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Kugelventil Die Erfindung betrifft ein Kugelventil, welches ein Gehäuse
mit einer Ventilkammer enthält, ein Kugelküken in dieser Kammer und zu der Kammer
führende Durchlaßbohrungen, von denen die eine erweitert ist und ein ringförmiges
Zwischenstück enthält, welches sich mit einer radialen Anlagefläche gegen eine Gegenfläche
des Ventilgehäuses legt. Das Kugelventil hat mindestens einen elastischen Dichtungsring
zwischen dem Kugelküken und dem Gehäuse bzw. dem ringförmigen Zwischenstück, der
sich mit einer ebenen Dichtungsfläche gegen eine entsprechende Gegenfläche des Gehäuses
bzw. des Zwischenstückes legt.
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Ein derartiges Kugelventil ist bekannt. Die bekannten Ventile dieser
Art haben eine Reihe von Nachteilen, insbesondere hinsichtlich der einfachen und
billigen Herstellung sowie der sicheren Abdichtung in der geschlossenen Stellung
des Ventils.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kugelventil
zu schaffen, welches zuverlässig arbeitet, in der geschlossenen Stellung sicher
abdichtet und billig in Massenproduktion hergestellt werden kann. Insbesondere wird
dabei eine trotz erhöhter Toleranzen verbesserte Abdichtung in der geschlossenen
Stellung, auch gegenüber hohen Drücken, angestrebt.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß bei einem Kugelventil mit
mindestens einem elastischen Dichtungsring zwischen dem Kugelküken und dem Gehäuse
bzw. einem Zwischenstück, der sich mit einer ebenen Dichtungsfläche gegen eine entsprechende
Gegenfläche des Gehäuses bzw. des Zwischenstückes legt, der innere Teil der Dichtungsfläche
mit mindestens einer ringförmigen Nut versehen ist, die einen zahnartigen, ringförmigen
Vorsprung bildet, welcher an seiner Spitze eine schmale, ebene Ringfläche aufweist,
die mit der Gegenfläche des Gehäuses bzw. des Zwischenringes in Eingriff kommt.
Wichtig ist also die Ausbildung der radialen Dichtungsfläche, derart, daß sie aus
einem äußeren, ebenen (an sich bekannten) Ringteil und einem inneren Ringteil mit
einer oder mehreren Nuten besteht, welche zahnartige Vorsprünge bilden, die sich
an ihrer Spitze mit einer schmalen, ebenen Ringfläche gegen die Gegenfläche des
Gehäuses o. dgl. legen.
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Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung sind die ringförmigen Vorsprünge
im Querschnitt unsymmetrisch derart ausgebildet, daß sie einen Durchtritt der Flüssigkeit
von innen nach außen begünstigen, in entgegengesetzter Richtung jedoch verhindern.
Die ringförmigen Vorsprünge weisen dabei im Querschnitt eine schräge, nach oben
und außen geneigte Fäche und eine zur Achse konzentrische Fläche auf, die durch
die schmale Ringfläche verbunden sind.
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Die Kombination der äußeren radialen Dichtungsfläche mit den inneren
Nuten und Vorsprüngen ist wichtig. Wären die Nuten über den ganzen Teil der radialen
Dichtungsfläche angeordnet, so würde der Flächendruck auf den Zahnspitzen zu groß
sein. Der äußere, ebene Ringteil nimmt den größten Teil der Anpressungskraft auf
und ermöglicht hier einen verhältnismäßig geringen Anpressungsdruck pro Flächeneinheit.
Dieser Teil reicht jedoch nicht zur genügenden Abdichtung aus. Es sind deshalb innen
die ringförmigen Nuten und die Vorsprünge angeordnet, die nach Art einer Labyrinthdichtung
wirken und die Abdichtung wesentlich verbessern. Da der wesentliche Teil der Anpressungskraft
durch den äußeren, ebenen Ringteil aufgenommen wird, wird die Anpressung an den
Spitzen der Zähne in beherrschbaren Grenzen gehalten. Durch die unsymmetrische Ausbildung
der Nuten und der Zähne wird ferner erreicht, daß die Flüssigkeit, die von oben
nach unten durchzudringen sucht, die Zähne nur fester gegen die Gegenfläche des
Gehäuses preßt, so daß die Abdichtung verbessert wird.
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Es ist wichtig, daß die Anpressungskraft durch die ebene Ringfläche
an derjenigen Stelle aufgenommen
wird, an welcher der Dichtungsring
am massivsten ist und den größten Querschnitt aufweist. Es ist ferner wichtig, daß
durch die ebene Ringfläche der größte Teil der Druckflüssigkeit, welcher entlang
der Dichtungsfläche hindurchzutreten sucht, dichtend abgefangen wird, so daß der
Druck an den ringförmigen Nuten und Vorsprüngen bereits stark verringert ist.
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Die Nuten haben, wie weiter unten ausführlich dargelegt, darüber hinaus
den Vorteil, daß durch sie die Wahrscheinlichkeit verringert wird, daß das Material
des Dichtungsringes herausgedrückt wird und in den Weg der durchströmenden Flüssigkeit
gelangt. Der Grund hierfür liegt darin, daß die ringförmigen Einschnitte einen zusätzlichen
Raum darstellen, in welchen das Material des unter Druck stehenden Ringes eintreten
kann, wenn das Ventil sich in der geschlossenen Stellung befindet. Die Kraft, welche
den Dichtungsring in den Ausströmkanal zu drücken sucht, wird dadurch verringert.
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Die ringförmigen Einschnitte und Vorsprünge der Dichtungsringe haben
den weiteren Vorteil, daß die Bearbeitung der Dichtungsflächen der Ventilkammer
und die Größe der Toleranz der Dichtungsringe wenig kritisch ist, da die Elastizität
der Ringe kleinere Abweichungen ausgleicht, ohne die Abdichtung zu beeinträchtigen.
Ferner ist es im Fall einer Auswechselung des Ringes leichter, einen passenden Dichtungsring
zu finden, da die Toleranzen verhältnismäßig groß sein können.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele dargestellt.
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F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Kugelventil nach der Erfindung;
F i g. 2 ist ein vergrößerter Teilschnitt wie F i g. 1, der das Ventil in der geschlossenen
Stellung zeigt; F i g. 3 ist eine Draufsicht auf einen der Sitzringe der F i g.
1 und 2 nach 3-3 der F i g. 2; Fig.4 ist ein vergrößerter Querschnitt durch den
Sitzring nach 4-4 der F i g. 3; F i g. 5 ist ein Querschnitt wie F i g. 4, der eine
abgeänderte Ausführungsform des Sitzringes zeigt; F i g. 6 ist ein teilweiser vergrößerter
Querschnitt, der den oberen Teil des Sitzringes der F i g. 4 zeigt. Das in F i g.
1 dargestellte Kugelventil nach der Erfindung ist mit dem allgemeinen Bezugszeichen
110 bezeichnet.
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Das Kugelventil 110 enthält ein Ventilgehäuse 112, dessen Enden
114 und 116 mit Gewinde versehen sind und das eine Ventilkammer 118 enthält. In
der Ventilkammer ist ein drehbares Kugelküken 120 angeordnet, welches mit Dichtungsringen
122 zusammenarbeitet, die in der nachstehend beschriebenen Weise ausgebildet sind.
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Um das Kugelküken 120 zwischen der offenen Stellung der F i g. 2 zu
drehen, ist eine Spindel 124 vorgesehen, die in einer Haube 126 des Ventilgehäuses
gelagert ist. Die Spindel 124 hat eine nach unten gerichtete Zunge 124 a, welche
lose in eine Nut 120 a des Kugelkükens 120 eingreift, so daß das Kugelküken mit
der Spindel gedreht wird. Das obere Ende der Spindel hat eine oder mehrere Abflachungen
124b, welche in einen Handgriff 128 eingreifen. Eine Mutter 130 ist mit dem
oberen Ende der Spindel 124 verschraubt, um den Handgriff zu halten. Eine Anschlagplatte
132 dreht sich mit der Spindel und kommt mit (in der Zeichnung nicht dargestellten)
Anschlagstiften in Eingriff, um die Drehung der Spindel und des Kugelkükens zwischen
einer offenen und einer geschlossenen Stellung zu begrenzen. Die Spindel 124 wird
in der Haube 126 durch eine Mutter 134 gehalten. Ein Dichtungsring 136 ist zwischen
der Spindel und der Haube des Ventilgehäuses angeordnet, um einen Durchtritt der
Flüssigkeit zu verhindern.
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An den Enden des Ventilgehäuses 112 sind überwurfmuttern 138 und 140
angeordnet, die das Ventil mit den Anschlußleitungen 142 und 144 verbinden. Dichtungsringe
146 und 148 sind an den Enden des Ventilgehäuses angeordnet, um eine Abdichtung
zwischen den überwurfmuttern und dem Ventilgehäuse zu gewährleisten.
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Das Kugelküken 120 hat eine Durchflußöffnung 120 b, die in der geöffneten
Stellung des Ventils mit den Durchflußöffnungen 112a und 112b des Ventilgehäuses
übereinstimmt. Die Bohrungen 112a und 112b befinden sich in der geöffneten Stellung
des Ventils gegenüber der Bohrung 120b des Kugelkükens, so daß die Flüssigkeit in
der geöffneten Stellung des Ventils durch dieses hindurchströmen kann. Die Öffnung
112 b ist in dem Zwischenstück 149 angeordnet. Das Zwischenstück 149 legt sich gegen
einen kleinen Absatz 112c des Ventilgehäuses in der vergrößerten Bohrung 112d.
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Jeder der Dichtungsringe 122 hat eine ebene, radiale Anlagefläche
122 a (s. insbesondere F i g. 4) und eine äußere, konische Anlagefläche
122b, die mit einer ebenen Ringfläche 118a (F i g. 2) bzw. einer konischen
Fläche 118b des Ventilgehäuses bzw. des Zwischenstückes in Eingriff kommen. Die
konischen Flächen des Dichtungsringes und des Ventilgehäuses sind gegenüber den
Achsen der Dichtungsringe nach außen geneigt. Diese Anordnung ermöglicht einen verbesserten
Druckausgleich für den Dichtungsring am Zuflußende des Ventils in der geschlossenen
Stellung desselben, wie in F i g. 2 dargestellt, wobei der Dichtungsring am Zuflußende
sich von dem Ventilkörper abhebt. Die Ecken des Dichtungsringes, an denen die Dichtungsflächen
122a und 122b zusammenstoßen, sind abgeschrägt, wie beim Bezugszeichen 122
c der F i g. 4 dergestellt, um eine Anlage der Dichtungsringe ohne enge Fertigungstoleranzen
zu ermöglichen. Jeder der Dichtungsringe hat eine zylindrische Bohrung 122 d vom
gleichen Durchmesser wie die Durchflußöffnungen 112 a und 112 b (F
i g. 2) und eine kugelförmige Fläche 122e, die mit der Außenfläche des Kugelkükens
120 in Eingriff kommt, um dieses drehbar in der Ventilkammer 118 zu lagern, und
eine ebene, radiale Fläche 122f.
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Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung hat die hintere Dichtungsfläche
122a des Dichtungsringes eine äußere ebene, ringförmige Fläche
150
(F i g. 6) in der Nähe der Abschrägung 122 c und eine Mehrzahl von ringförmigen
Nuten 152, welche ringförmige Vorsprünge 154 bilden, deren Spitzen schmale, ebene
Ringflächen 154a gegenüber vier Gegenfläche 118 a des Ventilgehäuses darstellen:
Die Vorsprünge 154 wirken als elastische Federglieder, so daß ihre Ringflächen
154a bis zu einem gewissen Grade flachgedrückt werden und eine wirksame Abdichtung
ergeben, wenn auf die Flächen 122 e und 122f des Ringes ein Druck ausgeübt
wird, der diesen gegen die ebene Ringfläche 118a der VentilkamMer drückt. Da infolge
der Nuten 152 die Kontaktfläche zwischen der ebenen Fläche 118a der Ventilkammer
und
dem Ring verhältnismäßig klein ist, ist der Druck pro Flächeneinheit zwischen diesen
Teilen verhältnismäßig groß, woraus eine sicherere Abdichtung resultiert. Die Dichtungsringe
122 können aus Tetrafluoräthylen oder einem anderen Kunststoff bestehen.
Es hat sich herausgestellt, daß bei Benutzung eines solchen Materials die Tendenz
des Ringes, in kaltem Zustand zu »fließen«, infolge der elastischen Wirkung der
Vorsprünge 154 verringert wird.
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Die ebenen Ringflächen 118 a (F i g. 2) sind radial, d. h. senkrecht
zu der Achse der Ringe angeordnet, ebenso wie die Flächen 150 (F i g. 4 und 6) der
Dichtungsringe. Die Ringflächen 154a der Vorsprünge 154 reichen bis zur Ebene
der Fläche 150, so daß die Flächen 118 a und 150 auf konzentrischen Bahnen stets
miteinander im Eingriff stehen.
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Die ringförmigen Vorsprünge sind im Querschnitt unsymmetrisch derart
ausgebildet, daß sie ein Hindurchtreten der Flüssigkeit in radialer Richtung nach
außen gestatten, in entgegengesetzter Richtung jedoch verhindern. Dies ist erwünscht,
wenn das Ventil sich in der geschlossenen Stellung befindet. Um dies zu erreichen,
sind die ringförmigen Nuten 152 derart ausgebildet, daß die ringförmigen Vorsprünge
154 unter dem Einfluß einer nach außen (in F i g. 6 nach oben) gerichteten Flüssigkeitsströmung
leichter nachgeben. Wie am besten aus F i g. 6 ersichtlich, haben die Nuten 152
zwei sich schneidende Flächen 154b und 154c; die erste Fläche ist eine zylindrische
Fläche, die koaxial zur Achse des Ringes angeordnet ist; die zweite Fläche ist gegenüber
der ersten in einem Winkel von etwa 60° schräg nach außen und vom Kugelküken weggeneigt.
Wenn das Ventil sich in der geschlossenen Stellung der F i g. 2 befindet und die
Durchflußöffnung 112b unter Druck steht, wird daher das Kugelküken 120 leicht
nach links verschoben, wobei der linke Dichtungsring 122 etwas komprimiert wird.
Der rechte, auf der Zuflußseite gelegene Dichtungsring 122 folgt dem Kugelküken,
wodurch der Druck zu beiden Seiten dieses Ringes ausgeglichen wird. Die Neigung
der ringförmigen Vorsprünge läßt die Flüssigkeit leichter nach außen durchtreten
und an dem rechten Dichtungsring 122 vorbeiströmen.
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Ein anderer Vorteil der ringförmigen Einschnitte besteht darin, daß
durch sie die Wahrscheinlichkeit verringert wird, daß das Material des Dichtungsringes
herausgedrückt wird und in den Weg der durchströmenden Flüssigkeit gelangt. Der
Grund hierfür liegt darin, daß die ringförmigen Einschnitte einen zusätzlichen Raum
darstellen, der von dem Material des Ringes eingenommen werden kann, wenn dieser
unter Druck gesetzt wird, insbesondere wenn das Ventil sich in der geschlossenen
Stellung befindet.
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Die Flüssigkeit in der Ventilkammer 118 drückt auch auf die vordere
Fläche 122f des auf der Abflußseite gelegenen Dichtungsringes 122 und drückt ihn
gegen die Flächen 118 a und 118 b (F i g. 2) der Ventilkammer,
was ebenfalls die Abdichtung zwischen dem Ring und diesen Flächen verbessert. Die
Gesamtkraft, die auf den linken Ring der F i g. 2 einwirkt, ist etwa gleich dem
Flüssigkeitsdruck multipliziert mit der Größe einer Kreisfläche, deren Radius gleich
dem Außenradius der Fläche 122f ist. Diese Kraft wird auf einer verhältnismäßig
kleinen Fläche auf die Gegenfläche 118 a der Ventilkammer übertragen, so daß der
Druck pro Flächeneinheit an den Berührungsstellen des Dichtungsringes sehr hoch
ist und eine gute Abdichtung gewährleistet. Darüber hinaus hat die Flüssigkeit,
die an den im Querschnitt sägezahnartigen Vorsprüngen 154 radial nach innen (nach
unten der F i g. 6) vorbeizuströmen sucht, die Tendenz, die Zähne derart abzubiegen,
daß sie nur noch fester gegen die Gegenfläche 118a des Gehäuses gedrückt werden.
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Wenn das Ventil geöffnet ist, werden auf beide Dichtungsringe nur
verhältnismäßig geringe Kräfte in axialer Richtung ausgeübt, so daß das Kugelküken
120 in die Mittelstellung zwischen den beiden Dichtungsringen 122 zurückkehrt,
wie in F i g.1 dargestellt, da die elastische Wirkung beider Dichtungsringe etwa
gleich groß ist. In dieser Stellung ist die Reibung zwischen den Dichtungsringen
und dem Kugelküken gering, so daß das Kugelküken leicht in beiden Richtungen gedreht
werden kann. Da die beiden Dichtungsringe 122 unter sich gleich sind, kann der Flüssigkeitsstrom
durch das Ventil ohne weiteres umgekehrt werden. Die ringförmigen Einschnitte und
Vorsprünge der Dichtungsringe haben den weiteren Vorteil, daß die Bearbeitung der
Dichtungsflächen' der Ventilkammer weniger kritisch ist, da die Elastizität der
Vorsprünge kleinere Abweichungen ausgleicht, ohne die Abdichtung zu beeinträchtigen.
Ferner ist es im Fall einer Auswechslung des Ringes an Ort und Stelle leichter,
einen passenden Dichtungsring für ein bestimmtes Ventil zu finden, da der Dichtungsring
mit größeren Toleranzen paßt.
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Wenn das Ventil nur für eine Strömungsrichtung benutzt wird, kann
gewünschtenfalls auch ein einziger Dichtungsring verwendet werden.
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Statt einer Mehrzahl von ringförmigen Einschnitten kann gewünschtenfalls
auch ein einzelner ringförmiger Einschnitt vorgesehen sein, so daß ein einzelner
Vorsprung 154 entsteht. Ein solcher Dichtungsring ist in F i g. 5 dargestellt. Dieser
Dichtungsring ist mit dem allgemeinen Bezugszeichen 222 bezeichnet. Er hat eine
Sitzfläche 222a, die mit der Gegenfläche 118 a der Ventilkammer in Eingriff kommt,
und eine im wesentlichen konische, äußere Sitzfläche 222 b, die mit der Fläche
118 b des Gehäuses in Eingriff kommt. Die äußere Umfangsfläche des Dichtungsringes
222 ist abgeschrägt, wie beim Bezugszeichen 222c dargestellt. Der Dichtungsring
hat eine zylindrische Bohrung 222d vom gleichen Durchmesser wie die Durchflußöffnungen
112a und 112 b (F i g. 2) und eine teilkugelförmige Fläche 222 e,
die
mit der Außenfläche des Kugelkükens 120 in Eingriff kommt. Die Vorderfläche
222f des Dichtungsringes ist eine ebene Ringfläche.
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Die rückseitige Sitzfläche 222a des Dichtungsringes enthält einen
äußeren, ebenen ringförmigen Teil 250 neben der Abschrägung 222c und einen ringförmigen
Einschnitt 252 von kleinerem Durchmesser, so daß ein im Querschnitt etwa dreieckiger
ringförmiger Vorsprung 254 mit einer Spitze 254 a gebildet
wird. Der Vorsprung wird durch eine zylindrische Fläche 254 b
und eine Schrägefläche 254 c derart begrenzt, daß der Vorsprung
schräg nach außen und vom Kugelküken weggeneigt ist.
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Die Wirkungsweise des Dichtungsringes 222 ist ähnlich der des Dichtungsringes
122. Der ringförmige Vorsprung 254 wirkt als elastisches Federglied und gewährleistet
eine gute Abdichtung auch bei geringen Drücken.