DE3641741A1 - Kugelhahn mit sinterkeramischen sitzringen und sinterkeramischer ventilkugel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf einen Kugelhahn, ins­ besondere für lösungsmittelhaltige Stoffströme und Stoffströme mit ab­ rasiven Feststoffbeimischungen, - mit Gehäuse, sinterkeramischen Sitzringen, sinterkeramischer Ventilkugel und durch eine Wellendich­ tung des Gehäuses geführter Betätigungswelle für die Ventilkugel, wobei die Sitzringe unter Zwischenschaltung einer Dichtung in das Gehäuse eingesetzt sind und von einem im Gehäuse abgestützten elastischen Element mit einer Druckkraft beaufschlagt sind, wobei die Ventilkugel zwischen Sitzflächen der Sitzringe elastomerfrei dich­ tend angeordnet ist.

Der gattungsgemäße Kugelhahn ist vorzugs­ weise eine Durchgangsarmatur mit einer Ventilkugel, die eine gerade Durchgangsbohrung aufweist. Die Durchgangsarmatur ist als Absperr­ armatur oder Regelarmatur gleichermaßen einsetzbar. Unter den Ober­ begriff fällt jedoch auch eine Armatur, die als Mehrwegarmatur aus­ gestaltet ist und beispielsweise eine Anordnung der Ein- und Aus­ trittsöffnungen gemäß der GB 21 37 735 aufweist.

Bei dem aus der Patentanmeldung P 35 45 547.0-12 bekannten gat­ tungsgemäßen Kugelhahn ist die Sitzfläche der Sitzringe sphärisch geschliffen. Die Sitzringe umschließen die Ventilkugel kalottenförmig. Die Berührungsfläche zwischen der Ventilkugel und den Sitzringen ist breit, und die Abdichtung ist eine flächenförmig wirkende Dich­ tung. Die bekannte Anordnung ist nicht frei von Nachteilen. Sie er­ fordert eine äußerst präzise Fertigung der Ventilkugel und der Sitz­ ringe sowie eine technisch sehr aufwendige, exakte Anpassung der Sitzflächen an die Ventilkugel. Eine paarweise Fertigung des aus den Sitzringen bestehenden Ventilsitzes und der Ventilkugel ist erforder­ lich. Die erreichbare Flächenpressung an der Dichtfläche ist klein, nicht zuletzt auch deshalb, weil die Ventilkugel im Ventilsitz drehbar sein muß. Selbst dann, wenn eine sehr gute Maßgenauigkeit eingehal­ ten wird, ist die Dichtigkeit des bekannten Kugelhahns verbesserungs­ bedürftig. lm Unterschied zu Armaturen, bei denen die Sitzringe aus einem weichen Material bestehen, verbessert sich die Dichtigkeit des gattungsgemäßen Kugelhahns aufgrund der keramischen Werkstoff­ paarung auch bei langer Betriebsdauer nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kugelhahn so weiter auszubilden, daß er eine gute Dichtigkeit auf­ weist und auch bei hohen Betriebsdrücken als Absperrarmatur ein­ setzbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die Ventilkugel entlang umlaufender Dichtungslinien an den Sitzflächn der Sitzringe anliegt. - Die Kontaktfläche zwischen der Ventilkugel und den Sitz­ flächen der Sitzringe ist erfindungsgemäß zu einer umlaufenden Dich­ tungslinie entartet. Dichtungslinie meint eine Berührungslinie mit einer gegenüber der Sitzfläche vernachlässigbaren Breite. Die Erfin­ dung beruht auf der Erkenntnis, daß eine wirksame Abdichtung zwischen den Sitzringen und der Ventilkugel nicht eine große Dich­ tungsfläche, sondern eine große Flächenpressung erfordert. Bei vor­ gegebener Andruckkraft zwischen der Ventilkugel und den Sitzringen ist die Flächenpressung um so größer, je schmaler die Kontaktfläche ist. Andererseits nehmen die Anforderungen an die Maßhaltigkeit und die Oberflächengüte der aufeinanderwirkenden Dichtungselemente mit abnehmender Breite der Kontaktfläche beachtlich zu. Überraschender­ weise wurde nun bei einem Kugelhahn mit sinterkeramischen Sitzrin­ gen und sinterkeramischer Ventilkugel festgestellt, daß eine sehr gute Dichtigkeit dann erreichbar ist, wenn die Kontaktfläche zu einer Berührungslinie im mathematischen Sinne, also zu einer Dich­ tungslinie vernachlässigbarer Breite, entartet ist.

Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist die Sitzfläche der Sitzringe als Mantelfläche eines Innenkonus ausgebildet, die tangentenförmig an der Ventilkugel anliegt. Diese Ausführungsform ist auch in fertigungstechnischer Hinsicht sehr vorteilhaft. Die Anfor­ derungen an die einzuhaltenden Durchmessertoleranzen der Ventilkugel sind, anders als bei Sitzringen mit sphärisch geschliffener Sitzfläche, nicht sehr groß. Größere Toleranzen im Ventilkugeldurchmesser wirken sich nur auf die Lage der Dichtungslinie am Ümfang der Ventilkugel nicht aber auf die Dichtigkeit zwischen Ventilkugel und Ventilsitz aus. Entscheidend für die Dichtigkeit ist nur, daß die Ventilkugel exakt kreisrund ist. Dies macht, anders als die Einhaltung enger Durchmessertoleranzen, fertigungstechnisch keine besonderen Schwierig­ keiten. Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Sitzfläche der Sitzringe als profilierte Oberfläche mit Dichtungsrippen ausgebildet ist. Bei dieser Ausführung liegt die Ventilkugel entlang einer Mehrzahl im Abstand zueinander verlaufender Dichtungslinien an. Eine solche Ausführung kann dann sinnvoll sein, wenn sehr große Betriebsdrücke abgedichtet werden müssen und wenn hohe Anforderun­ gen an die Betriebssicherheit der Armatur gestellt werden.

Die Sitzringe liegen an einem im Gehäuse abgestützten elastischen Element an. Im Rahmen der Erfindung liegt es, als elastisches Ele­ ment eine Weichdichtung einzusetzen, die zugleich Dichtungselement und Federelement ist. Die Anordnung einer Weichdichtung als elasti­ sches Element setzt jedoch voraus, daß die Baulänge der aus den Sitzringen und der Ventilkugel bestehenden Anordnung sehr genau eingehalten wird. Ein verschleißbedingter Spaltausgleich ist nur be­ grenzt möglich. Wenn größere Toleranzen zulässig sein sollen sieht die Erfindung die Anordnung einer Druckfeder vor, die an der Stirn­ seite der Sitzringe anliegt. Die Abdichtung der Sitzringe gegenüber dem Gehäuse erfolgt zweckmäßigerweise durch am äußeren Umfang der Sitzringe angeordnete Weichdichtungen. In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, daß den Sitzringen eine hydraulisch oder pneu­ matisch betätigbare Andruckvorrichtung zugeordnet ist. Die Andruck­ vorrichtung erlaubt die genaue Einstellung der Andruckkraft an den Sitzringen und der Flächenpressung an den Dichtungslinien unabhän­ gig vom Verschleißzustand. Sie gestattet fernerhin eine variable Ein­ stellung der Andruckkraft derart, daß die Andruckkraft bei Betäti­ gung der Ventilkugel reduziert und in der Betriebsstellung vergrößert wird. Dadurch kann einerseits der Verschleiß an der Ventilkugel sowie an den Sitzflächen der Sitzringe reduziert werden, ohne daß die Dichtwirkung im normalen Betriebszustand leidet. Fernerhin sind die für die Betätigung der Ventilkugel erforderlichen Stell- bzw. Antriebs­ kräfte aufgrund der geringeren Reibung an den Dichtungslinien ge­ ringer, so daß mit kleineren Antriebsaggregaten gearbeitet werden kann. Zur Ausgestaltung einer hydraulisch oder pneumatisch betätig­ baren Andruckvorrichtung lehrt die Erfindung in konstruktiver Hin­ sicht, daß die Andruckvorrichtung eine dem Sitzring zugeordnete Druckkammer für ein Druckmedium aufweist, an die der Sitzring unter Zwischenschaltung einer Dichtung angeschlossen ist.

Gegenüber der bekannten gattungsgemäßen Armatur mit sphärisch ge­ schliffenen Sitzflächen und breiter Kontaktfläche zwischen der Ventil­ kugel und den Sitzflächen der Sitzringe weist der erfindungsgemäße Kugelhahn zahlreiche Vorteile auf. Er zeichnet sich durch eine gute Dichtigkeit und geringe Leckrate auch bei hohen Betriebsdrücken aus. Die Antriebskräfte zur Betätigung der Ventilkugel sowie das erforderliche Losdrehmoment bei zur Inkrustierung neigenden Stoff­ strömen ist wegen der kleinen Kontaktfläche zwischen den Sitzringen und der Ventilkugel gering. Aufgrund der Linienberührung von Ventil­ kugel und den Sitzringen besteht die Gefahr eines Verklemmens von Feststoffpartikeln zwischen Ventilkugel und Ventilsitz nicht. Es ent­ fallen damit Dichtungsprobleme durch festgeklemmte Feststoffteilchen, fernerhin reduziert sich der Verschleiß an der Dichtungsfläche trotz großer Flächenpressung. Bei der bevorzugten Ausführungsform mit konisch geschliffener Sitzfläche der Sitzringe kommen fertigungstech­ nische Vorteile hinzu. Weil die Ventilkugel und die Sitzringe nicht, wie bei sphärisch geschliffenen Sitzringen, paarweise eingeschliffen werden müssen, vereinfacht sich die Ersatzteilhaltung und reduzieren sich die Lagerkosten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausfüh­ rungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zei­ gen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Gegenstand,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, ebenfalls im Ausschnitt,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Er­ findung.

Der in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Kugelhahn ist insbesondere für lösungsmittelhaltige Stoffströme und Stoffströme mit abrasiven Feststoff­ beimischungen geeignet. Zum grundsätzlichen Aufbau gehören ein druckfestes Gehäuse 1, ein Ventilsitz aus sinterkeramischen Sitzrin­ gen 2, eine sinterkeramische Ventilkugel 3 mit Betätigungswelle 4, die durch eine Wellendichtung 5 des Gehäuses 1 geführt ist. Die Ven­ tilkugel 3 ist zwischen Sitzflächen 6 der Sitzringe 2 elastomerfrei dichtend angeordnet. Die Sitzringe 2 sind gegenüber dem Gehäuse 1 abgedichtet und liegen an einem im Gehäuse 1 abgestützten elastischen Element 7 an. Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungs­ beispiel ist das elastische Element 7 als Weichdichtung ausgebildet, das zugleich Dichtungselement und Federelement ist. Das Gehäuse 1 ist mehrteilig ausgeführt und besteht aus einem Mantelteil 8 sowie Flanschteilen 9, die unter Zwischenschaltung von Gehäusedichtun­ gen 10 miteinander verschraubt sind.

Die Ventilkugel 3 liegt entlang umlaufender Dichtungslinien 11 an den Sitzflächen 6 der Sitzringe 2 an. Die Dichtungslinien 11 haben eine gegenüber der Sitzfläche 6 vernachlässigbare Breite. Bei der in den Fig. 1, 2 und 4 dargestellten Ausführung der Erfindung ist die Sitzfläche 6 der Sitzringe 2 als Mantelfläche eines lnnenkonus ausgebildet, die tangentenförmig an der Ventilkugel 3 anliegt. Die Abdichtung erfolgt an einer kreisförmigen Dichtungslinie 11. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung der Erfindung ist die Sitzfläche 6 der Sitzringe 2 als profilierte Oberfläche mit Dichtungsrippen 12 ausgebildet. Die Abdichtung erfolgt hier an einer Mehrzahl im Ab­ stand voneinander verlaufenden Dichtungslinien 11. Die Sitzringe 2 liegen stirnseitig an einer Druckfeder 13 sowie an ihrem äußeren Um­ fang an einer Weichdichtung 14 an. Die Druckfeder 13 ermöglicht im Unterschied zu einem gummielastischen Federelement einen größeren Längenausgleich ohne Beeinträchtigung der Andruckkraft und ermög­ licht daher einen Verschleißausgleich an den Dichtungsrippen 12.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist den Sitzringen eine hydraulisch oder pneumatisch betätigbare Andruckvorrichtung 15 zugeordnet. Zum grundsätzlichen Aufbau der Andruckvorrichtung 15 gehört eine jeweils dem Sitzring 2 zugeordnete Druckkammer 16, an die der Sitzring 2 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 17 ange­ schlossen ist. Die Druckkammer 16 ist im Ausführungsbeispiel als Ringkammer ausgebildet. Über eine gehäuseseitige Bohrung 18 kann der Druckkammer 16 ein Druckmedium zugeführt werden. Durch die Andruckvorrichtung 15 ist eine genaue Einstellung der Andruckkraft und der Flächenpressung an der Dichtungslinie 11 möglich. Vorzugs­ weise wird die Andruckkraft während der Betätigung der Ventilkugel 3 reduziert und im normalen Betriebszustand vergrößert.

Claims (6)

1. Kugelhahn, insbesondere für lösungsmittelhaltige Stoffströme und Stoffströme mit abrasiven Feststoffbeimischungen, - mit
Gehäuse,
sinterkeramischen Sitzringen,
sinterkeramischer Ventilkugel und
durch eine Wellendichtung des Gehäuses geführter Betätigungs­ welle für die Ventilkugel,
wobei die Sitzringe unter Zwischenschaltung einer Dichtung in das Gehäuse eingesetzt sind und von einem im Gehäuse abgestützten elastischen Element mit einer Druckkraft beaufschlagt sind, wobei die Ventilkugel zwischen Sitzflächen der Sitzringe elastomerfrei dichtend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkugel (3) entlang umlaufender Dichtungslinien (11) an den Sitzflächen (6) der Sitzringe (2) anliegt.

2. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitz­ fläche (6) der Sitzringe (2) als Mantelfläche eines lnnenkonus ausge­ bildet ist und tangentenförmig an der Ventilkugel (3) anliegt.

3. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitz­ fläche (6) der Sitzringe (2) als profilierte Oberfläche mit Dichtungs­ rippen (12) ausgebildet ist.

4. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sitzringe (2) stirnseitig an einer Druckfeder (13) anlie­ gen.

5. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß den Sitzringen (2) eine hydraulisch oder pneumatisch be­ tätigbare Andruckvorrichtung (15) zugeordnet ist.

6. Kugelhahn nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckvorrichtung (15) eine dem Sitzring (2) zugeordnete Druck­ kammer (16) für ein Druckmedium aufweist, an die der Sitzring (2) unter Zwischenschaltung einer Dichtung (17) angeschlossen ist.