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Ventildichtung Die Erfindung betrifft die Abdichtung von Ventilen,
insbesondere solchen, die bewegliche Küken in Form von Kugeln aufweisen, wobei der
unmittelbar herrschende Fließmitteldruck die Dichtwirkung der Abdichtungen wirksam
unterstützt.
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Ein Ventil mit Kugelküken, das zwischen zwei Abdichtungen eingebettet
liegt, ist bekannt. Der Ventilkörper weist eine zylindrische Aufbohrung auf, in
die die Abdichtungen sowie das Kugelküken eingepaßt sind. Die an das Kugelküken
aufstrom- und abstromseitig angrenzenden Abdichtungen sind scheibenförmig ausgeführt
und weisen eine der Durchflußöffnung des Kugelkükens entsprechend angeordnete Öffnung
auf. Mittig innerhalb der Abdichtungen und von der Öffnung ausgehend verläuft konzentrisch
zu dieser eine spaltförmige Ausnehmung, und die dem Kugelküken zugewandte Seite
der Abdichtungen ist so ausgeführt, daß die Abdichtungen zwei sich gegenüberliegende
Kalotten des Kugelkükens umschließen. Der bei geöffnetem Ventil sich allseitig und
gleichmäßig verteilende Fließmitteldruck tritt in die spaltförmigen Ausnehmungen
ein und preßt die einzelnen Querschnittsabschnitte der Abdichtungen gegen ihre Auflagerflächen,
so auch gegen das Kugelküken.
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Als Mangel wird bei dieser bekanntgewordenen Ausführungsform empfunden,
daß durch die scheibenförmige Ausbildung der Abdichtungen große zylindrische Flächen
verbleiben, auf die der sich im Hahngehäuse sowohl bei geschlossenem wie auch geöffnetem
Ventil aufbauende Druck angreifen kann, wobei die entstehende Kraft der Kraft entgegenwirkt,
die durch den Fließmitteldruck multipliziert mit der entsprechenden Fläche der scheibenförmigen
Ausnehmung innerhalb der Abdichtung entsteht. Dadurch wird die wirksame Abdichtung
herabgesetzt, was hinsichtlich der Abdichtung der das Küken bewegenden Welle von
Nachteil ist. Bei geschlossenem Ventilküken ist die bekanntgewordene Ventilanordnung
von besonderem Nachteil, weil der sich im Hahnkörper befindliche Druck bei der abstromseitigen
Abdichtung keinen Widerstand findet, so daß die Abdichtung von dem Küken abgehoben
und der Leckfluß in die abstromseitige Rohrleitung eintreten kann.
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Andere Vorschläge wurden gemacht, bei denen die Abdichtungen mechanische
Hilfsmittel, wie Federn, Nocken, betätigte Verschlüsse u. dgl., aufwiesen, die von
der Flüssigkeit oder dem Gas selbst betätigt werden. Solche Einrichtungen sind nachteilig,
da sie einen hohen Teileaufwand erfordern, die Ventile auch zusätzlich schwierigen
Bearbeitungsoperationen unterzogen werden müssen, so daß diese relativ teuer sind
und nicht absolut störungsfrei arbeiten. Darüber hinaus sind diese Ausführungsformen
relativ schwer, was besonders bei ihrer Verwendung bei Flugkörpern von Nachteil
ist, da dadurch die Nutzlast vermindert wird.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, eine Ventildichtung der
eingangs beschriebenen Art zu schaffen, durch die die erwähnten Nachteile vermieden
sind, und bei der das Neue darin besteht, daß die Nut der im Auslaßkanal liegenden
Dichtung sich in deren Außenfläche befindet und der Durchmesser des Nutbodens kleiner
ist als der Durchmesser des Kreises, auf dem die Außenkante der Dichtfläche liegt.
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Durch die erfindungsgemäße Ventilabdichtung wird der Vorteil erzielt,
daß der sich innerhalb des Hahngehäuses aufbauende Druck zur Abdichtung der abstromseitig
angeordneten Abdichtung herangezogen wird, so daß bei geschlossenem Ventil kein
Abheben der an dem Küken anliegenden Dichtfläche erfolgen kann. Auch bei geöffnetem
Ventil wirkt der sich im Hahn- oder Ventilkörper aufbauende Druck auf die entsprechende
Fläche der Nut ein, so daß dadurch ebenfalls die Anpreßkraft der Abdichtung an das
Küken gesteigert wird. Die Abdichtung gemäß der Erfindung ist leicht herstellbar,
wartungsfrei und ohne großen Aufwand in bereits existierende Ventile einbaubar.
Die Ventile, die mit der erfindungsgemäßen Abstromabdichtung ausgerüstet sind, bedürfen
bei
steigenden Strömungsdrücken niedrigerer Schaltkräfte.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung nachfolgend beschrieben.
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Die Figur ist ein Axialschnitt in der Hauptventilebene durch ein Ventil
mit der Abdichtung nach der Erfindung in geschlossenem Zustand.
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Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist hier ein Ventil 10 mit einem
Ventilgehäuse 11, einem drehbaren Kugelküken 12 mit einer Bohrung 13 und einem Schaft
14 dargestellt, der an eine nicht dargestellte Dreheinrichtung zum Drehen des Kükens
angeschlossen ist. Im Ventilgehäuse 11 befinden sich der Einlaßkana115 und der Auslaßkanal16,
die bei Drehung des Kugelkükens 12 durch den Schaft 14 unter Öffnung des Ventils
in Verbindung gebracht werden, so daß ein Fluß von der rechten Seite der Figur einsetzen
kann. Die bei 15 eintretende Flüssigkeit bzw. das Gas fließt durch die Bohrung 13
und den Auslaßkana116 zu den abstromseitigen Teilen des Systems, bei dem die Erfindung
angewandt wird.
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In der in der Figur dargestellten geschlossenen Lage ist das Fließmittel
am Einlaßkanal 15 daran gehindert, über die Dichtung 17 hinauszufließen, wo deren
Kanten am Kugelküken 12 im Kontakt anliegen und dadurch eine Ringdichtung bilden.
Bei offener Ventilstellung ist das Fließmittel auch daran gehindert, am Kugelküken
12 und am Schaft 14 entlang in den Raum 18 auszulecken, da das Kugelküken 12 immer
an den Kanten der Dichtung 17 anliegt und sich gegen diese legt. In ähnlicher Weise
liegt die abstromseitige Dichtung 19 mit ihren Kanten in Kontakt am Kugelküken 12
und bildet so eine Ringdichtung im Auslaßkanal 16 des Ventils 10. Wie nachstehend
erläutert wird, liegen die Dichtungen 17 und 19, die verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung aufweisen, im Einlaßkanal15 bzw. Auslaßkanal 16 des Ventils und halten
den Kontakt mit dem Kugelküken 12 über eine Ringfläche aufrecht, die einen größten
Durchmesser aufweist, der durch das Bezugszeichen D1 wiedergegeben ist (s. Figur).
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Die Dichtungen 17 und 19 nach der Erfindung sind hier zwar auf ein
Ventil mit kugelartigem Küken angewandt, aber es handelt sich hier natürlich nur
um eine Erläuterung und nicht um eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsform.
Die Dichtungen 17 und 19 bestehen aus Kunststoff, wie er gewöhnlich für Dichtungen
verwendet wird und nach dem erforderlichen Elastizitätsgrad und der Verträglichkeit
des Materials mit dem hindurchgeführten Gas oder der Flüssigkeit gewählt wird. Zu
den brauchbaren Materialien für diesen Zweck gehören die Tetrafuorkohlenstoffe.
Weichere Metalle, wie Aluminium, Magnesium, Kupfer, Zink usw., sind bei anderen
Anwendungsfällen geeignet. In den meisten Fällen ergeben jedoch Kunststoffe bessere
Abdichtungen.
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Bei der dargestellten Ausführungsform haben die Dichtungen 17 und
19 im allgemeinen zylindrische Gestalt. Sie sind hohl, und ihre Wände liegen eng
im Einlaßkanal15 und Auslaßkanal16 an. Nach ihrer Einsetzung werden sie durch Nippel
20 und 21 ortsfest gehalten, die in das Ventilgehäuse 11 eingeschraubt sind. Wie
F i g.1 zeigt, enthält die Dichtung 17 auf der Innenseite eine Ringnut oder einen
Schlitz 22, deren Wände 22a und deren Boden 22b auf eine solche Tiefe geschnitten
oder gebildet sind, daß der Durchmesser D1 kleiner ist als der Durchmesser D2 der
Nut. Wie später erläutert wird, ist es für den Betrieb der dargestellten Ausführungsform
wichtig, daß die durch die Kreise gebildete Ringfläche die Durchmesser D1 und D2
hat. Die abstromseitige Dichtung 19 ist mit einer Nut 24 am äußeren Umfang mit Seitenflächen
24a und einem Nutboden 24b versehen.
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Die Nut 24 der Auslaßdichtung mit ihren Seitenflächen 24 a und ihrem
Nutboden 24 b ist der Nut 22 in der Einlaßdichtung im wesentlichen ähnlich, aber
sie liegt an der Außenseite der Dichtung 19 und ist auf eine solche Tiefe eingeschnitten,
daß der Durchmesser D3 des Nutbodens 24 b kleiner ist als D1.
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Bei der praktischen Ausführung der Erfindung sind Umfangsnuten 22
und 24 in den Dichtungen 17 und 19 ausgebildet. Das Fließmittel im Einlaßkanal15
hat einen Druck P und wirkt auf alle Oberflächen. In der Figur ist das Ventil 10
in geschlossener Lage dargestellt, und ein Abwärtsfließen ist durch die Dichtung
verhindert, die zwischen den Kanten der Dichtung 17 und dem Kugelküken 12 hervorgerufen
wird. Das Fließmittel tritt auch in die Nut 22 ein, und ihr Druck wirkt gegen deren
Wände 22a. Da jedoch die Nut 22 mit einer solchen Tiefe ausgebildet ist, daß ihre
Bodenfläche 22b auf einem Durchmesser D2 liegt, der größer ist als der Durchmesser
D1 der Dichtung 17, ist eine Ringfläche, die durch die Kreise von den Durchmessern
D2 und D1 bestimmt wird, dem Druck P ausgesetzt. Aus F i g. 1 ist nun ersichtlich,
daß dadurch eine Verstärkung der Abdichtungskraft auf das Küken durch die Kanten
der Dichtung 17 erzeugt wird. Infolgedessen wird gemäß der Erfindung eine Druckerhöhung
erzielt, die größenordnungsmäßig gleich dem Druck P multipliziert mit der durch
die Durchmesserdifferenz D2-Di bestimmten Ringfläche ist; hierdurch wird die Verbesserung
der Abdichtung am Kugelküken 12 unter allen positiven Druckbedingungen beträchtlich
unterstützt.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, wirkt nach der Figur ein Druck P von
der rechten Seite der Figur in allen Richtungen auf alle Innenteile des Einlaßkanals
15 einschließlich der Dichtung 17. Da eine vergrößerte Druckaufnahmefläche durch
die Differenz zwischen den Durchmessern Dund D1 vorgesehen ist, wird der Dichtung
1'7 eine-Belastung auferlegt, die gleich dem Druck P mal der Ringfläche ist, die
durch die Kreise von den Durchmessern D2 und D1 definiert ist, und dieser Druck
unterstützt die Verhinderung eines Leckens hinter der Dichtungsfläche zwischen Kugelküken
12 und der Vorderkante der Dichtung 17.
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In ähnlicher Weise wird auf der Abstromseite des Ventils 10 innerhalb
des Auslaßkanals 16 und der Dichtung 19 ein entsprechender Zusatzdruck erzielt.
Druck von dem in die Nut 24 der Dichtung 19 durch Lecken zwischen Dichtung 19 und
Ventilgehäuse 11 eintretendem Fließmittel wirkt gegen eine Ringfläche, die durch
die Durchmesserdifferenz Di-D,, bestimmt ist, wobei D3 der innere oder Bodendurchmesser
der Nut ist. Bei Wirkung auf diese Differenzfläche wird eine Hilfskraft an der Berührungsstelle
zwischen Kugelküken 12 und Dichtung 19 erzeugt, wodurch Auslecken oder Durchgang
von Fließmittel weiter verhindert wird.
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Um ein. Auslecken über die Dichtung 19 hinaus zu verhindern, ist der
Nippel 21 in das Ventilgehäuse 11 eingeschraubt, der das in der Figur auf der linken
Seite ersichtliche Ende der Dichtung 19 in dichtem
Kontakt gegen
den Auslaßkanal 16 hält. In ähnlicher Weise wird im Einlaßkanal 15 das rechte Ende
der Dichtung 17 durch den Nippel 20, der in das Ventilgehäuse
11 eingeschraubt ist, in Abdichtungsbeziehung gehalten. Wenn also Fließmittel
in die Nut 24 eintritt, wird eine Verstärkung der Abdichtungskraft durch die Wirkung
des Fließmitteldruckes auf die zwischen den Kreisen mit den Durchmessern Dl und
D3 gebildete Ringfläche hervorgerufen, und diese Kraft ist gleich dem Druck P multipliziert
mit der eben erwähnten Ringfläche.
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Bei der Ventildichtungsanordnung der Figur ergibt sich noch ein anderer
Vorteil der Erfindung, der mit einem sonst nicht erzielbaren Sicherheitsmerkmal
zu tun hat. Beim gewöhnlichen Betrieb von Stöpselventilen der beschriebenen Art
kann etwas Fließmittel in den Raum 18 auslecken, und eine nicht dargestellte Dichtung
auf dem Schaft 14 wird üblicherweise verwendet, um den Raum 18 gegen die Außenseite
des Ventils zu isolieren. Falls die aufstromseitige Dichtung 17 infolge dort vorhandenen
Schmutzes oder Fremdstoffes ausfällt, wird eine zwangsschlüssige Dichtungswirkung
des Ventils in abgeschaltetem Zustand durch die abstromseitige Dichtung 19 mit ihrer
Nut 24 sichergestellt. Es wird daher ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor erhalten,
ohne daß man zusätzliches Gewicht, Komplizierung der Einrichtung oder Zusatzteile
in Kauf nehmen müßte.
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Bei der Erfindung handelt es sich um eine verbesserte Dichtung für
Ventile im allgemeinen und für Kugelventile oder Ventile mit kugelförmigem Küken
im besonderen, wobei in den Dichtungen 17 und 19
Umfangsnuten
22 bzw. 24 angebracht sind, die darin in besonderer Weise und mit
einem besonderen Durchmesser in bezug auf den Durchmesser der Berührungskanten der
Dichtungen ausgebildet sind. Durch diese Erfindung wird der Druck des durch das
Ventil gehenden Fließmittels in einfacher Weise ausgenutzt, um die Abdichtung des
Ventils zu unterstützen. Außerdem wird bei offenem Ventil auch die Verhinderung
des Ausleckens in dem Raum 18 zwischen dem Schaft 14 und dem Ventilgehäuse
11 verhindert, da der Druck noch weiterhin in der Nut 22
wirkt.