DE3942026A1

DE3942026A1 - Druckausgeglichenes stell- oder regelventil

Info

Publication number: DE3942026A1
Application number: DE3942026A
Authority: DE
Inventors: Eiichi Morozumi; Hiroyuki Inagaki; Takashi Tsumura
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1988-12-29
Filing date: 1989-12-20
Publication date: 1990-07-05
Also published as: US4998561A; JPH02180393A

Description

Die Erfindung betrifft ein druckausgeglichenes Stell- oder Regelventil, insbesondere ein Magnetventil gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Ventil ist beispielsweise aus der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung 63-45 470 vom 26.3.1988 bekannt. Ein weiteres druckausgeglichenes Magnetventil ist in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung 61-1 319 beschrieben. Mit der Erfindung soll ein Regelventil, insbe sondere ein Magnetventil für Gase geschaffen werden, welches leicht und ohne ruckartige Bewegung seines Schließkörpers geöffnet und geschlossen werden kann, wobei diese Bewegung nicht durch den auf den Schließkörper einwirkenden Eingangsdruck beeinflußt werden soll. Auf diese Weise wird angestrebt, die Regeleigenschaften eines solchen Gasventils zu verbessern, insbesondere eine eindeutige Zuordnung der jeweiligen Ventil stellung zu der vom Ventilantrieb aufgebrachten Kraft, beispielsweise dem die Erregerspule eines Magnetantriebs durchfließenden Strom erzielt werden.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein aus der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung 61-13 819 bekanntes Magnetventil. Das Ventilgehäuse 1 hat einen Einlaß 2 und einen Auslaß 4, welche durch eine Öffnung 3 in einer Trennwand verbunden sind.

In dieser Trennwand ist ein Ventilsitz 3 a vorgesehen, der einen Durchmesser d hat. Eine Stütze 5 wird von in die Öffnung 3 hineinragenden Stegen der Trennwand getragen und ragt in den Einlaß 2 hinein. An ihrem oberen Ende ist ein ringförmiger Kragen 6 vorgesehen, in dessen Außenwand ein O-Ring 7 eingelegt ist. über den Kragen 6 ist ein topfförmiger Schließkörper 8 gestülpt, der durch den O-Ring 7 abgedichtet gegenüber dem Träger 5 und dem Ventilsitz 3 a verschiebbar ist. Zwischen dem Träger 5 mit seinem Kragen 6 und dem Boden des Schließkörpers 8 ist eine Primärdruckkammer 9 gebildet, die über wenigstens eine Ausgleichöffnung 10 mit dem Einlaß 2 in Verbindung steht. Ein Filter 11 schützt die Primärdruckkammer 9 vor dem Eindringen von Schmutzpartikeln aus dem über den Einlaß 2 einströmenden Medium, z. B. Brenngas.

Der Innendurchmesser D des Schließkörpers 8 entspricht dem wirksamen Durchmesser d des Schließkörpers am Ventilsitz 3 a. Der Schließkörper 8 ist über eine Ventilstange mit einem Kolben 12 verbunden und wird durch eine Feder 13 in Richtung auf den Ventilsitz 3 a gedrückt. Eine Erregerspule 14 umschließt den Kolben 12 und zieht diesen bei Stromfluß gegen die Kraft der Feder 13 nach oben, um den Schließkörper 8 vom Ventilsitz 3 a abzuheben.

Solange der Schließkörper 8 auf dem Ventilsitz 3 a aufsitzt, wirkt der Eingangsdruck P ₁ auf die gesamte Außenfläche des Schließkörpers 8, während der Primardruck P ₁ zugleich über das Filter 11 und die Öffnung 10 in die Primärdruckkammer 9 gelangt und dort an einer entsprechenden Teilfläche des Schließkörpers wirksam ist. Der Schließkörper steht folglich vom Eingangsdruck P ₁ her einerseits unter dem Einfluß einer nach unten ge richteten Kraft P _1D und andererseits unter einer im Innern des Schließkörpers wirksamen nach oben gerichteten Kraft P _1S. Da der Innendurchmesser D des Schließkörpers 8 gleich dem wirksamen Durchmesser d des Ventilsitzes ist, heben sich beide Kräfte P _1D und P _1S auf.

Weiterhin wirkt vom Ausgangsdruck P ₂ her eine Kraft P _2S auf die umlaufende Innenkante im Endbereich der zylindrischen Wand des Schließkörpers 8. Da die vom Ausgangsdruck P ₂ ausgeübte nach oben gerichtete Kraft P _2S nur auf den Boden des Trägers 5 und seines Kragens 6, nicht aber auf den Schließkörper 8 ein wirkt, kann diese Kraft hinsichtlich ihrer Beeinflussung der Öffnungs- und Schließbewegung des Schließkörpers 8 vernach lässigt werden.

Selbst wenn sich der Einlaßdruck P ₁ ändert, hat dies keinen Einfluß auf das Öffnen und Schließen des Ventils 8, 3 a, insbesondere auf die für die Schließ- und Öffnungsbewegung erforderliche Kraft.

Fig. 2 zeigt einen entsprechenden Schnitt durch das in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung 63-45 470 vom 26.3.1988 beschriebene Magnetventil.

Innerhalb des Ventilgehäuses 1 ist durch ein topfförmiges Zwischengehäuse 15 eine Kammer 15 a gebildet. Diese Kammer 15 a wird durch eine Ringmembran 17 und einen deren Innenrand mit der Ventilstange 18 verbindenden Kolben 16 unterteilt. Der in der Einlaßkammer 2 herrschende Einlaßdruck P ₁ gelangt über eine Leitung 10 auf die Oberseite der Membran 17, während ihre Unterseite über die Öffnung 15 b im Zwischengehäuse 15 mit dem Auslaßdruck P ₂ am Auslaß 4 beaufschlagt wird. Die Ventilstange 18 trägt den Schließkörper 8 und ragt berührungsfrei durch die Öffnung 15 b hindurch. Im Ruhezustand drückt die Rückstellfeder 13 den Schließkörper 8 gegen den Ventilsitz 8 a. In der Primär druckkammer 9 herrscht wie erwähnt der Einlaßdruck P ₁ und in der Sekundärdruckkammer 15 a der Auslaßdruck P ₂. Gleichzeitig wirken diese beiden Drücke auf die Unterseite bzw. die Oberseite des Schließkörpers 8 ein. Bei entsprechender Dimensionierung einerseits des Durchmessers des Ventilsitzes 8 a und andererseits des Innendurchmessers des Zwischengehäuses 15 wird einerseits der auf den Schließkörper 8 einwirkende Eingangsdruck P ₁ durch den auf die Oberseite von Membran 17 und Kolben 16 ebenfalls einwirkenden Eingangsdruck P ₁ kompensiert, während anderer seits der auf die Oberseite des Schließkörpers 8 einwirkende Ausgangsdruck P ₂ durch den auf die Unterseite von Membran 17 und Kolben 16 ebenfalls einwirkenden Ausgangsdruck P ₂ aufge hoben wird. Selbst wenn sich also die Drücke am Eingang bei und/oder Ausgang 4 ändern, wird hierdurch die auf den Schließkörper 8 einwirkende Kraft nicht beeinflußt, so daß dieser mit geringer Antriebskraft leicht und genau geöffnet und verstellt werden kann.

Beim Magnetventil gemäß Fig. 1 behindert der Reibungswiderstand des O-Rings 7 die Bewegung des Schließkörpers 8, so daß ein langsames Öffnen des Ventils schwer erzielbar ist und die Antriebskraft nicht verringert werden kann. Außerdem ist ein O-Ring bei längerem Betrieb einer Abnutzung unterworfen, wodurch eine Leckströmung vom Einlaß 2 zum Auslaß 4 entstehen kann, welche insbesondere bei Gasventilen unzulassig ist. Da der Träger 5 auf speichenartigen Armen im Durchlaß 3 ruht, ist seine mechanische Stabilitat sowohl hinsichtlich axialer als auch schräg einwirkender Kräfte nicht allzu gut. Darüber hinaus muß der Träger 5 genau in bezug auf den Kolben 12 zentriert sein, was wegen der geringen zulässigen Fertigungstoleranzen die Herstellung verteuert.

Diese Probleme lassen sich zwar mit der Konstruktion gemäß Fig. 2 umgehen. Hier besteht statt dessen der Nachteil, daß im Falle eines Membranbruchs Gas unmittelbar vom Einlaß 2 zum Auslaß 4 strömt und damit die Sicherheit der gesamten Brenneran lage gefährdet.

Angesichts obiger Probleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein druckausgeglichenes Stell- oder Regelventil zu schaffen, welches weder bei Abnutzung oder Bruch von Dichtungs mitteln (O-Ring, Membran) eine unsichere Betriebsweise des Ventils und der über das Ventil versorgten Anlage entstehen läßt, noch infolge Reibung von Dichtungsmitteln kein kontinuier liches langsames Öffnen des Ventil ermöglicht, sondern ein ruckartiges Öffnen zur Folge hat. Darüber hinaus soll das Ventil kostengünstig herstellbar aufgebaut und insgesamt zuverlässig in seiner Funktion sein.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeich nete Erfindung. Bei dieser Ausgestaltung führt ein etwaiger Membranbruch nicht zu einer das Ventil ungehindert durchströmen den Leckgasmenge. Außerdem kann der den Gasstrom regelnde Haupt schließkörper langsam und mit geringem Kraftaufwand geöffnet werden, wird aber andererseits in der Schließstellung sicher geschlossen gehalten. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Sie wird nachfolgend anhand eines in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungs beispiels erläutert, wobei

Fig. 3 einen Schnitt durch ein solches Magnetventil und

Fig. 4 in vergrößertem Maßstab die in Fig. 3 mit einem Kreis A umrandete Einzelheit, also insbesondere den Hauptschließkörper und das Hilfsventil zeigt.

Teile, die mit denjenigen der vorangehenden Figuren überein stimmen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut beschrieben. Das Ventilgehäuse 1 umschließt ein Hauptventil, bestehend aus Schließkörper 21 und Ventilsitz 21′ zum Öffnen und Schließen des Durchlasses 3 und enthält ferner ein Hilfsventil, bestehend aus Hilfsschließkörper 22 und zugeordnetem Ventilsitz 22′, der zentral im Bodenteil des topfförmigen Hauptschließkörpers 21 angeordnet ist. Der Schließ körper 22 des Hilfsventils ist an der Ventilstange 23 befestigt, welche durch eine Lagerbuchse 24 im Boden des Schließkörpers 21 verschiebbar geführt hindurchragt. Das obere Ende der Ventil stange 23 ist mit dem Anker 12 des Magnetantriebs 12, 4 verbunden. Die Ventilstange 23 kann (vgl. Fig. 4) über einen begrenzten Hub x in der Führungsbuchse 24 verstellt werden, wobei dieser Hub einerseits durch den in eine umlaufende Nut der Ventilstange 23 eingesetzten Sprengring 25 und andererseits durch Anlage des Schließkörpers 22 am Sitz 22′ begrenzt wird.

Eine ringförmige Rollmembran 17 ist mit ihrem Innenrand mit Hilfe eines Halterings 26 an der zylindrischen Wand 21 a des topfförmigen Hauptschließkörpers 21 befestigt und mit ihrem äußeren Rand zwischen der Gehäusegrundplatte und einem auf diese aufgesetzten Deckel 21 b eingespannt. Zwischen diesem Deckel 27, der Membran 17 und der Innenwand des Schließkörpers 21 wird eine Hilfskammer 27 gebildet, die über eine Durchlaßbohrung 28 dem Eingangsdruck P ₁ ausgesetzt ist. Die wirksame Oberfläche der Membran 17 entspricht derjenigen Oberfläche des Hauptschließ körpers 21, welche dem Eingangsdruck P ₁ ausgesetzt ist. Da dieser Druck dank der Bohrung 28 auf beiden Seiten der Membran 17 wirksam ist und der Durchmesser des Schließkörpers 22 des Hilfsventils wesentlich geringer als der Durchmesser von Membran 17 und Hauptschließkörper 21 ist, wirkt auf den Hilfsschließ körper 22 nur eine relativ geringe, vom Eingangsdruck P ₁ ausgehende Kraft. Der Hilfsschließkörper läßt sich so mit relativ geringem Kraftaufwand von seinem Sitz 22′ abheben. Eine Rückstellfeder 30 beaufschlagt den Hauptschließkörper 21 und eine Rückstellfeder 30′ den Hilfsschließkörper 22. Beide Rückstellfedern stützen sich am Deckel 21 B ab.

Solange der Magnetantrieb 14 stromlos ist, werden sowohl der Schließkörper 21 des Hauptventils als auch der Schließkörper 22 des Hilfsventils durch die zugeordneten Rückstellfedern in Schließlage gehalten. Der Druck in der Hilfskammer 27 ist infolge der Druckausgleichsöffnung 28 gleich dem Eingangsdruck P ₁. Sobald Strom durch die Spule 14 fließt, bewegt sich mit dem Kolben 12 die Ventilstange 23 nach unten. Das Hilfsventil 22, 22′ öffnet, so daß nunmehr der Eingangsdruck P ₁ sich auch auf der dem Einlaß abgewandten Seite des Hauptschließkörpers 21 aufbauen kann. Sobald die Ventilstange 23 den Hub x durchlaufen hat, nimmt der Mitnehmeranschlag 25 den Hauptschließkörper gegen die Kraft seiner Schließfeder 30 mit nach unten und öffnet somit das Hauptventil 21, 21′. Das Hauptventil 21, 21′ regelt dann den Durchfluß des Mediums zwischen Einlaß und Auslaß des Ventils. Das Hilfsventil 22, 22′ ist, wie Fig. 3 zeigt, im Boden des topfförmigen Hauptschließkörpers 21 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist hinter dem Ventilsitz 22′ des Hilfs ventils eine auf der gegenüberliegenden Seite teilweise durch die Halterung der Führungsbuchse 24 abgedeckte Kammer 31 gebildet, welche über einen Durchlaß 32 mit der auslaßseitigen Kammer 4 des Ventils in Verbindung steht.

Das Ventil gemäß der Erfindung enthält keine einem Abrieb unterworfenen Dichtungsteile, wodurch insbesondere dem Beginn der Schließkörperbewegung kein Startwiderstand entgegengesetzt wird. Das Ventil kann also von der Schließstellung langsam und mit geringem Kraftaufwand geöffnet werden. Da Druckänderungen in der Eingangsleitung 2 durch die Membran 17 absorbiert werden, haben auch solche Druckänderungen keinen Einfluß auf die Bewegung des Schließkörpers, insbesondere auf das langsame Öffnen des Ventils. Für die Bewegung der Schließkörper braucht nur die relativ geringe Kraft der Rückstellfedern uberwunden zu werden, so daß der Magnetantrieb 12, 14 nur geringe Kräfte aufzubringen braucht und folglich kleiner und kostengünstiger aufgebaut sein kann als bisher.

Selbst wenn die Membran 17 bricht, gelangt kein Gas zum Auslaß 4, weil die Druckausgleichöffnung 28 im Schließkörper 21 den Druck der Hilfskammer 27 auf den Wert des Eingangsdruckes P ₁ anwachsen läßt und das Hilfsventil 22, 22′ unter der Einwirkung dieses Druckanstiegs und seiner Rückstellfeder 30′ schließt. Das Ventil ist also eigensicher.

Claims

1. Druckausgeglichenes Stell- oder Regelventil, insbesondere Magnetventil, mit

a) einem unter der Einwirkung einer Rückstellfeder (30) stehenden Hauptschließkörper (21), der mit einem zwischen Ventileinlaß (2) und -auslaß (4) angeordnetem Ventilsitz (21′) zusammenwirkt;
b) einer die Kraft eines Ventilantriebs (12 14) auf den Hauptschließkörper (21) übertragenen Ventilstange (23); sowie
c) einer durch eine Membran (17) unterteilten Ventilhilfs kammer (27), dadurch gekennzeichnet, daß
d) im Hauptschließkörper (21) zwischen der Hilfskammer (27) und dem Auslaß (4) der Sitz (22′) eines Hilfsventils (22, 2′) angeordnet ist, dessen Schließkörper von der Ventilstange (23) getragen ist;
e) an der Ventilstange (23) ein Mitnehmeranschlag (25) angebracht ist, der erst nach Öffnen des Hilfsventils (22, 22′) um einen vorgegebenen Hub (x) den Hauptschließ körper (21) von seinem Ventilsitz (21′) abhebt;
f) eine eine Seitenwand (21 A) des Hauptschließkörpers (21) durchsetzende Druckausgleichsöffnung (28) die Hilfkammer (27) mit dem Einlaß (2) verbindet;
g) der Hilfsschließkörper (22) durch eine Rückstellfeder (30′) in Schließrichtung belastet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Hauptschließkörper (21) topfförmig ausgebildet und der Ventilsitz (22′) des Hilfsventils (22, 22′) im Topfboden (21 C) vorgesehen ist, während die umlaufende Vorderkante der zylindrischen Topfwand (21 A) mit dem gehäusefesten Ventilsitz (21′) des Hauptventils (21, 21′) zusammenwirkt.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß sich die Rückstellfedern (30, 30′) am Boden eines die Hilfskammer (27) abschließenden Deckels (21 B) abstützen.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (17) als Ringmembran ausgebildet und mit ihrem inneren Rand am Hauptschließkörper (21) befestigt und mit ihrem äußeren Rand zwischen einer Gehäusegrundplatte und einem die Hilfkammer (27) abschließenden Deckel (21 B) eingespannt ist.

5. Ventil nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Membran (17) als Rollmembran ausgebildet und mit ihrem inneren Rand an der zylindrischen Topfwand (21 A) befestigt ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Oberfläche der Membran (17) derjenigen Oberfläche des Hauptschließ körpers (21) entspricht, welche dem Eingangsdruck (P ₁) ausgesetzt ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnehmeranschlag (25) durch einen in eine umlaufende Nut der Ventilstange (23) eingesetzten Sprengring gebildet ist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das den Hilfsschließkörper (22) tragende Ventilstangenende in einer im Hauptschließ körper (21) angeordneten Führungsbuchse (24) verschiebbar gelagert ist.