DE102019115969A1

DE102019115969A1 - Gas-Sicherheitsventil

Info

Publication number: DE102019115969A1
Application number: DE102019115969.5A
Authority: DE
Inventors: Enno Jan Vrolijk; Christian Petryszak; Daniel Kreuzer; Ante Skocic
Original assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Current assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-17
Also published as: CN210830684U

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil (1) zur Steuerung eines Gasstroms, ausgebildet als Doppelsicherheitsventil, mit einem Schrittmotor, einem Anker (3), einem ersten Ventil mit einem ersten Ventilkörper (4), einer ersten Ventilfeder (5) sowie einem ersten Ventilsitz (6), und einem zweiten Ventil mit einem zweiten Ventilkörper (7), einer zweiten Ventilfeder (8) sowie einem zweiten Ventilsitz (9), wobei eine Bewegung des Ankers (3) aus einer Schließstellung des Sicherheitsventils (1) gegen eine Federkraft der ersten Ventilfeder (5) wirkt und den ersten Ventilkörper (4) von dem ersten Ventilsitz (6) löst und die Bewegung des Ankers (3) gegen eine Federkraft der zweiten Ventilfeder (8) wirkt und den zweiten Ventilkörper (7) von dem zweiten Ventilsitz (9) löst und damit eine Ventilöffnung für einen Durchfluss des Gasstroms freigibt, wobei eine Durchflussmenge des Gasstroms durch die Ventilöffnung über den Schrittmotor zwischen einer Schließstellung und einer vollständigen Öffnungsstellung auch in Teilöffnungsstellungen kontinuierlich regelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gas-Sicherheitsventil zur modulierten Steuerung eines Gasstroms, insbesondere zur Verwendung in einem Gas-Luft-Verbundsystem von Verbrennungsanlagen.
Sicherheitsventile werden im Stand der Technik zusätzlich zu Gasregelventilen eingesetzt und sind in einer Weise konstruiert, dass sie im Störfall, z.B. im Fall eines Stromausfalls automatisch schließen und die Gaszuführung sicher abriegeln. Meist wird zur Steuerung des Sicherheitsventils an einer Spule eine Spannung angelegt, die ab einem gewissen Spannungswert einen Anker bewegt und dabei den Ventilkörper von dem Ventilsitz löst und schlagartig in die vollständig offene Stellung verfährt. Sobald der Strom bzw. die Spannung wegfällt, wird der Ventilkörper über eine Ventilfeder zurück auf den Ventilsitz gedrückt. Bekannt sind dabei auch Doppelsicherheitsventile mit zwei integrierten, redundant vorgesehenen Ventilen, die unabhängig voneinander jeweils einen Ventilkörper aufweisen, die im Störfall jeweils auf eigene Ventilsitze treffen, so dass beide Ventile unabhängig voneinander schließen.
Die bekannten Sicherheitsventile dienen ausschließlich zur Gewährleistung der Sicherheit und sind als AUF-ZU-Ventile ausgebildet, d.h. ihre Ventilöffnung ist entweder vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen. Gleiches gilt entsprechend für die Doppelsicherheitsventile, bei denen ebenfalls beide redundant vorgesehenen Ventile vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen sind. Die Realisierung von Teilöffnungsstellungen ist nicht vorgesehen, da dies über gesonderte, in Reihe geschaltete Gasregelventile erfolgt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein über seine Lebensdauer möglichst exakt modulierbares Sicherheitsventil bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Sicherheitsventil zur modulierten Steuerung eines Gasstroms vorgeschlagen, das als Doppelsicherheitsventil ausgebildet ist. Das Sicherheitsventil ist ausgestattet mit einem Schrittmotor, einem Anker, einem ersten Ventil mit einem ersten Ventilkörper, einer ersten Ventilfeder sowie einem ersten Ventilsitz, und einem zweiten Ventil mit einem zweiten Ventilkörper, einer zweiten Ventilfeder sowie einem zweiten Ventilsitz. Die Bewegung des Ankers wirkt aus einer Schließstellung des Sicherheitsventils gegen eine Federkraft der ersten Ventilfeder und löst den ersten Ventilkörper von dem ersten Ventilsitz. Die Bewegung des Ankers wirkt zudem gegen eine Federkraft der zweiten Ventilfeder und löst auch den zweiten Ventilkörper von dem zweiten Ventilsitz, sodass damit eine Ventilöffnung für einen Durchfluss des Gasstroms freigegeben wird. Die Durchflussmenge des Gasstroms durch die Ventilöffnung ist hierbei über den Schrittmotor zwischen einer Schließstellung und einer vollständigen Öffnungsstellung auch in Teilöffnungsstellungen kontinuierlich regelbar.
Die Nutzung des Schrittmotors ist besonders vorteilhaft, da in exakten Schritten reproduzierbar eine identische Gasmenge eingesteuert werden kann. Das erfindungsgemäße Sicherheitsventil übernimmt somit neben der doppelten Absicherung auch Aufgaben klassischer Regelventile. Das reduziert den benötigten Bauraum und die Kosten.
Dabei ist besonders eine Ausführung günstig, bei der die Regelung des Durchflusses des Gasstroms durch die Ventilöffnung des Sicherheitsventils ausschließlich über einen durch den Schrittmotor gesteuerten Hub des zweiten Ventilkörpers erfolgt.
Der Schrittmotor ist vorzugsweise als linearer mehrpoliger, spulenbetriebener Schrittmotor ohne Rastkraft bzw. Rastmoment ausgebildet. Die Rastkraft ist in jedem Fall geringer als die Federrückstellkraft. Der Aufbau des Schrittmotors ist sowohl mit als auch ohne Permanentmagnet möglich.
Die Federrate (auch als „Federsteifigkeit“ bezeichnet) der zweiten Ventilfeder wird in einem Ausführungsbeispiel gegenüber der Federrate der ersten Ventilfeder höher festgelegt, dass unterstützend zu der Regelung über den Schrittmotor kontinuierlich veränderliche Öffnungsstellungen des zweiten Ventils und mithin des Sicherheitsventils regelbar sind.
Bei einer über den Schrittmotor erzeugten linearen Krafteinwirkung auf den Anker in Richtung der Öffnungsstellung erhöht sich die Vorspannkraft auf die erste Ventilfeder des ersten Ventils. Sobald die von dem Schrittmotor erzeugte Kraft die Federkraft übersteigt, löst sich der erste Ventilkörper von dem ersten Ventilsitz und versetzt das erste Ventil in eine offene Öffnungsstellung.
Das zweite Ventil bleibt aufgrund der höheren Federrate der zweiten Ventilfeder zunächst noch geschlossen und öffnet bei einer weiteren Erhöhung der Krafteinwirkung durch den Schrittmotor auf den Anker in Öffnungsstellungsrichtung.
Die Regelung des Durchflusses des Gasstroms durch die Ventilöffnung des Sicherheitsventils erfolgt ausschließlich über einen Hub des zweiten Ventilkörpers und in Abhängigkeit der durch den Schrittmotor erzeugten Ankerposition.
In einer Ausgestaltung des Sicherheitsventils ist der erste Ventilkörper unmittelbar an dem Anker angeordnet.
Eine weitere Ausführung des Sicherheitsventils sieht vor, dass der Anker zumindest abschnittsweise von einer magnetischen oder nichtmagnetischen Hülse umgeben ist, an welcher der zweite Ventilkörper angeordnet ist. Der Anker ist innerhalb der Hülse beweglich angeordnet. Der Anker bewegt sich angetrieben über den Schrittmotor innerhalb der Hülse in axialer Richtung und wirkt gegen die ebenfalls innerhalb der Hülse angeordnete erste Ventilfeder.
In einer vorteilhaften Ausführung stehen die erste Ventilfeder und die zweite Ventilfeder mit der Hülse in Eingriff. Die zweite Ventilfeder wird getrennt von der ersten Ventilfeder vorzugsweise die Hülse umschließend angeordnet, wobei eine Bewegung des Ankers auf die Hülse übertragbar ist, und mithin über die Hülse mittelbar auf die zweite Ventilfeder einwirkt. Der zweite Ventilkörper ist vorteilhafterweise ebenfalls an der Hülse angeordnet oder ausgebildet.
Ferner sieht eine günstige Ausgestaltung vor, dass der erste Ventilkörper unmittelbar an dem Anker angeordnet und als Ventilkegel ausgebildet ist, welcher den ersten Ventilsitz in der Schließstellung durchdringt. Zudem ist vorteilhaft, wenn der erste Ventilsitz einen kegelförmigen Querschnitt aufweist. Die Abdichtung erfolgt mithin über die Außenmantelfläche des kegelförmigen Ventilkörpers und den komplementär kegelförmig geformten Ventilsitzes. Der als Ventilkegel ausgebildete erste Ventilkörper ist dabei gegenüber dem kegelförmigen Ventilsitz zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung verlagerbar und die Ventilöffnung wird in der Öffnungsstellung und der Teilöffnungsstellung durch einen umlaufenden Spalt zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz bestimmt.
Als bauraumoptimierte Lösung ist bei dem Sicherheitsventil vorgesehen, dass das erste Ventil und das zweite Ventil koaxial angeordnet sind. Zudem ist eine Ausführung des Sicherheitsventils als auswechselbare Moduleinheit vorteilhaft. Eine derartige Moduleinheit zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise als singuläre Einheit aus, die unabhängig von anderen Komponenten einsetzbar ist. Beispielsweise kann eine derartige Moduleinheit in einen Gasweg eingesetzt werden, in dem auch zusätzliche Regelventile verbaut werden.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine seitliche Schnittansicht eines Sicherheitsventils in der geschlossenen Position;
2 eine seitliche Schnittansicht des Sicherheitsventils aus 1 in der Öffnungsstellung;

In den 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines als Moduleinheit ausgebildeten Sicherheitsventils 1 in einer Ausführung als Doppelsicherheitsventil mit zwei koaxial zueinander angeordneten Ventilen in einer seitlichen Schnittansicht gezeigt. Das Sicherheitsventil 1 ist in 1 in der geschlossenen Position, in 2 in der Öffnungsstellung. Es kann in der gezeigten Ausführung in einen beispielsweise durch ein Gas-Luft-Gehäuse 50 gebildeten Gasweg eingesetzt und befestigt werden. Dabei erfolgt die Abdichtung mit der Dichtung 21.
Innerhalb eines Ventilgehäuses 20 ist eine elektrische Spule 2 angeordnet, die einen magnetischen Anker 3 in dessen axial oberen Abschnitt umschließt. Der Anker 3 ist in einer Hülse 10 aufgenommen, die wiederum von einer Abdeckung 22 umgeben ist. An dem Anker 3 ist der der erste kegelförmige Ventilkörper 4 angeordnet, der an dem ersten, ebenfalls im Schnitt kegelförmigen Ventilsitz 6 des ersten Ventils aufliegt. Zwischen dem Anker 3 und der Hülse 10 ist die erste Ventilfeder 5 angeordnet, welche eine permanente axiale Federkraft in axialer Richtung auf den Anker 3 und mithin den ersten Ventilkörper 4 ausübt. Das zweite Ventil wird gebildet durch den an der Hülse 10 befestigten zweiten Ventilkörper 7, den zweiten Ventilsitz 9 und die zweite Ventilfeder 8, die eine permanente axiale Federkraft gegen die Hülse 10 und mithin den zweiten Ventilkörper 7 ausübt. Die zweite Ventilfeder 8 stützt sich mittelbar an dem Gehäuse 20 ab.
Der Anker 3 wird durch einen linearen Schrittmotor 15 in axialer Richtung versetzt. Der Schrittmotor wird über die Vielzahl der in axialer Reihe angeordneten Spulen 2 gesteuert und verändert die axiale Position des Ankers 3 über eine Spindel. Der Schrittmotor 15 erzeugt zur Öffnung des Sicherheitsventils 1 eine Kraft in axialer Richtung auf den Anker 3, die der Federkraft der ersten Ventilfeder 5 und der zweiten Ventilfeder 8 entgegenwirkt. Die Federkraft bzw. Federkonstante der zweiten Ventilfeder 8 ist größer als die Federkraft bzw. Federkonstante der ersten Ventilfeder 5. Der Anker 3 bewegt sich ab Erreichen einer ersten kritischen Position des Schrittmotors 15 innerhalb der Hülse 10 nach axial oben und komprimiert die erste Ventilfeder 5. Der Anker 3 liegt dann axial stirnseitig an der Hülse 10 an, der erste Ventilkörper 4 ist von dem ersten Ventilsitz 6 gelöst und das erste Ventil somit vollständig offen. Die zweite Ventilfeder 8 bleibt anfänglich aufgrund der höheren Federrate noch unkomprimiert, so dass der zweite Ventilkörper 7 noch auf dem zweiten Ventilsitz 9 aufliegt und das Sicherheitsventil 1 geschlossen hält. Bei einem weiteren Versatz des Ankers 3 über den Schrittmotor 5 werden der Anker 3 zusammen mit der Hülse 10 innerhalb der die Axialbewegung der Hülse 10 begrenzenden Abdeckung 22 in axialer Richtung nach oben gedrückt und komprimieren dadurch die zweite Ventilfeder 8. Bei einer ausreichend hohen Krafteinwirkung durch den Schrittmotor 15 beginnt sich der zweite Ventilkörper 7 von dem zweiten Ventilsitz 9 zu lösen, wodurch das zweite Ventil und mithin das Sicherheitsventil 1 geöffnet wird. Aufgrund der ausreichend hoch festgelegten Federrate der zweiten Ventilfeder 8 wird diese nicht schlagartig, sondern in Abhängigkeit von dem Schrittmotor 15 kontinuierlich komprimiert.
Das zweite Ventil und mithin das Sicherheitsventil 1 werden somit über den Schrittmotor 15 bezüglich der Durchflussmenge des Gasstroms durch die Ventilöffnung zwischen einer Schließstellung und einer vollständigen Öffnungsstellung auch in beliebigen Teilöffnungsstellungen kontinuierlich regelbar.
Da die Öffnung des zweiten Ventils, d.h. der Hub des zweiten Ventilkörpers 7 erst oberhalb eines kritischen Werts erfolgt, bleibt das erste Ventil zum Zeitpunkt der Regelung des zweiten Ventils durchgehend vollständig offen und beeinflusst die Regelung nicht. Bei einer Reduzierung der durch den Schrittmotor 15 erzeugten Kraft auf den Anker 3 auf den ersten kritischen Wert schließt das zweite Ventil kontinuierlich, bei einer weiteren Reduzierung der Kraft auf einen Wert unterhalb des ersten kritischen Werts schließt zudem das erste Ventil.

Claims

Sicherheitsventil (1) zur modulierten Steuerung eines Gasstroms, ausgebildet als Doppelsicherheitsventil, mit einem Schrittmotor (15), einem Anker (3), einem ersten Ventil mit einem ersten Ventilkörper (4), einer ersten Ventilfeder (5) sowie einem ersten Ventilsitz (6), und einem zweiten Ventil mit einem zweiten Ventilkörper (7), einer zweiten Ventilfeder (8) sowie einem zweiten Ventilsitz (9), wobei eine Bewegung des Ankers (3) aus einer Schließstellung des Sicherheitsventils (1) gegen eine Federkraft der ersten Ventilfeder (5) wirkt und den ersten Ventilkörper (4) von dem ersten Ventilsitz (6) löst und die Bewegung des Ankers (3) gegen eine Federkraft der zweiten Ventilfeder (8) wirkt und den zweiten Ventilkörper (7) von dem zweiten Ventilsitz (9) löst und damit eine Ventilöffnung für einen Durchfluss des Gasstroms freigibt, wobei eine Durchflussmenge des Gasstroms durch die Ventilöffnung über den Schrittmotor (15) zwischen einer Schließstellung und einer vollständigen Öffnungsstellung auch in Teilöffnungsstellungen kontinuierlich regelbar ist.
Sicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgebildet ist, dass die Regelung des Durchflusses des Gasstroms durch die Ventilöffnung des Sicherheitsventils (1) ausschließlich über einen durch den Schrittmotor (15) gesteuerten Hub des zweiten Ventilkörpers (7) erfolgt.
Sicherheitsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (15) als linearer mehrpoliger, spulenbetriebener Schrittmotor ausgebildet ist.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federkraft der zweiten Ventilfeder (8) größer ist als eine Federkraft der ersten Ventilfeder (5).
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventilkörper (4) unmittelbar an dem Anker (3) angeordnet und als Ventilkegel ausgebildet ist, welcher den ersten Ventilsitz in der Schließstellung durchdringt.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventilsitz einen kegelförmigen Querschnitt aufweist.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der als Ventilkegel ausgebildete erste Ventilkörper (4) gegenüber dem kegelförmigen Ventilsitz zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung verlagerbar ist und die Ventilöffnung in der Öffnungsstellung und der Teilöffnungsstellung durch einen umlaufenden Spalt zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz bestimmt ist.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (3) zumindest abschnittsweise von einer Hülse (10) umgeben ist, an welcher der zweite Ventilkörper (7) angeordnet ist.
Sicherheitsventil nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventilfeder (5) und die zweite Ventilfeder (8) mit der Hülse (10) in Eingriff stehen.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil und das zweite Ventil koaxial angeordnet sind.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als auswechselbare Moduleinheit ausgebildet ist.