewünschte Selbstschließwirkung zu erzielen, verjüngt sich der Ventilsitz und der Ventilkopf sich in Richtung Füllraum.In an intake valve application, the pressure in the filling space is predominantly lower than in the inlet space. To achieve the desired self-closing effect, the valve seat and the valve head tapers in the direction of the filling space.
Der Aktuatorantrieb kann prinzipiell aus allen bekannten Antriebsarten zur Erzeugung einer linearen Bewegung, wie beispielsweise einer el. magn., hydraulischen, pneumatische, oder thermodynamischer Antriebsart, erzeugt werden, vorzugsweise jedoch aus dem einfach und schnell zu kontrollierenden el. magn. Antrieb mittels eines Linearmotors.The actuator drive can be generated in principle from all known drive types for generating a linear movement, such as a el. Magn., Hydraulic, pneumatic, or thermodynamic drive, but preferably from the easy and fast to control el. Magn. Drive by means of a linear motor.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Querschnittsfläche der Aktuatorführung im Verhältnis zur Wirkfläche des Ventilsitzes so gewählt ist, dass sich die Drücke des Füllraums und des Reservoirs kompensieren. Die Querschnittsfläche der Aktuatorführung stellt die Druckwirkfläche des Aktuators dar. Beaufschlagt mit dem Druck des Druckreservoirs ergibt sich eine Druckkraft, die entgegengesetzt zu der resultierende Kraft aus dem Druck im Füllraum und der Wirkfläche des Ventilsitzes wirkt. Insbesondere können dadurch Gewichts- oder Strömungskräfte oder eine aus entgegengesetzten Drücken resultierenden Kraft kompensiert werden. Eine völlige Kompensation der Druckkräfte ergibt sich beispielsweise, wenn die Drücke des Füllraums und des Reservoirs und die Querschnittsflächen des Aktuators und der Ventilführung gleich sind.A particular advantage arises when the cross-sectional area of the actuator guide in relation to the effective area of the valve seat is chosen such that the pressures of the filling space and the reservoir compensate each other. The cross-sectional area of the actuator guide represents the pressure acting surface of the actuator. Influenced by the pressure of the pressure reservoir results in a pressure force which acts opposite to the resulting force from the pressure in the filling space and the effective area of the valve seat. In particular, weight or flow forces or a force resulting from opposite pressures can thereby be compensated. A complete compensation of the pressure forces results, for example, when the pressures of the filling space and the reservoir and the cross-sectional areas of the actuator and the valve guide are the same.
Prinzipiell kann auch eine Feder, beispielsweise ein mechanische Feder oder eine Gasfeder, welche eine Kraft auf den Aktuator überträgt, die Aktuatorbewegung unterstützend beeinflußen, insbesondere zur Kompensation von Gewichts- oder Strömungskräften oder eine aus entgegengesetzten Drücken resultierenden Kraft.In principle, a spring, for example a mechanical spring or a gas spring which transmits a force to the actuator, can also influence the actuator movement, in particular for the compensation of weight or flow forces or a force resulting from opposite pressures.
Von weiterem Vorteil ist es, wenn der Aktuator so geformt ist, dass Druck- und Strömungskräfte, welche durch das einströmende Gas entstehen und die Aktuatorbewegung beeinflussen, möglichst vermieden werden. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, indem der Ventilkopf nicht breiter ist als der beströmte Teil des Aktuatorschafts.It is a further advantage if the actuator is shaped in such a way that pressure and flow forces which are created by the inflowing gas and influence the actuator movement are avoided as far as possible. This can be realized in particular in that the valve head is not wider than the flowed-through part of the Aktuatorschafts.
Um die Trägheit des Aktuator möglichst gering zu halten, ist es wünschenswert das Gewicht des Aktuators zu minimieren. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von Leichtmetallen oder durch Aushöhlung des Aktuators erreicht werden.In order to minimize the inertia of the actuator, it is desirable to minimize the weight of the actuator. This can be achieved for example by the use of light metals or by erosion of the actuator.
Ein besonderer Vorteil entsteht, wenn der der Aktuatorantriebsraum. in direkter Druck dichter Verbindung mit dem Füllraum steht. Somit findet ein dynamischer Druckausgleich zwischen den beiden Räumen statt, welcher die Aktuatorbewegung unterstützend beeinflusst. Insbesondere können dadurch Gewichts- oder Strömungskräfte oder eine aus entgegengesetzten Drücken resultierenden Kraft kompensiert werden.A particular advantage arises when the actuator drive space. is in direct pressure tight connection with the filling space. Thus, there is a dynamic pressure equalization between the two spaces, which supports the actuator movement supportive. In particular, weight or flow forces or a force resulting from opposite pressures can thereby be compensated.
Vorzugsweise wird die Druck dichte Verbindung des Aktuatorantriebsraums mit dem Füllraum direkt über eine Bohrung längs durch den Ventilschaft und den Ventilkopf realisiert wird.Preferably, the pressure-tight connection of the Aktuatorantriebsraums with the filling space is realized directly through a bore longitudinally through the valve stem and the valve head.
Bei Auslassventil-Anwendungen in denen der Druck im Füllraum überwiegend höher ist als im Einlassraum ist, kann die gewünschte Selbstschließfunktion dadurch erreicht werden, in dem die Druckwirkfläche des Aktuators größer ist als die Wirkfläche des Ventilsitzes.In exhaust valve applications in which the pressure in the filling space is predominantly higher than in the inlet space, the desired self-closing function can be achieved in that the pressure-acting surface of the actuator is greater than the effective area of the valve seat.
Umgekehrt kann bei Einlassventil-Anwendungen in denen der Druck im Füllraum überwiegend niedriger ist als im Einlassraum, die gewünschte Selbstschließfunktion dadurch erreicht werden, in dem die Druckwirkfläche des Aktuators kleiner ist als die Wirkfläche des Ventilsitzes.Conversely, in intake valve applications in which the pressure in the filling space is predominantly lower than in the inlet space, the desired self-closing function can be achieved in that the pressure-acting surface of the actuator is smaller than the effective area of the valve seat.
Um die Kompression einer Expansionsmaschine oder Kompressors nicht zu verschlechtern, ist es von Vorteil den Gas-Ausgleichstrom zwischen dem Füllraum und dem Aktuatorantriebsraum zu minimieren. Dies kann insbesondere durch die Reduzierung des Hubraums des Aktuatorantriebsraums auf den max. Ventilhub unerreicht werden.In order not to degrade the compression of an expansion machine or compressor, it is advantageous to minimize the gas balance flow between the fill space and the actuator drive space. This can in particular by reducing the displacement of the Aktuatorantriebsraums on the max. Valve lift can not be achieved.
Eine weitere Möglichkeit besteht durch das Einbringen einer am Ventildeckel statisch befestigten Säule, welche das Gasvolumen in der zur Gewichtsreduzierung angebrachten Aktuatorbohrung verringert. Eine weitere Möglichkeit besteht durch einen hermetischen Verschluß der gewichtseinsparenden Ventilaktuatorbohrung, ohne dass dabei die Druckausgleichsbohrung unterbunden wird.Another possibility is by introducing a statically fixed column on the valve cover, which reduces the gas volume in the attached to reduce weight actuator bore. Another possibility is a hermetic closure of the weight-saving Ventilaktuatorbohrung, without causing the pressure compensation hole is prevented.
Um beispielsweise kostengünstige Magnetringe mit geringen Außendurchmesser einsetzen zu können, ist es wünschenswert, die Aktuatorquerschnitt innerhalb des Antriebsraums zu verringern. Dieser kann im Antriebsraum außerhalb der Reichweite der Aktuatorführung verjüngt werden, ohne dass dadurch eine Druckwirkfläche entsteht, welche die Aktuatorbewegung ungünstig beeinflusst. Die Druckwirkffläche wird lediglich durch die Querschnittsfläche der Aktuatorführung gebildet. Auch kann dadurch der Hubraums des Aktuatorantriebsraums weiter reduziert werden um den Druckausgleichsgasfluß zu minimieren. Prinzipiell kann Aktuatorquerschnitt innerhalb des Antriebsraums auch verbreitert werden, falls dadurch ein Vorteil entsteht.For example, to use inexpensive magnetic rings with small outer diameter, it is desirable to reduce the Aktuatorquerschnitt within the drive space. This can be tapered in the drive space outside the range of the actuator guide, without creating a pressure acting surface, which adversely affects the actuator movement. The Druckwirkffläche is formed only by the cross-sectional area of the actuator guide. Also, thereby the displacement of the Aktuatorantriebsraums can be further reduced to minimize the Druckausgleichsgasfluß. In principle, actuator cross section within the drive space can also be broadened, if this creates an advantage.
Um die Gasmenge zum Druckausgleich weiter zu minimieren, bzw. um eine direkte Beströmung der Magnete mit dem Gas zu vermeiden, ist es vorteilhaft einen Druckausgleichsraum zu schaffen, welcher durch eine weitere Aktuatorführung zum Aktuatorantriebsraum hin abgegrenzt wird. Der Füllraum steht in direkter Verbindung zu einem Druckausgleichsraum. Die Druckkraft des Füllraums wird somit ebenfalls rückseitig auf den Aktuator übertragen.In order to further minimize the amount of gas for pressure equalization, or to avoid a direct flow of the magnets with the gas, it is advantageous to provide a pressure compensation chamber, which is delimited by a further actuator guide to Aktuatorantriebsraum out. The filling space is in direct connection to a pressure equalization room. The pressure force of the filling space is thus also transferred back to the actuator.
Bei Auslassventil-Anwendungen, in denen der Druck im Füllraum überwiegend höher ist als im Einlassraum ist, kann die gewünschte Selbstschließfunktion dadurch erreicht werden, in dem die Druckwirkfläche der zusätzlichen Aktuatorführung im Druckausgleichsraum größer ist als die Wirkfläche des VentilsitzesIn exhaust valve applications in which the pressure in the filling space is predominantly higher than in the inlet space, the desired self-closing function can be achieved in that the pressure acting surface of the additional actuator guide in the pressure compensation chamber is greater than the effective area of the valve seat
Umgekehrt kann bei Einlassventil-Anwendungen, in denen der Druck im Füllraum überwiegend niedriger ist als im Einlassraum, die gewünschte Selbstschließfunktion dadurch erreicht werden, in dem die Druckwirkfläche der zusätzlichen Aktuatorführung im Druckausgleichsraum kleiner ist als die Wirkfläche des Ventilsitzes.Conversely, in the case of inlet valve applications in which the pressure in the filling space is predominantly lower than in the inlet space, the desired self-closing function can be achieved in that the pressure acting surface of the additional actuator guide in the pressure compensation chamber is smaller than the effective area of the valve seat.
Um bei sehr hohen Gastemperaturen den Aktuatormagneten vor unnötiger Erwärmung und der dabei verbundenen Entmagnetisierung zu schützen, sind gezielte konstruktive Maßnahmen am Aufbau des Ventils sinnvoll. Dies kann beispielsweise mit einer thermischer Isolierung des Aktuatormagneten gegen den Aktuator, mit einer thermischer Isolierung des Aktuatorantriebsraumgehäuses gegenüber den Ventilkörper, mit Kühlrippen- oder körpern am Ventilgehäuse, einer aktive Kühlung von Teilen des Ventilgehäuses, mit einer thermischer Isolierung des Aktuatorantriebsraumgehäuses gegen das Druckausgleichsraumgehäuse und/oder durch eine thermischer Isolierung möglichst aller nicht reibungsbeaufschlagten Oberflächen des Aktuators, des Ventilkörpers oder des Aktuatorantriebsraumgehäuses erreicht werdenIn order to protect the actuator magnet from unnecessary heating and the demagnetization associated with it at very high gas temperatures, targeted constructive measures on the construction of the valve are useful. This may be, for example, thermal insulation of the actuator magnet against the actuator, thermal isolation of the actuator drive housing from the valve body, cooling fins or bodies on the valve housing, active cooling of parts of the valve housing, thermal insulation of the actuator drive housing against the surge chamber housing, and / or. or by a thermal insulation as possible all non-friction surfaces of the actuator, the valve body or the Aktuatorantriebsraumgehäuses be achieved
Bei mit Schmutzpartikel belasteten Gasen, können sich Schutzpartikel in der Aktuatorführung oder im Aktuatorantriebsraum ablagern und Funktionen des Ventils blockieren. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn ein unbedenkliches, günstiges und partikelarmes Inertgas (beispielsweise Stickstoff) mit Überdruck durch den Aktuatorantriebsraum und der Aktuatorführung in den den Einlassraum gebracht wird und somit den Antriebsraum und die Aktuatorführung rein hält.For contaminated gases, protective particles may be deposited in the actuator guide or in the actuator drive space and block functions of the valve. Therefore, it is advantageous if a harmless, inexpensive and low-particle inert gas (for example nitrogen) is brought into the inlet space with overpressure through the actuator drive space and the actuator guide and thus keeps the drive space and the actuator guide clean.
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Cited By (2)
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WO2022243409A1 (en) * | 2021-05-19 | 2022-11-24 | Hoerbiger Wien Gmbh | Shutoff valve for a piston compressor |
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2013
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