DE3704504C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektromagnetisches Ventil mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Aus der DE-OS 34 24 913 ist ein elektromagnetisches Ventil für Blutdruckmeßge­ räte bekannt. In einem hohlzylindrischen Magnetjoch befindet sich eine Spule, deren hohlzylindrischer Magnetkern eine Lufteintrittsöffnung und eine Luftaus­ trittsöffnung hat. Vor der Luftaustrittsöffnung ist eine sternförmige Membran aus magnetischem Material angeordnet, die auf ihrer der Luftaustrittsöffnung zugewandten Seite eine Dichtungsscheibe trägt. Für den erwähnten Einsatzzweck mag diese Konstruktion durchaus genügen. Ein Ventil dieser Bauart ist jedoch für den Einsatz in Vakuumanlagen, insbesondere in Hochvakuumanlagen, nicht ver­ wendbar. Das Gehäuse ist nicht dicht, die elektromagnetische Spule ist direkt dem Medium ausgesetzt, ebenso die Kabelzuführung. Die Drähte der Wick­ lung bzw. deren Lackisolation gast im Medium ab und zerstört das Vakuum.

Die DE-OS 32 27 613 zeigt und beschreibt ein Magnetventil mit einem beweglichen Anker zur Betätigung des Ventils und magnetischen Einrichtungen zum Bewegen des Ankers gegen die magnetische Einrichtung hin. Zur Aufrechterhaltung eines nicht magnetischen Spaltes zwischen der magnetischen Einrichtung und dem Anker ist ein nicht magnetisches Material auf einem Abschnitt des Ankers vorgesehen. Das Gehäuse, das diese ventilaktiven Elemente umschließt, ist vielteilig und aus blechartigen gebördelten Teilen zusammengefügt, wobei noch zwischen einzelnen Teilungen Dichtungsschnüre und Dichtungsringe eingelegt sind. Zwischen der Stirnseite der Erregerspule und dem Anker ist ein Abstand oder Luftspalt, des­ sen Länge etwa der halben Länge der Wicklung selbst entspricht, ferner ist hier kein ferromagnetischer Körper vorhanden, der für einen kontrollierten Rück­ schluß des erregten Feldes sorgt. Aufgrund der hier ersichtlichen Konstruktion können auf den Anker nur relativ bescheidene Dichtkräfte ausgeübt werden, abge­ sehen davon, daß die Vielteilung des Gehäuses die Verwendung dieses Ventiles im Vakuum ausschließt, vor allem dann, wenn äußere Kräfte auf die Rohrabschnit­ te einwirken und auf das Ventilgehäuse Biegebeanspruchungen ausgeübt werden.

Auch das in der US-PS 41 96 751 gezeigte Ventil, dessen Erregerwicklung zwar einen Topf aus ferromagnetischem Material für die kontrollierte Führung des Erregerfeldes besitzt, ist für den Einsatz im Hochvakuum nicht geeignet, da die Stirnfläche der Spule direkt im Ventilraum liegt. Auch hier gibt die Iso­ lation der Wicklung Gase an das Vakuum ab. Dadurch wird das Vakuum zerstört. Darüber hinaus wird es kaum möglich sein, die Gewindeverbindung zwischen dem einen Gehäuseteil und dem anderen Gehäuseteil dieses vorbekannten Ventils vakuumdicht abzudichten. Und auch bei dem aus der DE-OS 22 46 624 bekannten Ventil ist der Spulenkörper der Erregerwicklung vom Ventildurchgangsraum nicht abgeschlossen und nicht abschließbar, so daß auch dieses Ventil für Vakuuman­ lagen unbrauchbar ist.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein elektromagnetisch betätigtes Ventil der eingangs genannten Art bei Gaszentrifugen im Zusammenhang mit Urananreicherungs­ anlagen einzusetzen. Eine solche Zentrifuge ist mit drei Leitungen verbunden, eine Leitung für das trennende Gasgemisch, die beiden anderen Leitungen für die voneinander getrennten Gasteile. Eine solche Zentrifuge läuft unter Vakuum und in Kaskadenschaltung, d.h., bei betriebsmäßig genutzten Anlagen dieser Art sind mehrere tausend solcher Zentrifugen vorhanden. Der Rotor der Zentrifuge läuft hochtourig (ca. 40 000 Umdrehungen pro Minute), der Rotordurchmesser beträgt ca. 140 mm und ist 3800 mm hoch. Falls ein Rotor einer solchen Zentrifuge innerhalb der mehrere tausend Zentrifugen umfassenden Kaskade abstürzt, wie die Fachleute einen solchen Störfall nennen, dann entsteht in dieser Zentrifuge eine Druckwelle, die sich sehr rasch fortpflanzt und nach Art eines Domino- Effektes alle anderen Zentrifugen zusammenstürzen läßt, sofern nicht entsprechende Sicherungsmaßnahmen gegen die Fortpflanzung dieser Druckwelle vorgesehen werden. Diese Sicherungsmaßnahme hat das elektromagnetisch betätigte Ventil zu übernehmen. Um dieser sehr schwierigen Aufgabe gerecht zu werden, müssen diese Ventile Spezifikationen erfüllen, wie sie durch die vorbekannten Konstruktionen nicht gegeben sind. Das eigentliche Ventilgehäuse muß vakuumdicht sein und es muß daher so wenig wie möglich Konstruktionsfugen und Konstruktionstrennebenen besitzen; die Erregerspule muß vom eigentlichen Ventilraum abgeschlossen sein, andererseits soll, um rasche Schließgeschwindigkeiten zu erhalten (kleiner als 25 ms) die Spule sehr klein sein, um ihre Zeitkonstante gering zu halten, die für die Ansprechzeit der Spule maßgebend ist; dennoch soll mit einer kleinen Spule eine hohe Schließkraft erhalten werden, so daß ein kleiner Luftspalt zwi­ schen Spule und Anker vorzusehen ist, um zu vermeiden, daß im Störfall Prozeß­ gas austreten kann. Die Lösung dieser komplexen Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch die Kombination jener, teils an sich bekannter Maßnahmen, die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführt sind. Ein Ventil dieser Bau­ art erfüllt jene Spezifikationen, die oben erläutert worden sind, so daß ein solches Ventil als Sicherheitsventil bei Zentrifugen für Urananreicherungsan­ lagen eingesetzt werden kann. Die Spule ist vom eigentlichen Durchgangsraum abgeschlossen und kleingehalten, der Magnetfluß ist kontrollierbar, die Gehäuse­ wand, die zwischen Anker und Spule liegt, ist relativ dünn und durch die Über­ wurfmutter kann trotzdem ein in sich stabiles Konstruktionselement erhalten werden, welches Schwingungen und Erschütterungen und Biegebeanspruchungen auf­ nehmen kann, ohne daß die elektromagnetischen Spezifikationen dadurch in Mit­ leidenschaft gezogen oder beeinträchtigt würden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Um die Erfindung zu veranschaulichen, werden Ausführungsbeispiele derselben anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Ventils im Längsschnitt;

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Linie II-II in der Fig. 1;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Ventils im Längsschnitt.

Ein erstes Rohrstück 1 besitzt an seinem einen Ende eine Anschlußmuffe 2, einen Anschlußflansch oder ein Anschlußgewinde, mit welchem es an eine Rohrleitung an­ schließbar ist. An seinem inneren Ende, das als Ventilsitz 3 ausgebildet ist, hat dieses Rohrstück 1 eine schirm- oder flanschartige Erweiterung 4 von relativ geringer Wandstärke. Außen trägt diese Erweiterung 4 einen Rand 5. Die innere Mündungsöffnung dieses Rohrstückes 1, die den Ventilsitz 3 bildet, besitzt noch einen stufenartigen Absatz 6. Über einen Teil dieser Länge ist an der Außen­ seite dieses Rohrstückes 1 noch ein Außengewinde 7 eingearbeitet. Dieses Rohr­ stück 1 und seine erwähnten Teile sind aus magnetisch nicht leitendem Material beispielsweise aus Aluminium gefertigt.

Parallel zur Ebene dieser Erweiterung 4 ist hier ein scheibenförmiger Anker 8 vorgesehen, dessen Haupterstreckungsebene rechtwinkelig zur Zeichenebene in Fig. 1 steht. In seinem Mittelbereich trägt dieser scheibenförmige Anker 8 eine Vertiefung, in die das Verschlußglied 9 eingesetzt ist, das einen zentralen vorspringenden Zapfen 10 trägt. Dieses Verschlußglied ist aus geeignetem Material gefertigt, wie es für solche Verschluß­ glieder verwendet wird und dessen besondere Eigenschaften ab­ hängig sind von der Art der Medien, die dieses Ventil durch­ strömen. Der Außendurchmesser des kreisscheibenförmigen Ankers 8 ist kleiner als der Innendurchmesser des vom Rand 5 begrenzten zylindrischen Raumes 11, so daß dieser Anker 8 allseitig von der Innenwand des Randes 5 distanziert ist.

In dieser Lage wird der kreisscheibenförmige Anker 8 durch eine kegelförmige Schraubenfeder 12 gehalten. Die einen endseitigen Windungen dieser Feder 12 sind in den stufenförmigen Absatz 6 kraft- oder formschlüssig eingefügt, die anderen endseitigen Windungen dieser kegelförmigen Feder 12 fassen kraft- und/oder formschlüssig den zentralen Zapfen 10 des Verschlußgliedes 9, wobei der sich verjüngende Teil dieser kegelförmigen Feder 12 gegen das Verschlußglied 9 gewandt ist. Um das Verschlußglied 9 herum sind mehrere Durchbrechungen 13 im Anker 8 vorgesehen. Die Summe der Querschnittsflächen dieser Durchbrechungen 13 im Anker 8 ist mindestens so groß wie der Innenquerschnitt des Rohrstückes 1.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist fluchtend zum Rohrstück 1 ein zweites Rohrstück 14 angeordnet, das an seinem äußeren Ende ebenfalls Anschlußmittel trägt zum Anschluß an eine Rohr­ leitung. An dem dem Anker 8 zugewandten Ende ist auch dieses Rohrstück 14 mit einer Erweiterung 15 ausgestattet, deren Umfangskontur der erstbesprochenen Erweiterung entspricht. Auch diese Erweiterung 15 besitzt hier einen Rand 16, womit dieser Gehäuseteil am Rand 5 des erstbesprochenen anliegt. Hier sind die beiden Teile mit einer umlaufenden Schweißnaht 17 dicht miteinander verbunden. Nahe dem Rand 16 springt von der Innen­ seite dieser Erweiterung 15 gegen den Anker 8 eine leisten­ artige Erhebung 18 vor, die hier einen Kreisring bildet. An dieser Erhebung 18 liegt unter der Wirkung der Feder 12 der Anker 8 mit seiner einen Stirnseite an, die Durchbrechungen 13 im Anker sind so angeordnet, daß sie innerhalb des von der umlaufenden Erhebung 18 gebildeten Kreisringes liegen.

Eine Erregerwicklung 19, deren Enden zum Anschluß an eine Strom­ quelle nach außen geführt sind, was hier jedoch nicht darge­ stellt ist, ist in einem Topf 20 aus ferromagnetischem Material untergebracht, dessen eine Seite offen ist. Dieser Topf besitzt einen kreisringförmigen Querschnitt. Am offenen Ende ist der Außenrand des Topfes 20 mit einem Flansch 21 bestückt, der ein Außengewinde 22 trägt, wobei der Durchmesser dieses Flansches 21 um ein geringes Maß größer ist als der Durchmesser der Er­ weiterungen 4 bzw. 15. Mit seiner offenen Seite liegt dieser Topf 20 unmittelbar an der Außenseite der Erweiterung 4 an, wobei das ersterwähnte Rohrstück 1 diesen Topf 20 axial durch­ setzt. Zur Befestigung ist dieser Topf 20 mit einem Innengewinde versehen, das auf das Gewinde 7 des Rohrstückes 1 aufgeschraubt ist. Die magnetische Achse der Erregerwicklung 19 liegt parallel zur Achse des Rohrstückes 1.

Auf das Gewinde 22 des Topfes 20 ist eine Überwurfmutter 23 aufgeschraubt, die den durch die Erweiterung 4 und 15 gebildeten Teil des Gehäuses übergreift (Fig. 1).

Soweit zum Aufbau des hier in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsbeispieles. Ist hier der Anker 8 als Kreisscheibe aus­ gebildet, so kann dieser Anker auch kreuz­ förmig oder als Balken gestaltet sein. Anstelle einer Erreger­ wicklung 19 können mehrere zylindrische Erregerwicklungen um das Rohrstück 1 herum gruppiert sein, deren jeweilige magnetische Achsen parallel zueinander liegen. Anstelle einer kreisring­ förmig umlaufenden Erhebung 18 können auch punktförmige Erhebungen an der Innenseite dieses Teiles vorgesehen werden. Weiterhin ist es möglich, auch auf dem Rohr­ stück 14 zusätzlich eine Erregerwicklung nach Art der erstbe­ sprochenen anzuordnen und die beiden Wicklungen so zu schalten, daß sie nur wechselweise vom Strom durchflossen werden, wobei durch eine solche zweite Erregerwicklung die Wirkung der Kraft der Feder 12 verstärkt werden kann. In einem solchen Fall wird es auch zweckmäßig sein, die Wandstärke der Verbreiterung 15 möglichst dünnwandig zu gestalten.

Die Wirkung des aus den Fig. 1 und 2 ersichtlichen Ventils ergibt sich unmittelbar aus dessen konstruktivem Aufbau. Bei nicht stromdurchflossener, also unerregter Wicklung 19, hält die Feder 12 den Anker 8 frei innerhalb des Ventilraumes 11, wobei die Erhebung 18 dafür Sorge trägt, daß hier ein eindeutig definierter Luftspalt vorgegeben ist. Wird die Wicklung 19 er­ regt, so zieht das durch diese Erregung erzeugte elektromagne­ tische Feld den Anker 8 gegen die Wirkung der Feder 12 gegen den Topf 20, bis das Verschlußglied 9 auf dem Ventilsitz 3 dichtend aufliegt, das Ventil ist geschlossen. Anker, Verschluß­ glied und Ventilsitz sind, was ihre axiale Abmessung und Er­ streckung betrifft so zu gestalten, daß die Stirnseite des Ver­ schlußgliedes 9 auf dem Ventilsitz 3 dichtend anliegt, bevor der Anker mit seiner Stirnseite an die Erweiterung 4 anstößt. Wird die Erregung der Wicklung 19 abgeschaltet, so drückt, sobald das Magnetfeld zusammengebrochen ist, die Feder 12 den Anker 8 in seine aus Fig. 1 ersichtliche Stellung zurück, das Ventil wird dadurch wieder geöffnet. Es ist aus dieser Beschreibung und Darstellung ersichtlich, daß das Ventilgehäuse praktisch keine nach außen abzudichtende Stelle mehr besitzt außer der Schweißnaht 17, die dank der heutigen Schweißtechnik dauerhaft und dicht gefertigt werden kann. Der Anker 8 ist praktisch flie­ gend innerhalb des Raumes 11 gelagert und an keiner Stelle gleitend mit anderen Konstruktionsteilen gepaart, die seine Be­ weglichkeit beeinträchtigen oder gar behindern könnten. Anstelle einer solchen kegelförmigen Schraube 12, wie hier beschrieben und gezeigt, könnten auch kleine Blattfedern vorgesehen werden, doch würde dadurch die Konstruktion nicht vereinfacht noch ihre Tauglichkeit erhöht. Das hier in Fig. 1 gezeigte Ventil ist ein Durchgangsventil.

Ein Mehrwegeventil zeigt nun im Längsschnitt die Fig. 3, dessen grundsätzlicher Aufbau dem erstbesprochenen Ventil entspricht, wobei hier gleiche Bau- und Konstruktionsteile mit gleichen Hinweisziffern ausgestattet sind. Der Anker 8, der ebenfalls kreisscheibenförmig gestaltet ist, ist hier so ausgebildet, daß das eigentliche Verschlußglied 9 auf beiden Seiten des Ankers aktive Dichtflächen zeigt. Der Anker 8 besitzt daher hier eine zentrale, abgestufte Bohrung, in welche das Dicht­ glied 9 fest eingefügt ist, das auch hier aus einem für seinen Zweck geeigneten Werkstoff besteht.

Anstelle eines Rohrstückes 14 mit seiner endseitigen Erweiterung 15, wie im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erläutert, ist hier ein Gehäuseteil 24 mit einer mittigen Bohrung 25 und einer dazu parallel liegenden Bohrung 26 vorgesehen, die außenseitig Anschlußmuffen 27 und 28 tragen. Der dem Rohrstück 1 bzw. dem Anker 8 zugewandte Begrenzungsabschnitt dieses Gehäuseteiles 2 4 entspricht der innenseitigen Gestaltung der Erweiterung 15. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Durchgang vom Rohrstück 1 zur Bohrung 26 offen. Wird die Wicklung 19 erregt, so wird der Anker angezogen und der Durchgang von der Bohrung 2 6 zur Bohrung 25 bzw. umgekehrt freigegeben, der Durchgang zum Rohrstück 1 hingegen gesperrt.

Infolge der sozusagen fliegenden Lagerung des Ankers 8 mit dem Verschlußglied 9 ist dessen freie Beweglichkeit unter der Wir­ kung des elektromagnetischen Feldes bzw. unter der Wirkung der Kraft der Feder 12 in allen Betriebszuständen und bei allen Betriebsfällen sichergestellt, so daß sich ein Ventil der gegen­ ständlichen Bauart in hervorragender Weise als Sicherheitsventil eignet, das für Notabschaltungen eingesetzt werden muß.

Damit die Zugkraft des Magneten möglichst umfassend wirksam werden kann, ist der Luftspalt zwischen dem Anker 8 und der Erweiterung 4 klein bemessen und auch die Wandstärke der Erweiterung 4 ist sehr klein, beispielsweise kleiner als 1 mm. Aufgrund dieser relativ geringen Wandstärke von weni­ ger als 1 mm ist das den Anker 8 mit dem Verschlußglied 9 aufnehmende Gehäuse nicht besonders biege- und zugfest. Die­ ses Gehäuse übernimmt zwar die Abdichtung nach außen, Zug- und Biegekräfte jedoch, die von außen her auf das Ventil ein­ wirken, werden vom Topf 20 und der Überwurfmutter 23 über­ nommen, die hier ein mechanisch stabiles Bauelement darstellen, das die Aufgabe hat, die von außen einwirkenden Kräfte, welcher Art immer, aufzunehmen und vom eigentlichen dichten Ventil­ gehäuse fernzuhalten, so daß das Gehäuse trotz seiner Dünn­ wandigkeit auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen seine vorgegebene Form und Gestalt beibehält, so daß das ordnungs­ gemäße Funktionieren gewährleistet ist, da auch unter diesen Bedingungen die konstruktiv vorgesehenen und vorgegebenen Ab­ messungen genau einzuhalten sind.

Legende zu den Hinweisziffern

1 - Rohrstück
2 - Anschlußmuffe
3 - Ventilsitz
4 - Verbreiterung
5 - Rand
6 - Absatz
7 - Außengewinde
8 - Anker
9 - Verschlußglied
10 - Zapfen
11 - Raum
12 - Feder
13 - Durchbrechung
14 - Rohrstück
15 - Verbreiterung
16 - Rand
17 - Schweißnaht
18 - Erhebung
19 - Erregerwicklung
20 - Topf
21 - Flansch
22 - Außengewinde
23 - Überwurfmutter
24 - Gehäuseteil
25 - Bohrung
26 - Bohrung
27 - Anschlußmuffe
28 - Anschlußmuffe

Claims (4)

1. Elektromagnetisch betätigtes Ventil, in dessen von einer Erregerwicklung umgebenen Ventilgehäuse ein Ventilsitz (3) und ein ein Verschlußglied (9) tragender Anker (8) vorgesehen sind, wobei der Ventilsitz (5) endseitig an einem gerade verlaufenden, am anderen Ende eine Anschlußmuffe (2), ein An­ schlußgewinde, einen Anschlußflansch od. dgl. für eine Rohrleitung aufwei­ senden Rohrstücks (1) vorgesehen ist und das Verschlußglied (9) im Mittel­ bereich eines scheiben- oder balken- bzw. kreuzförmigen Ankers angeordnet ist, dessen Haupterstreckungsebene rechtwinklig zur Achse des den Ventil­ sitz (3) tragenden Rohrstückes (1) steht, wogegen die magnetische Achse der Erregerwicklung (19) parallel zur Achse dieses Rohrstückes (1) liegt, und der Anker (8) vom Ventilgehäuse mit umfangsseitigem Spiel aufgenommen ist und zwischen dem den Ventilsitz (3) aufweisenden Rohrstück (1) und dem Anker (8) eine Feder (12) vorgesehen ist, deren eines Ende mit dem Rohr­ stück (1) und deren anderes Ende mit dem Anker (8) verbunden ist, und die dem den Ventilsitz (3) aufweisenden Rohrstück (1) gegenüberliegende innere Gehäusewand in das Gehäuse gegen den Anker (8) vorspringende leistenförmi­ ge, randnahe Erhebungen (18) aufweist, an welchen der Anker (8) bei strom­ loser Erregerwicklung (19) unter der Wirkung der Kraft der Feder (12) an­ liegt, und das Ventilgehäuse mehrteilig ausgebildet ist und die Teilungsebe­ ne in oder parallel zur Haupterstreckungsebene des Ankers (8) liegt, gekenn­ zeichnet durch die Kombination folgender, teils an sich bekannter Merkmale:

• a) die Erregerwicklung (19) liegt in einem einseitig offenen, aus ferromag­ netischem Material bestehenden Topf (20) von kreisförmigem Querschnitt, dessen zentrale Öffnung von dem den Ventilsitz (3) tragenden Rohrstück (1) durchsetzt ist,
• b) die Wandung der zentralen Öffnung des Topfes (20) weist zumindest über einen Teil ihrer axialen Länge ein Gewinde auf, mit welchem der Topf (20) auf ein Außengewinde (7) am Rohrstück (1) aufgeschraubt ist,
• c) das zentrale Rohrstück (1) bildet zusammen mit einem weiteren metalli­ schen Rohrstück (14) das Ventilgehäuse, wobei die einander zugewandten Stirnseiten der Rohrstücke je eine flanschartige Erweiterung (4, 15) auf­ weisen, von denen mindestens eine einen gegen die andere Erweiterung ge­ richteten Rand (5, 16) aufweist, entlang dessen Außenkante die beiden Rohr­ stücke miteinander über eine Schweißnaht (17) verbunden sind,
• d) der Topf (20) trägt an seiner offenen Seite ebenfalls eine nach außen gerichtete flanschartige, mit einem Außengewinde (22) versehene Erweiterung (21), deren Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser des Ventilge­ häuses, wobei auf dieses Außengewinde (22) eine das Ventilgehäuse übergrei­ fende Überwurfmutter (23) aufgeschraubt ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke derjeni­ gen Erweiterung (4), an welcher von außen der die Erregerwicklung (19) aufnehmende Topf (20) mit seiner offenen Seite anliegt, geringer ist als die der anderen Erweiterung (15).

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrstücke und Gehäuseteile aus nicht magnetisierbarem Material, wie Aluminium, gefer­ tigt sind.

4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (12) kegelförmig ausgebildet ist, deren sich verjüngendes Ende dem Verschlußglied (9) zugewandt ist.