DE2125718A1 - Kugelventil mit verbesserter Lagerzapfenanordnung - Google Patents
Kugelventil mit verbesserter LagerzapfenanordnungInfo
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Description
zur Eingabe vom 21. Mai 1971 vA// Name d. Anm. Whitey Research Tool Co,
Die Erfindung bezieht sich auf Ventile und insbesondere auf ein verbessertes Kugelventil.
Die Erfindung ist besonders geeignet für die Verwendung in kleinen
Kugelventilen von der Art, die in Meßgeräten und MeßgerätausrUstungen
verwendet wird, und wird unter besonderer Bezugnahme hierauf beschrieben· Die Erfindung kann aber auch eine allgemeinere
Anwendung finden und kann in vielen Größen von Ventilen für viele Verwendungen ausgeführt werden.
Eine der bekannten Arten von Kugelventilen, welche besonders für die kleinen Größen geeignet ist, die für die Meßgerätausrüstung
benötigt werden, verwendet eine Packung aus einer synthetischen Harzverbindung, wie zum Beispiel Polytetrafluoräthylen.
Diese Art des Ventils ist mit einem Gehäuse versehen, das eine innere Ventilkammer und die Üblichen Einlaß- und Auslaßdurchlässe
aufweist. Die Kugel ist in der Mitte der Kammer angeordnet und eine Ventilbetätigungsspindel erstreckt sich von
der Kugel in axialer Richtung der Kammer zu einer Stelle außerhalb des Gehäuses, Die Packung umgibt die Kugel und die Spindel
und füllt im wesentlichen alle Hohlräume zwischen der Kugel und der Kammer mit Ausnahme der öffnungen aus, die sich von den
Einlaß- und Auslaßdurchlässen zu der Kugel erstrecken.
Gewöhnlich wird die Packung einer zusammendrückenden Vorbelastung durch eine einstellbare Mutter unterworfen, die rund um
die Spindel im oberen Ende der Kammer angeordnet ist. Das Anziehen der Mutter übt eine Druckbelastung auf die Packung aus,
um zu bewirken, daß dieselbe Bit der Außenseite der Kugel und
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mit der Innenwand der Kammer in Dichtungseingriff kommt. Gewöhnlich
sind die Ventile so angeordnet, daß die Einstellung der -■ Packung erfolgen kann, während sich das Ventil im Betrieb befindet.
Diese Ventile sind besonders zufriedenstellend und ergeben eine lecksichere Abdichtung über einen großen Bereich von Betriebsdrücken, weil die vorbelastete Packung keinen Leitungsdruck erfordert,
um eine lecksichere Abdichtung zu gewährleisten.
Es wurde jedoch gefunden, daß sich bestimmte Probeleme ergeben
infolge einer ungleichmäßigen Verteilung von Druckkräften innerhalb der Packung.-Die ungleichmäßige Verteilung wird verständlich
durch eine Untersuchung der Beziehung zwischen Kugel, Spindel und Packung. Zuerst ist das untere Ende der Kugel vollkommen
halbkugelförmig und die untere Hälfte der Packung weist einen halbkugelförmigen Hohlraum auf, der rund um die ganze untere
Hälfte der Kugel paßt. Die obere Hälfte der Packung weist einen halbkugelförmigen Hohlraum auf, der mit dem oberen Ende der
Kugel in Eingriff steht, und eine zylindrische Bohrung, durch welche die Spindel hindurchgeht.
Wenn die Vorbelastung von oben zur Einwirkung kommt, wird die obere Hälfte der Packung gegen die Kugel und die Kugel gegen
die untere Hälfte der Packung gedrückt. Die Packung, die sich w an der Mittellinie direkt unterhalb der Kugel befindet, wird
einer rein axialen Belastung unterworfen. Infolgedessen werden in diesem Bereich der Packung keine Kräfte erzeugt, welche!bewirken,
daß sich dieselbe in seitlicher Richtung bewegt. Da außerdem die direkt unter der Kugel liegende Packung verhältnismäßig
dünn ist, ist die gesamte axiale Ablenkung gering. Wegen dieser Faktoren werden bestimmte Oberflächen nicht vollständig
abgedichtet und eine geringe Abnützung zwischen der^Kugel und
der Packung erzeugt wesentliche Veränderungen in den Druckkräften.
Die Erfindung überwindet die vorstehend angegebenen Probleme
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und sieht ein Kugelventil der beschriebenen Art vor, bei welchem
die resultierenden zusammendrückenden Vorbelastungskräfte innerhalb der Packung stets gleichmäßig verteilt und relativ
zum Mittelpunkt der Kugel radial sind. Dies bewirkt, daß sich die Packung in allen Richtungen bewegt und an allen in Eingriff
stehenden flächen eine Abdichtung erzeugt. Außerdem ist die Abnützung zwischen der Kugel und der Packung rund um die Kugel
gleichmäßiger und demgemäß muß das Nachstellen der Packung in weniger häufigen Intervallen ausgeführt werden. Ebenso wird die
Lebensdauer der Ventile um das Zehnfache und mehr verlängert.
Die Erfindung sieht ganz allgemein ein Kugelventil mit einem Gehäuse
vor, das eine innere Ventilkammer sowie Einlaß- und Auslaßströmungsdurchlässe
begrenzt, welche sich durch das Gehäuse und in die Kammer erstrecken. Ein Kugelteil mit mindestens einer
Bohrung ist in der Mitte der Kammer angeordnet und eine Betätigungsspindel erstreckt sich in radialer Richtung von der Kugel
zu einer Stelle außerhalb des Gehäuses. Die Kammer ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, zylindrisch und die Kugel
und die Spindel sind in axialer Richtung mit der Achse der Kammer ausgerichtet. Eine elastische Packung aus einer synthetischen
Harzverbindung, wie zum Beispiel Polytetrafluoräthylen oder dergleichen, ist in der Kammer angeordnet, um die Kugel zu
umschließen und sowohl mit der Kugel als auch mit der Innenwand der Kammer in Dichtungseingriff k zu kommen. Die Packung füllt
im wesentlichen alle Hohlräume zwischen der Kugel und der Kammer mit Ausnahme der öffnungen aus, die in der Packung zwischen
den Einlaß- und Auslaßdurchlässen und der Kugel ausgebildet sind. Unterhalb der Kugel und mit der Spindel axial ausgerichtet
ist ein starrer Lagerzapfenteil angeordnet, der sich zwischn der Kugel und der Endwand der Kammer durch die Packung erstreckt.
Der Lagerzapfen besteht entweder mit der Kugel aus einem Stück und liegt in einem geringen Abstand von der Endwand oder derselbe
wird von der Endwand getragen und liegt in einem geringen Abstand von der Kugel.
Infolge der Anordnung des Lagerzapfens kann die Packung rund um
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die Kugel vollkommen symmetrisch sein. Außerdem wird der in bekannten
Ventilen vorhandene kurze Abschnitt der Packung eliminiert. Infolgedessen werden die Vorbelastungskräfte gleichmäßig
verteilt und wirken in radialer Richtung der Kugel. Der an den Lagerzapfen angrenzende kleine Zwischenraum ermöglicht, daß eine
dünne Kante oder ein Ansatz der Packung in den Zwischenraum ausgepreßt wird und eine Lagerfläche mit geringer Reibung bildet,
um eine Berührung von Metall auf Metall zu verhindern.
Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht demgemäß in der Ausbildung
eines verkapselten Kugelventils, in welchem die Kugel und die Packung so angeordnet sind, daß die zusammendrückenden Vorbelastungskräfte
in der Packung gleichmäßig verteilt sind und in radialer Richtung der Kugel wirken.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung eines Kugelventils der beschriebenen Art, in welchem die Packung
mit der Innenwand der Ventilkammer und mit der ganzen Außenseite der Kugel gleichmäßig in Eingriff kommt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung eines verkapselten Kugelventils, in welchem die Packung rund um
die Kugel vollkommen symmetrisch ist und die Belastung der Pakkung von oben in der Packung eine gleichmäßig verteilte Druckbelastung
erzeugt.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung eines Kugelventils der beschriebenen Art, welches einfach
herzustellen ist und in welchem das Nachstellen der Packung nur in längeren Intervallen notwendig ist.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung
eines verkapselten Kugelventile, welches einen Lagerzapfenteil aufweist, der sich zwischen der Kugel und der Endwand der
Kammer an einer Stelle erstreckt, die mit der Betätigungsspindel des Kugelventils axial ausgerichtet ist.
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Die Erfindung betrifft daher ein Kugelventil mit einem Gehäuse, das eine innere Ventilkammer sowie Einlaß- und Auslaßströmungsdurchlässe
begrenzt, welche sich durch das Gehäuse und in die Kammer erstrecken. Ein Kugelteil mit einer durchgehenden Bohrung
ist in der Mitte der Kammer angeordnet und eine Betätigungsspindel erstreckt sich von der Kugel in radialer Richtung
zu einer Stelle außerhalb des Gehäuses. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Kammer zylindrisch und die Kugel und
die Spindel sind mit der Achse der Kammer axial ausgerichtet. Eine elastische Packung aus einer synthetischen Harzverbindung,
wie zum Beispiel Polytetrafluoräthylen oder dergleichen, ist in der Kammer angeordnet, um die Kugel zu umschließen und sowohl
mit der Kugel als auch mit der Innenwand der Kammer in Dichtungseingriff zu kommen. Die Packung füllt im wesentlichen alle
Hohlräume zwischen der Kugel und der Kammer aus mit Ausnahme der Öffnungen, die zwischen den Einlaß- und Auslaßdurchlässen
und der Kugel in der Packung ausgebildet sind. Unterhalb der Kugel und mit der Spindel axial ausgerichtet ist ein starrer Lagerzapfenteil
angeordnet, der sich zwischen der Kugel und der Endwand der Kammer durch die Packung erstreckt. Der Lagerzapfen
besteht entweder mit der Kugel aus einem Stück und liegt in einem geringen Abstand von der Endwand oder derselbe wird von der
Endwand getragen und liegt in einem geringen Abstand von der Kugel.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen, in welchen zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Kugelventil gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1,
Fig. 3 in größerem Maßstab den mit einem Kreis versehenen Bereich der Fig. 1 und
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Fig. 4 eine auseinandergezogene schaubildliche Ansicht der Bestandteile
des Ventils gemäß Fig. 1.
Die Figuren 5 und 6 zeigen in größerem Maßstab zwei Lagerzapfenanordnungen.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist ein Gehäuse 10 auf, das aus einem einzigen
Material hergestellt ist, wie zum Beispiel Messing. Diese Art des Gehäuses wird im allgemeinen als ein Stabmaterial-Gehäuse
bezeichnet. Eine zylindrische Ventilkammer 12 erstreckt sich in das Gehäuse 10. Die Kammer 12 ist mit der Außenseite des Gefc
häuses durch ausgerichtete Einlaß- und Auslaßöffnungen 14 bzw. 16 verbunden. Die Achse 17 der öffnungen 14, 16 kreuzt die Achse
18 der Kammer 12 und steht zu derselben senkrecht. Selbstverständlich
können auch andere Arten von Gehäusen und Anordnungen von Einlaß- und Auslaßöffnungen verwendet werden. Das Gehäuse
kann beispielsweise ein mit mehreren öffnungen versehenes Gehäuse sein oder das Ventil kann mehrere öffnungen und verschiedene
Strömungswege aufweisen.
Innerhalb der Kammer 12 ist ein Kugelventilteil 20 angeordnet,
der die Strömung von Medien zwischen der Einlaßöffnung 14 und der Auslaßöffnung 16 regeln kann. Der Kugelventilteil 20 ist
vorzugsweise in der Mitte der Kammer 12 angeordnet, wobei seine * Achse mit der Achse 18 ausgerichtet ist. Die Kugel 20 ist mit
einer durchgehenden Bohrung 21 versehen. Der Durchmesser der Bohrung ist im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Einlaß-
und Auslaßdurchlässe 14, 16. Die Kugel ist durch eine zylindrische,
aufwärts gerichtete Betätigungsspindel 22 um die Achse 18 drehbar angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht
die Spindel 22 mit dem Kugelteil 20 aus einem Stück und ist mit einen Durchmesser der Kugel und der Achse 18 ausgerichtet.
Die Kugel ist in eine elastische Fackung 24 eingekapselt, die
aus einer synthetischen Harzverbindung besteht, wie zum Bei-
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spiel Polytetrafluoräthylen. Bei der dargestellten Ausführungsform
ist die Packung in zwei getrennten Abschnitten 26 und 28 hergestellt, welche die in Fig. 4 gezeigte Form aufweisen. Jeder
der Abschnitte ist mit einer halbkugelförmigen Ausnehmung versehen, welche mit gegenüberliegenden Seiten der Kugel in
Eingriff kommen. Außerdem weisen die Abschnitte zusammenwirkende Ausnehmungen auf, welche die Einlaß- und Auslaßöffnungen begrenzen
und in welchen Metallringe angeordnet werden· Die Ringe können die in der amerikanischen Patentschrift 3.236.495 beschriebene
Form aufweisen.
Die Packung wird einer zusammendrückenden Vorbelastung unterworfen,
um zu bewirken, daß dieselbe mit der Innenwand der Kammer 12 und mit der Außenseite der Kugel 20 in Dichtungseingriff
kommt. Viele Arten von Einrichtungen können verwendet werden, um die zusammendrückende Vorbelastung zur Einwirkung zu bringen.
Bei der dargestellten Ausführungsform besteht die Einrichtung aus einem Stopfbuchsenteil 30, der eine im allgemeinen zylindrische
Form aufweist und der im oberen Ende der Ventilkammer 12 verschiebbar angeordnet ist. Die untere Seite 32 der Stopfbuchse
30 ist im allgemeinen eben und ruht auf der Oberseite der Packung 24 auf. Innerhalb der Stopfbuchse 30 ist eine Buchse
34 angeordnet, die vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen besteht und die eine mittlere axiale Bohrung aufweist, welche
so bemessen ist, daß sie mit der Außenseite der Spindel 22 in Dichtungseingriff kommt. Die Buchse 34 wird von einer in der
Stopfbuchse 30 ausgebildeten Vertiefung 36 dicht passend aufgenommen. Mit der Oberseite der Buchse 34 steht ein zweiter Stopfbuchsenteil
in Form einer Beilagscheibe 38 in Eingriff, welche so bemessen ist, daß sie vom oberen Ende der Vertiefung 36
dicht passend, aber verschiebbar aufgenommen wird. Eine Gewindemutter 40 ist in das äußere Ende der Ventilkammer 12 eingeschraubt.
Durch Anziehen der Mutter 40 wird auf die Buchse 34 eine zusammendrückende Vorbelastung ausgeübt, um zu bewirken,
daß dieselbe mit der Spindel 22 in Dichtungseingriff kommt· Zusätzlich wird durch die Buchse 34 und die Stopfbuchse "430 Kraft
übertragen, um auf die Packung 24 eine zusammendrückende Vorbe-
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lastung zur Einwirkung zu bringen·
Mit dem oberen Ende der Spindel 22 ist ein Handgriff 42 verbunden, um die Lage des Kugelventil teils 20 einzustellen. Der dargestellte
Handgriff ist aus Kunststoff mit einer Metalleinlage 44 hergestellt, welche die Spindel 22 aufnimmt. Bei der dargestellten
Ausführungsform ist der Handgriff mit der Spindel 22 durch eine Stellschraube 46 lösbar verbunden, welche mit einer
Abflachung 48 in Eingriff kommt, die am oberen Ende der Spindel ausgebildet ist.
Um die Einstellung der Mutter 40 zu ermöglichen, während das Ventil in Betrieb ist, gehen ausgerichtete Bohrungen 50 durch
den Handgriff hindurch. Ähnliche im Abstand liegende Blinbohrungen 52 sind in der Oberseite der Mutter 40 ausgebildet. Wenn
die Stellschraube 46 gelöst wird und ein Paar Stangen oder dergleichen nach unten durch die Bohrungen 50 eingeführt und in
Eingriff mit den Blindbohrungen 52 gebracht werden, ist es möglich, die Stopfbuchse 30 durch bloße Drehung des Handgriffs zusammenzudrücken.
Wenn die Stopfbuchse 30 genügend zusammengedrückt ist, können die Stangen entfernt, der Handgriff in seine
Ausgangsstellung verdreht und die Stellschraube 46 wieder angezogen werden.
Wie bereits erwähnt, ergeben sich bei den bekannten verkapsel-"
ten Kugelventilen Probleme durch die ungleichmäßige Verteilung von zusammendrückenden Vorbelastungskräften innerhalb der Pakkung.
Die Erfindung überwindet diese Probleme durch die Anordnung eines besonderen Lagerzapfenteils unterhalb der Kugel 20.
Der Lagerzapfen ist so angeordnet, daß die beiden Hälften der Packung um die Achse 1Θ vollkommen symmetrisch sein können. Außerdem
eliminiert der Lagerzapfen das kurze Stück dar Packung, das sich bei den bekannten Konstruktionen unterhalb der Kugel
befand und das wegen seiner begrenzten Höhe und der mangelnden Ablenkung keine Druckkräfte in einer seitlichen Richtung übertragen konnte, um eine seitliche Bewegung der Packung im unteren
Ende der Ventilkammer zu bewirken.
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In den Figuren 5 und 6 sind zwei Ausführungsformen der Lagerzapfenanordnung
dargestellt, welche als besonders zufriedenstellend befunden worden sind, Fig. 5 zeigt die im Ventil der
Figuren 1 und 2 verwendete Anordnung. Dieselbe besteht aus einem flachen Scheibenteil 56, der von der unteren Endwand der
Ventilkammer 12 getragen wird. Das untere Ende der Kugel 20 ist mit einer Abflachung 58 versehen, welche zu der Achse 18
senkrecht steht und zu der Endwand der Ventilkammer 12 parallel ist. Die Scheibe 56 weist vorzugsweise einen Durchmesser
auf, der im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Ringteile in den öffnungen ist. Die Höhe der Scheibe 56, die in
Fig. 5 mit h bezeichnet ist, ist etwas kleiner als der Abstand D zwischen der Abflachung 58 auf der Kugel und der Endwand der
Ventilkammer 12. Demgemäß findet keine Berührung von Metall auf Metall zwischen der Kugel und der Scheibe 56 statt.
Der Packungsabschnitt 26 ist so bearbeitet, daß derselbe mit dem äußeren Umfang der Scheibe 56 in Dichtungseingriff kommt.
Wenn daher die zusammendrückende Vorbelastung auf die Packung zur Einwirkung gebracht wird, wird eine dünne Kante oder ein
Ansatz der Packung in den kleinen Spalt oder Zwischenraum ausgepreßt und bildet ein Lager, auf dem sich die Kugel drehen
kann. Das Vorhandensein der Scheibe 56 gewährleistet, daß die Druckkräfte innerhalb der Packung in radialer Richtung der Kugel
wirken, und gewährleistet ferner, daß alle Oberflächen, nämlich die Außenseite der Kugel, die Innenwand der Ventilkammer und die Flächen rund um die Ringteile in den öffnungen, mit
der Packung in Dichtungseingriff komwfeen. Außerdem ist die Anordnung
des Lagerzapfens oder des Scheibenteils 56 derart, daß
keine besonderen Dichtungen im Ventilgehäuse oder zwischen dem Lagerzapfen und dem Gehäuse erforderlich sind.
Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung,
gemäß welcher die Kugel 20 mit einem Lagerzapfenteil 60 versehen ist, der mit derselben aus einem Stück besteht. Bei dieser
AusfUhrungeform ist die Höhe H des Lagerzapfenteils 60 etwas
kleiner als der Abstand D der Abflachung der Kugel von der Endwand der Ventilkammer 12· Wenn daher die Packung belastet wird,
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wird eine Kante oder ein Ansatz der Packung unter den Lagerzapfen ausgepreßt und bildet ein Lager, auf dem sich der Lagerzapfen
drehen kann· Der Lagerzapfen 60 erzielt jedoch das gleiche Ergebnis wie der Scheibenteil 56, indem derselbe eine vollkommen
gleichmeäßige Verteilung der Druckkräfte innerhalb der Pakkung bewirkt,
Bei beiden Ausführungsformen der Figuren 5 und 6 ist es wichtig, daß die Höhe des Lagerzapfenteils kleiner ist als der Abstand
zwischen der Abflachung der Kugel und der Endwand der Ventilkammer, da sich sonst eine Berührung von Metall auf Metall
ergeben würde und ein richtiger Eingriff der Kugel und der Packung nicht gewährleistet werden könnte·
Die Erfindung ist mit genügender Genauigkeit beschrieben worden, um dem Fachmann zu ermöglichen, dieselbe herzustellen und
zu verwenden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellten und beschriebenen beispielsweisen Ausführungsformen beschränkt,
die verschiedene Abänderungen erfahren können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Claims (5)
- Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-ing. H. BERKENFELD, Patentanwälte, KölnAnlage Aktenzeichenzur Eingabe vom 21. Mai 1971 vA// Name d. Anm. liihitey Research Tool Co οPATENTANSPRÜ CHEΛ φ) Kugelventil mit einem Gehäuse, das eine innere Ventilkammer aufweist, mit Einlaß- und Auslaßströmungsdurchlässen, die sich durch das Gehäuse und in die Kammer erstrecken, mit einem Kugelteil, der in der Kammer angeordnet ist und der mindestens eine durchgehende Bohrung aufweist, und mit einer mit der Kugel aus einem Stück bestehenden Spindel zum Drehen der Kugel, so daß die Drehung der Kugel die Strömung durch die Einlaß- und Auslaßdurchlässe regeln kann, gekennzeichnetdurch eine elastische Packung (24) aus einer synthetischen Harzverbindung, welche in der Kammer (12) angeordnet ist und die Kugel (20) umschließt, sowie mit der Außenseite der Kugel und der Innenwand der Kammer in Dichtungseingriff steht, wobei in der Packung öffnungen an Stellen ausgebildet sind, die mit den Einlaß- und Auslaßströmungsdurchlässen (14, 16) ausgerichtet sind» unddurch einen starren Lagerzapfenteil (56), auf dem sich die Kugel (20) drehen kann, wobei sich der Lagerzapfenteil (56) zwischen der Kugel (20) und einer Endwand der Kammer (12) durch die Packung (24) erstreckt und mit der Drehachse (18) der Kugel (20) ausgerichtet ist.
- 2. Kugelvaenteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerzapfen (60) mit der Kugel (20) aus einem Stück besteht und daß zwischen dem Lagerzapfen (60) und der Endwand der Kammer (1.2) ein kleiner Zwischenraum vorhanden ist.
- 3. Kugelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerzapfen aus einem zylindrischen Scheibenteil (656) besteht, der zwischen der Kugel (20) und einer Innenwand des Ge-V 52/5 - 11 -109 849/1378häuses (10) angeordnet ist, wobei der Scheibenteil so bemessen ist, daß zwischen der Kugel und dem Scheibenteil ein kleiner Zwischenraum vorhanden ist.
- 4. Kugelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerzapfen (56) zylindrische Form aufweist und die Kugel (20) auf ihrer Außenseite mit einer Abflachung (58) versehen ist, welche zur Drehachse (18) der Kugel senkrecht steht.
- 5. Kugelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß rund um den Lagerzapfen (56, 60) mindestens eine Nut ausgebildet ist.W 52/5 - 12 -109849/1378
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