DE3835788A1 - Schnellschaltendes kugelventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein schnellschaltendes Kugel­ ventil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Art.

Für bestimmte Anwendungszwecke werden schnellschaltende Ventile benötigt, die imstande sind einen Fluidstrom schlagartig durchzulassen und eine hohe Schaltfrequenz haben. Eine dieser Anwendungen ist die Flugzeit­ spektroskopie in einer Molekularstrahl-Apparatur. Bei der Flugzeitspektroskopie wird ein Gasstrahl kurzzeitig freigegeben und es wird die Zeit bestimmt, die die Gas- Atome benötigen, um eine vorgegebene Wegstrecke zu durchlaufen. Durch die mit dem schnellschaltenden Ventil unterbrochene intervallartige Gasströmung wird der Gasballast verringert und die notwendige Pumpen­ leistung reduziert. Bisher wird ein Gasstrahl konti­ nuierlich in die Apparatur eingebracht und für die Meß­ strecke durch ein Unterbrecherventil kurzzeitig frei­ gegeben.

Bekannt sind Ventile, bei denen ein federbelasteter Bolzen gegen einen Ventilsitz gepreßt wird. Zum Öffnen des Ventils kann der Bolzen mit Hilfe eines Elektro­ magneten vom Ventilsitz abgehoben werden. Nachteilig bei solchen Ventilen ist die geringe Wiederholfrequenz. Die Massen von Bolzen und Ventilkörper müssen gemeinsam beschleunigt werden, wodurch eine Verzögerung hervor­ gerufen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein schnell­ schaltendes Kugelventil der im Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, das einen Fluidstrom impulsartig freigeben kann, mit hoher Wiederholfrequenz zu betreiben ist und infolge geringen Verschleißes eine hohe Standzeit hat.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Kugelventil verschließt die Kugel die Öffnung infolge der Druckdifferenz zwischen den beiden Räumen. Zum Freigeben der Öffnung wird die Kugel von der Betätigungsvorrichtung mit einem kurzen Impuls seitlich angestoßen, so daß sie die Öffnung freigibt. Das Zurückbewegen der Kugel auf den Ventil­ sitz erfolgt allein durch die durch die Öffnung hin­ durchgehende Fluidströmung. Die kurzen Schaltzeiten und die hohe Wiederholfrequenz ergeben sich daraus, daß ausschließlich die Masse der Kugel zu beschleunigen ist und daß die Betätigungsvorrichtung keine direkte Kopplung mit der Kugel aufweist. Das Betätigungselement der Betätigungsvorrichtung wird beschleunigt, bevor es gegen die Kugel stößt, so daß auf die Kugel nur ein kurzer Stoßimpuls ausgeübt wird. Die Kugel steht nicht unter dem Einfluß irgendwelcher mechanischer Teile, sondern sie ist frei bewegbar und insbesondere nicht durch eine Feder vorgespannt. Dadurch, daß die Kugel nicht in reibendem Kontakt mit anderen Komponenten steht, ergibt sich praktisch kein Reibungsverschleiß. Damit Kugel und Betätigungsvorrichtung durch die Stöße nicht beschädigt werden, bestehen die Stoßflächen zweckmäßigerweise aus Hartmetall.

Ein besonderer Vorteil des Kugelventils besteht darin, daß seine Funktion unabhängig von seiner Orientierung ist, weil für die Funktion der Schwerkrafteinfluß nicht benutzt wird. Das Zurückstellen der Kugel erfolgt durch die Fluidströmung, wobei bei hinreichend großer Druck­ differenz der Schwerkrafteinfluß vernachlässigbar ist.

Das erfindungsgemäße Kugelventil eignet sich ins­ besondere für die Verwendung in einer Molekularstrahl- Apparatur für die Flugzeitspektroskopie. Hierbei wird das Ventil zum Freigeben und Unterbrechen eines Gas­ strahls benutzt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind das Schalten von Flüssigkeiten, beispielsweise in Kraftstoff-Einspritzanlagen von Verbrennungsmotoren. Das Ventil eignet sich auch für den Einsatz bei tiefen Temperaturen zum Schalten von kryogenen Flüssigkeiten. Da die Funktion des Kugelventils temperaturunabhängig ist, eignet sich das Ventil auch für Hochtemperatur- Anwendungen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

In der Zeichnung ist schematisch ein Längsschnitt durch das Kugelventil dargestellt. Das Ventil befindet sich zwischen zwei Räumen 10, 11 mit unterschiedlichen Gas­ drücken. Die Räume 10, 11 sind durch die Trennwand 12 voneinander getrennt. In dieser Trennwand 12 befindet sich die Öffnung 13, deren Rand einen Ventilsitz 14 bildet. Im Raum 10, dem der Ventilsitz 14 zugewandt ist, ist der Gasdruck wesentlich höher als im Raum 11.

Im Raum 10 befindet sich die Kugel 15, die sich im Schließzustand gegen den Ventilsitz 14 setzt und damit die Öffnung 13 gasdicht verschließt. Durch eine Trenn­ wand 16 mit Öffnungen 17 ist vom Raum 10 eine Kammer 18 abgetrennt, um die Bewegungen der Kugel 15 zu be­ grenzen. Anstelle der Trennwand 16 kann auch ein Käfig vorgesehen sein, der um die Öffnung 13 herum angeordnet ist und der bewirkt, daß der Bewegungsbereich der Kugel 15 begrenzt ist.

Eine Betätigungsvorrichtung 19 weist einen stationären Elektromagneten 20 und ein bewegbares Betätigungs­ element 21 auf. Bei Erregung des Elektromagneten 20 wird das bolzenartige Betätigungselement 21 seitlich gegen die Kugel 15 bewegt, um die Kugel 15 vom Ventil­ sitz 14 abzurollen. Auf das Betätigungselement 21 wirkt eine Rückstellfeder 22, die das Betätigungselement bei Aberregung des Elektromagneten 20 zurückzieht. Der Stoß des Betätigungselements 21 erfolgt parallel zur Trenn­ wand 12, wodurch die Kugel 15 exakt an ihrem Äquator (parallel zur Trennwand 12) angestoßen wird.

Wenn die Kugel 15 vom Sitz 14 abgehoben hat, wird sie durch die Gasströmung, welche durch die Öffnung 13 fließt, erfaßt und zum Ventilsitz zurückgetrieben, un­ abhängig von der jeweiligen Orientierung des Ventils.

Für die Kugel 15 und den Ventilsitz 14 wird zweck­ mäßigerweise ein hochfester und abriebfester Werkstoff benutzt, insbesondere Saphir oder Hartmetall. Auch das Betätigungselement 21 oder zumindest dessen vorderer Stoßteil sollte aus einem derartigen Material bestehen.

Die Öffnungs- und Schließzeit des Ventils wird be­ einflußt durch die Druckdifferenz zwischen den Räumen 10 und 11, durch die Masse der Kugel 15 und durch den Durchmesser der Bohrung 13. Eine Kugel mit geringer Masse und eine kräftige Gasströmung bei geöffnetem Ventil ermöglichen kurze Öffnungs- und Schließzeiten.

In der Zeichnung ist das Betätigungselement 21 in seiner Ruhestellung dargestellt, also bei aberregtem Elektromagneten 20. In dieser Position hat das Be­ tätigungselement 21 einen seitlichen Abstand von der Kugel 15. Bei Erregung des Elektromagneten 20 trifft das Betätigungselement 21 nach Abschluß seiner Be­ schleunigungsphase mit einer Grundgeschwindigkeit v ₀ auf die ruhende Kugel 15. Da die Masse des Betätigungs­ elements 21 wesentlich größer ist als diejenige der Kugel 15, wird die Kugel 15 durch den Stoßimpuls schlagartig von dem Ventilsitz 14 entfernt. Dadurch entsteht das gewünschte schnelle Öffnungsverhalten des Ventils.

Claims (5)

1. Schnellschaltendes Kugelventil mit
einer zwei Räumen (10, 11) unterschiedlichen Drucks voneinander trennenden Trennwand (12),
einer in der Trennwand (12) vorgesehenen Ventilöffnung (13), deren Rand einen Ventilsitz (14) bildet,
und einer als Ventilkörper zum Verschließen der Ventilöffnung (13) dienenden Kugel (15), dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Kugel quer zum Ventilsitz (14) einwirkende Betätigungsvorrichtung (19) vorgesehen ist, die die Kugel (15) durch einen seitlichen Stoß vom Ventilsitz (14) löst.

2. Kugelventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Betätigungselement (21) der Be­ tätigungsvorrichtung (19) nach einem Stoß gegen die Kugel (15) zurückweicht, bevor die Kugel (15) den Ventilsitz (14) wieder erreicht hat.

3. Kugelventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung (19) den Stoß parallel zu der Trennwand (12) erzeugt.

4. Kugelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrich­ tung (19) einen impulsbetriebenen Elektromagneten (20) aufweist, der ein Betätigungselement (21) in Richtung auf die Achse des Ventilsitzes (14) vor­ treibt, wobei das Betätigungselement (21) durch eine Feder (22) in Rückzugsrichtung vorgespannt ist.

5. Kugelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ge­ kennzeichnet durch seine Verwendung in einer Mole­ kularstrahl-Apparatur zum Unterbrechen eines Gas­ strahls.