DE3640426C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stellventil, mit einem Gehäuse, einem Ventilsitz in dem Gehäuse, einem Zuströmkanal stromaufseitig vom Ventilsitz, einem axial zum Zuströmkanal angeordneten Abströmkanal stromabseitig vom Ventilsitz, einem verschiebbar gelagerten Ventilkörper, der bei Anlage an den Ventilsitz das Ventil schließt und beim Abheben vom Ventilsitz das Ventil öffnet und mit einer Steuereinrichtung zum Verstellen des Ventilkörpers, wobei der Zuströmkanal von einer Querwand begrenzt ist, die den Ventilsitz trägt und stromabseitig vom Ventilsitz in ihrem Randbereich axiale Kanalabschnitte aufweist und wobei der Ventilkörper als Buchse ausgebildet ist, die im Zuströmkanal gegen dessen Innenwand abgedichtet axial verschiebbar gelagert ist und dem Ventilsitz benachbart eine Innenfase besitzt.

Ein solches Stellventil ist aus der DE 31 31 860 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Stellventil läuft eine am buchsenförmigen Ventilkörper angeordnete schräge Schließfläche gegen einen zentralen Ventilsitz mit entsprechend schräger Sitzfläche, und der Durchlaßkanal verläuft im wesentlichen axial um den Sitzkörper herum, so daß die stromabseitig sitzende Stirnfläche des Ventilkörpers bei geschlossenem Ventil im druckfreien Abströmbereich liegt. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist es, daß dann zum Öffnen des Ventils beachtliche Kräfte notwendig sind, um den Ventilkörper gegen das auf die stromaufseitige Stirnfläche andrückende Fluid zu verschieben.

Ferner ist in der DE-AS 11 42 938 ein pneumatisches Schnellschaltventil für Hochspannungs-Druckluftschalter offenbart, dessen buchsenförmiger Ventilkörper in einem Gehäuse gegen dessen Innenwand abgedichtet axial verschiebbar gelagert ist und bei Anlage an einen Ventilsitz das Ventil schließt und beim Abheben vom Ventilsitz das Ventil öffnet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stellventil der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß auch bei großem Querschnitt des Strömungskanals nur geringe Kräfte zum Öffnen des Ventilkörpers benötigt werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die den Ventilsitz aufnehmende Fläche der Querwand in einer Radialebene der Strömungskanäle liegt, durch die Innenfase eine mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Schließkante gebildet ist und der erste Abschnitt des Abströmkanals zwischen dem Ventilsitz und den axialen Kanalabschnitten in der Querwand aus mehreren umfangseitig in die Innenwand des Gehäuses radial eingearbeiteten, mit den axialen Kanalabschnitten korrespondierenden Ringnutenabschnitten besteht.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß der Ventilsitz auf einer Fläche quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist, gegen den die Schließkante senkrecht auftrifft, wobei der Querschnitt der Schließkante wegen der Innenfase gegenüber der Wandstärke der als Ventilkörper dienenden Buchse erheblich reduziert ist. Da mithin die Fläche der Schließkante - wegen der Innenfase an der Schließkante - wesentlich kleiner ist als die stromaufseitige Stirnseite der Ventilkörper-Buchse wird zum Öffnen des Ventils lediglich eine Kraft benötigt, welche der Differenz aus stromaufseitig liegender Stirnfläche und stromabseitig liegender Schließkanten-Fläche proportional ist. Die Kraft zum Öffnen des Ventils ist daher gegenüber bekannten Ventilen erheblich reduziert.

Das erfindungsgemäße Stellventil läßt sich daher - auch bei sehr großen Nennweiten des Strömungskanals - mit recht geringen Kräften öffnen. Es eignet sich daher besonders gut für einen Betrieb mit einem elektrischen Gleichstrommotor als Verstellantrieb, dessen Anschlußwerte so gering sein können, daß ein Betrieb des Ventils auch in explosionsgefährdeter Umgebung - in einer explosionsgeschützten Ausführungsform - möglich ist.

Die Steuermittel zum Öffnen und Schließen des Ven­ tils, d.h. zum Verstellen der Buchse, enthalten bevorzugt eine Steuernut auf der Außen­ fläche der Buchse sowie eine die Steuernut freilegen­ de radiale Bohrung in dem Gehäuse. Vorgesehen ist ferner eine in der Radialbohrung drehbar gelagerte Antriebswelle, die von einem Stellmotor außerhalb des Gehäuses antreibbar ist. Die Antriebswelle be­ sitzt einen zur Buchse hin gerichteten Exzenterstift, welcher zur Achse der Antriebswelle eine Exzentri­ zität e besitzt und in die Steuernut hineinragt und bei seiner Kreisbewegung diese axial verstellt.

Derartig ausgebildete Steuer- oder Antriebsmittel ermöglichen eine besonders genaue und einfache Verstellung der Buchse unter Verwendung lediglich eines entsprechend untersetzten Stellmotors.

Besonders bevorzugt besitzt die Steuernut von der Schließkante der Buchse einen Abstand a, und die Achse der radial eingesetzten Antriebswelle be­ sitzt einen Abstand b von der Ebene des Ventil­ sitzes. Die Exzentrizität e des Exzenterstiftes zur Achse der Antriebswelle ist so bemessen, daß die Bedingung e+a≈b gilt. Bei dieser Anordnung von Buchse, Steuernut, Antriebswelle sowie Exzen­ terstift wird die Schließstellung der Buchse dann erreicht, wenn der Exzenterstift sich dem Ventil­ sitz am stärksten annähert. Bei konstanter Drehge­ schwindigkeit der Antriebswelle entfernt sich da­ her die Schließkante der Buchse anfänglich nur sehr langsam, mit wachsender Auslenkung dann schließ­ lich schneller vom Ventilsitz. Der Abstand der Schließkante vom Ventilsitz ist etwa proportional zu 1 - cos ρ wobei ρ der Drehwinkel der Antriebs­ welle aus der Schließstellung heraus ist. Diese Stellcharakteristik führt dazu, daß beim Öffnen des Ventils die Durchflußmenge etwa zeitpropor­ tional anwächst, wenn die Antriebswelle mit etwa konstanter Drehgeschwindigkeit angetrieben wird, so daß mit einfachen Mitteln eine etwa lineare Funktion zwischen Stellwinkel der Antriebswelle und pro Zeiteinheit durchfließende Durchfluß­ menge hergestellt ist.

Bevorzugt ist auf der Querwand zumindest im Bereich des Ventilsitzes ein Dichtungsbelag angeordnet, da­ mit das Ventil zuverlässig geschlossen wird, wenn die Schließkante den Ventilsitz erreicht.

Um die Abhängigkeit der Durchflußmenge vom Stell­ winkel der Antriebswelle zu beeinflussen und noch besser zu linearisieren, ist bevorzugt ein Strom­ leitkörper auf der Querwand angeordnet, der in den Zuströmkanal hineinragt und sich zu seinem freien Ende hin verjüngt.

Der Stellmotor, welcher die Antriebswelle antreibt, sitzt bevorzugt in dem Querzweig einer aus Tran­ sistoren bestehenden Brückenschaltung, wobei dia­ gonal einander gegenüberliegende Transistoren mit ihren Basisanschlüssen an jeweils einem Steuerzweig anliegen, der einen Schalter aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, mit jeweils nur einem Schalt­ kontakt zur Steuerung des Motors in die eine Dreh­ richtung, und einem anderen Schaltkontakt zur Steuerung des Motors in die andere Drehrichtung zu arbeiten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekenn­ zeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Stellventil;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Stellventils von der Abströmseite her gesehen;

Fig. 3 eine Aufsicht auf das Stellventil gemäß Fig. 1 ohne die Antriebswelle für die Buchse; und

Fig. 4 eine Steuerschaltung für den Stellmotor zum Antreiben der Buchse.

In den Fig. 1 bis 3 sind verschiedene Ansichten eines Stellventils dargestellt. Ein Gehäuse 2 be­ sitzt die Form eines Rohrabschnittes mit einer ersten und zweiten Stirnfläche 3a und 3b senkrecht zur zentralen Achse 1. Von der ersten Stirnfläche 3a ist eine erste zentrale Bohrung eingearbeitet, welche einen Zuströmkanal 4 bildet. Von der zweiten Stirnfläche 3b her ist eine zweite zentrale Bohrung eingearbeitet, welche Teil eines Abströmkanals 6 ist.

In dem Gehäuse 2 ist am stromabseitigen Ende des Zuströmkanals eine Querwand 30 angeordnet, die quer zur zentralen Achse 1 verläuft und den Ventil­ sitz 32 trägt. Im Zuströmkanal 4, und zwar an dessen Innenwand 5 anliegend, ist eine beidseitig offene Buchse 20 axial verschiebbar gelagert, die mittels zweier umlaufender Dichtungsringe 26 gegen die Innenwand 5 des Zuströmkanals 4 abgedichtet ist und einen Ventilkörper darstellt. Die Buchse 20 besitzt der Querwand 30 benachbart stirnseitig eine umlaufende Schließkante 22, die beim Schlie­ ßen des Ventils gegen einen zuströmseitig angeord­ neten Dichtungsbelag 33 am entsprechend umlaufen­ den Ventilsitz 32 zur Anlage kommt. Um die zum Öffnen des Ventils notwendige Kraft auf ein ge­ wünschtes Maß zu begrenzen, besitzt die Schließ­ kante 22 der Buchse 20 zu ihrer Innenfläche 21 hin eine Innenfase 24, so daß die Schließkante 22 mit einer gegenüber der Wandstärke der Buchse we­ sentlich reduzierten Fläche auf der Querwand 30 zur Anlage kommt. Der Winkel, den die Innenfase gegen die Innenfläche 21 der Buchse 20 einschließt, hat Einfluß auf die Funktion zwischen Durchfluß­ menge und Stellweg und beträgt z.B. 45°.

Auf dem zuströmseitigen Dichtungsbelag 33 der Quer­ wand 30 ist ein Stromleitkörper 34 z.B. mittels einer Schraube 40 befestigt, der die Form eines Kegelstumpfes besitzt und sich mit zunehmendem Ab­ stand von der Querwand 30 verjüngt. Der Durch­ messer des zentralen Stromleitkörpers 34 und die Neigung seiner Außenfläche, d.h. der radiale Ab­ stand zu der in Schließstellung befindlichen Buchse 20, gehen ebenfalls in den Zusammenhang zwischen Durchflußmenge und Stellweg ein.

Der Abströmkanal 6 zweigt stromaufseitig von der Querwand 30 und dem Ventilsitz 32 mit mehreren radialen Kanalabschnitten 8 aus dem Zuströmkanal 4 ab, die dann in axiale Kanalabschnitte 10 über­ gehen, welche an der Querwand 30 axial vorbeige­ führt sind und in die zweite zentrale Bohrung 9 münden.

Wie insbesondere den Fig. 1 und 3 zu entnehmen ist, besitzt die Buchse 20 eine Steuernut 28, die im Ab­ stand a von der Schließkante 22 eine vorgegebene Länge auf dem Außenumfang der Buchse 20 verläuft. Das Gehäuse 2 besitzt im Bereich der Steuernut 28 eine radiale Bohrung 7, in der eine mittels eines Stellmotors antreibbare Antriebswelle 50 drehbar gelagert ist. Die Antriebswelle weist zur Buchse 20 hin einen Exzenterstift 54 auf, der radial in die Steuernut 28 hineinragt und gegenüber der Achse 56 der Antriebswelle 50 eine Exzentrizität e besitzt. Die radiale Bohrung 7 ist so angeordnet, daß deren Achse, und damit auch die Achse 56 der Antriebs­ welle 50, von dem Ventilsitz 32 einen Abstand b aufweist. Bevorzugt ist der Abstand b so gewählt, daß die Bedingung e+a≈b gilt, so daß die Buchse 20 ihre Schließstellung dann erreicht, wenn der Ex­ zenterstift 54 sich auf seiner Kreisbahn dem Ventil­ sitz 32 am stärksten angenähert hat. Bei dieser Be­ messung hebt die Schließkante 22 der Buchse 20 - bei konstanter Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 50 - anfänglich sehr langsam vom Ventilsitz ab und ent­ fernt sich dann mit zunehmendem Drehwinkel rascher vom Ventilsitz 32. Dadurch wird der bei zeitpropor­ tionaler Verstellung der Buchse ansonsten auftreten­ de überproportionale Anstieg der Durchflußmenge kompensiert, und es ergibt sich näherungsweise eine lineare Abhängigkeit zwischen Durchflußmenge und der Verstellzeit, d.h. dem zurückgelegten Drehwin­ kel der Antriebswelle. Zur Beeinflussung des Zu­ sammenhangs zwischen Durchflußmenge und Stellweg bzw. Drehwinkel läßt sich alternativ auch die Steuernut 28 auf dem Außenumfang der Buchse 20 mit geeignetem Kurvenverlauf aufbringen.

Fig. 4 zeigt eine Steuerschaltung zum Betreiben des Stellmotors 60, der die Antriebswelle 50 antreibt. Der Stellmotor 60 ist vorzugsweise als Gleichstromgetriebe­ motor ausgebildet und liegt in dem Querzweig einer Brückenschaltung, die in einem Längszweig die Transistor­ schaltungen T1, T2 und in dem anderen Längszweig die Transistorschaltungen T3 und T4 enthält. Die Basisan­ schlüsse der Transistorschaltungen T1 und T2 sind über je einen Schalter S1 bzw. S2 aussteuerbar und dadurch in den leitenden bzw. nicht leitenten Zustand schalt­ bar. Die Basisanschlüsse der Transistorschaltungen T3 und T4 liegen über gegensinnige Zenerdioden D am ersten Längszweig zwischen den Transistorschaltungen T1 und T2. Bei Betätigung des Schalters S1 geht zusätzlich zu der Transistorschaltung T1 auch noch die diagonal hierzu liegende Transistorschaltung T4 in den leitenden Zu­ stand über, wodurch der Motor 60 im Querzweig der Brückenschaltung Strom I1 in der einen Flußrichtung erhält. Wird dagegen der Schalter S2 betätigt, so geht neben der Transistorschaltung T2 auch noch die diagonal hierzu liegende Transistorschaltung T3 in den leitenden Zustand über, während T1 und T4 sperren, und der Motor im Querzweig der Brückenschaltung erhält Strom I2 in der anderen Richtung, wodurch sich die Drehrichtung um­ kehrt. Auf diese Weise wird eine Ansteuerung des Stell­ motors 60 realisiert, die ohne Relais mit nur zwei Schaltern S1 und S2 arbeitet und eigensicher, insbeson­ dere in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzbar ist.

Anstelle der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausfüh­ rungsform, bei welcher ein Exzenterstift in die Steue­ rung hineinragt und mittels eines Stellmotors 60 an­ treibbar ist, läßt sich auch eine entsprechend axial ausgerichtete Steuernut auf der Außenfläche der Buchse 20 anbringen, die mit einem stationären, z.B. gehäuse­ festen Steuerstift zusammenwirkt. Zur Erzielung der Hub­ bewegung der Buchse 20 wird dann die Buchse 20 mittels eines Stellmotors in eine Drehbewegung versetzt, wo­ durch die Steuernut am Steuerstift vorbeigleitet und dadurch eine axiale Bewegung der Buchse hervorruft.

Claims (12)

1. Stellventil, mit
einem Gehäuse,
einem Ventilsitz in dem Gehäuse,
einem Zuströmkanal stromaufseitig vom Ventilsitz,
einem axial zum Zuströmkanal angeordneten Abströmkanal stromabseitig vom Ventilsitz,
einem verschiebbar gelagerten Ventilkörper, der bei Anlage an den Ventilsitz das Ventil schließt und beim Abheben vom Ventilsitz das Ventil öffnet, und mit
einer Steuereinrichtung zum Verstellen des Ventilkörpers, wobei der Zuströmkanal von einer Querwand begrenzt ist, die den Ventilsitz trägt und stromabseitig vom Ventilsitz in ihrem Randbereich axiale Kanalabschnitte aufweist, und wobei der Ventilkörper als Buchse ausgebildet ist, die im Zuströmkanal gegen dessen Innenwand abgedichtet axial verschiebbar gelagert ist und dem Ventilsitz benachbart eine Innenfase besitzt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die den Ventilsitz (32) aufnehmende Fläche der Querwand (30) in einer Radialebene der Strömungskanäle (4, 6) liegt,
daß durch die Innenfase (24) eine mit dem Ventilsitz (32) zusammenwirkende Schließkante (22) gebildet ist, und
daß der erste Abschnitt des Abströmkanals (6) zwischen dem Ventilsitz (32) und den axialen Kanalabschnitten (10) in der Querwand (30) aus mehreren umfangseitig in die Innenwand (5) des Gehäuses (2) radial eingearbeiteten, mit den axialen Kanalabschnitten (10) korrespondierenden Ringnutenabschnitten (8) besteht.

2. Stellventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfase (24) einen Win­ kel zwischen etwa 20° und 60° zur Innenfläche (21) der Buchse (20) besitzt.

3. Stellventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (20) mindestens eine Steuernut (28) auf ihrer Außenfläche besitzt, und daß das Gehäuse (2) eine die Steuernut (28) frei­ legende radiale Bohrung (7) bzw. die Steuernuten freilegende radiale Bohrungen aufweist.

4. Stellventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Bohrung (7) bzw. die Bohrungen je ein Steuerstift in die Steuernut (28) hineingreift und mittels eines Stellmotors (60) längs einer vorge­ gebenen Bewegungsbahn antreibbar ist.

5. Stellventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bohrung (7) eine mittels eines Stellmotors (60) antreibbare Antriebs­ welle (50) drehbar gelagert ist, welche einen Exzen­ terstift (54) trägt, der in die Steuernut (28) hin­ einragt und die Buchse (20) bei einer Kreisbewegung des Ex­ zenterstiftes (54) axial verstellt.

6. Stellventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuernut (28) bzw. jede der Steuernuten eine Komponente in axialer Richtung besitzt, daß ein stationärer Steuerstift in die Steuernut (28) bzw. je ein stationärer Steuerstift in die Steuernuten hineinragt, und daß die Buchse (20) zur Verwirklichung einer axialen Hubbewegung mittels eines Stellmotors (60) drehantreibbar ist.

7. Stellventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuernut (28) von der Schließkante (22) der Buchse (20) einen vorgegebe­ nen Abstand a besitzt, daß die Achse (56) der in der radialen Bohrung (7) gelagerten Antriebswelle (50) einen vorgegebenen Abstand b von der Ebene des Ven­ tilsitzes (32) aufweist, und daß die Exzentrizität e des Exzenterstifts (54) zur Achse (56) der Antriebs­ welle (50) der Bedingung e+a=b genügt.

8. Stellventil nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Querwand (30) der Schließkante (22) benachbart ein Dichtungsbelag (33) angeordnet ist.

9. Stellventil nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Querwand (30) zu­ strömseitig ein zentraler Stromleitkörper (34) ange­ ordnet ist und sich in den Zuströmkanal (4) hineiner­ streckt.

10. Stellventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleitkörper (34) die Form eines Kegelstumpfes bildet, der sich mit zu­ nehmendem Abstand von der Querwand (30) verjüngt.

11. Stellventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (60), wel­ cher die Antriebswelle (50) antreibt, ein Gleich­ stromgetriebemotor ist, der in dem Querzweig einer aus Transistoren (T1, T2, T3, T4) bestehenden Brückenschaltung angeordnet ist.

12. Stellventil nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) zwei parallele Stirnflächen (3a, 3b) quer zur Achse (1) der Strömungskanäle (4, 6) besitzt.