DE3536860A1 - Vorrichtung, insbesondere kugelhahn - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere einen Kugelhahn, mit einem Drehkörper, der eine im wesentlichen kugelförmige Dichtfläche aufweist, an welcher ein mit einem Gehäuse verbundenes Dichtelement anliegt.

Es ist bekannt, in Ventilen, Mischarmaturen oder ähnlichen Vorrichtungen Körper aus Keramik vorzusehen, die mit einem ebenfalls aus Keramik bestehenden Dichtelement zusammenwirken. Bekanntlich zeichnet sich Keramik durch eine hohe Abriebsfestigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit aus, wodurch lange Standzeiten für den Drehkörper und des anliegenden Dichtelements erzielt werden können. Bei den bisher bekannt gewordenen Konstruktionen weisen Drehkörper und Dichtelement im Hinblick auf die Fertigungs- und Bearbeitungsschwierigkeiten von Keramik plane aneinanderliegende Flächen auf. Seitens der Anmelderin wurden auch Überlegungen angestellt, die durch Einsatz von Keramik erzielbaren Vorteile auch bei solchen Vorrichtungen vorzusehen, deren Drehkörper eine sphärische Dichtfläche aufweisen. Zielsetzung war hierbei, entsprechend den ebenen Dichtflächen auch bei einem sphärischen Drehkörper möglichst große aneinanderliegende Flächen sowohl des Drehkörpers als auch des Dichtelements zu erzielen. Die hierbei auftretenden Schwierigkeiten hinsichtlich Fertigungsgenauigkeiten, Toleranzen usw. standen einer auch in Großserie technisch realisierbaren Ausführung entgegen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, bei welcher auch bei einem Drehkörper mit einer sphärischen Dichtfläche die durch Keramik grundsätzlich erzielbaren Vorteile mit geringem Konstruktions- und Fertigungsaufwand verwirklicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß das aus Keramik bestehende Dichtelement eine ringförmige schmale Berührungsfläche oder eine Berührungslinie aufweist und unter Einwirkung einer Federkraft an der Dichtfläche des Drehkörpers anliegt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit einem vergleichsweise geringen Aufwand hergestellt werden, wobei durch Ausbildung des Drehkörpers und des Dichtelements aus Keramik die mit diesem Werkstoff erzielbaren Vorteile, insbesondere hohe Korrosionsbeständigkeit, geringer Abrieb und günstiges Temperaturverhalten erzielt werden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer linienartigen Anlage des Dichtelements am Drehkörper bei gleichzeitiger Federbeaufschlagung des Dichtelements eine in jeder Hinsicht gut Abdichtung erreicht wird. Dieses Prinzip steht im Gegensatz zu den bisherigen Versuchen, durch möglichst große Anlageflächen von Drehkörper und Dichtelement oder mittels weichen Dichtungen oder Ringen die Abdichtung zu erzielen; bei ebenen Flächen war dies praktikabel, jedoch bei sphärischen Flächen ergaben sich in der Praxis mit vernünftigem Aufwand nicht zu überwindende Probleme. Es sei festgehalten, daß im Idealfall eine ringförmige, schmale Berührungslinie bei elastischer Federbeaufschlagung in überraschend einfacher Weise eine gute Abdichtung gewährleistet. Erfindungsgemäß wird streng genommen ein kugelflächiges Ringelement realisiert. So kann bei einem kugelförmigen Drehkörper die Dichtfläche des Dichtelements konisch ausgebildet sein, um diese linienförmige Berührung zu erzielen. Aufgrund der schmalen Ausgestaltung des Dichtelements wird in der Praxis auch das Einschleifen auf den Kugelradius oder die Neigung des Drehkörpers mit einem vergleichsweise geringen Fertigungsaufwand ermöglicht. Aufgrund der Federbeaufschlagung, wobei zumindest eine Kraftkomponente erfindungsgemäß in Richtung auf den Drehkörper wirksam ist, erfolgt eine automatische Anschmiegung und Nachstellung. Fertigungsbedingte Toleranzen, Verformungen oder Änderungen infolge Temperaturänderungen, Abnutzung oder Abweichung von der gewollten Geometrie und dergleichen, werden somit in überaus einfacher Weise ausgeglichen. Die Erfindung gelangt insbesondere bei einem Hahns mit einem kugelförmigen Drehkörper zum Einsatz. Darüberhinaus liegen im Rahmen der Erfindung auch weitere Anwendungsfälle, bei welchen das genannte Prinzip realisiert wird.

In einer wesentlichen Ausgestaltung ist das Dichtelement Bestandteil einer dünnen Keramikscheibe, die in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei mittels der Keramikscheibe die Federkraft aufgebracht wird. Die Keramikscheibe ist erfindungsgemäß gleichzeitig Dicht- und auch Federelement. Die elastische Wirkung der erfindungsgemäßen Ringscheibe wird in besonders einfacher Weise durch eine möglichst dünne oder schmale Dimensionierung dieser Scheibe erreicht, wobei der Außendurchmesser erfindungsgemäß wesentlich größer als der Innendurchmesser dieser Keramikscheibe sein soll. Die Keramikscheibe wirkt wie eine außen eingespannte Tellerfeder, die mit ihrem inneren ringförmigen Bereich an dem Drehkörper zwecks Abdichtung anliegt. Entsprechend dem Elastizitätsmodul von Keramik wird bei entsprechender Vorgabe des Durchmessers der dünnen Ringscheibe ohne Schwierigkeiten die elastische Rückstellkraft aufgebracht. Es sei ausdrücklich festgehalten, daß bei allen Ausführungsformen erfindungsgemäß die elastische Federwirkung oder die Vorspannkraft durch geeignete Einspannung und relative Anordnung des Dichtelements bezüglich des Drehkörpers erreicht wird.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist der Drehkörper, der im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist, eine insbesondere senkrecht zu seiner Drehachse verlaufende Durchgangsbohrung auf, wobei zweckmäßig zwei Dichtelemente beabstandet von der Drehachse am Drehkörper anliegen. Somit ist bei besonders einfacher Konstruktion ein Kugelhahn geschaffen, der bei einfacher Bauweise eine hohe Korrosionsbeständigkeit und ein ausgezeichnetes Temperaturverhalten aufweist. Im Rahmen der Erfindung wird bei allen Ausführungsformen auch das Gehäuse aus einem keramischen Werkstoff wie auch das Dichtelement und der Drehkörper gefertigt.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das Dichtelement Bestandteil eines aus Keramik gefertigten Balges. Durch die Formgebung, Größe usw. des Balges kann die Federcharakteristik den jeweiligen Anforderungen entsprechend vorgegeben werden. Der Federbalg ist einerseits im Gehäuse befestigt und liegt mit seinem freien Ende, welches das Dichtelement darstellt, an dem Drehkörper an.

In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Paket aus wenigstens zwei dünnen Ringscheiben vorgesehen. Ein derartiges Paket ist einerseits elastisch und andererseits aber belastungsfähiger als eine gleichdicke einzelne Ringscheibe.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Hahn mit Keramikscheiben,

Fig. 2 einen Hahn, ähnlich Fig. 1, wobei das Dichtelement in einen Keramikbalg integriert ist.

Fig. 1 zeigt einen Hahn, dessen Gehäuse drei Teile 2, 4, 6 aufweist, die sämtlich aus einem keramischen Werkstoff bestehen. Im Inneren des mittleren Gehäuseteiles 4 befindet sich ein im wesentlichen als eine Kugel ausgebildeter Drehkörper 8, der mittels einer Welle 10 in einer Bohrung des Gehäuseteils 4 um eine Drehachse 12 drehbar ist. Zur Abdichtung nach außen können in der Bohrung des Gehäuseteiles 4 in bekannter Weise Stoffbuchsenanordnungen 14 oder ähnliches vorgesehen sein. Die Gehäuseteile 2, 4, 6 weisen quer zur Längsachse 16 liegende Stirnflächen 18, 20 auf. Es sind ferner zwei in Richtung der Längsachse 16 beabstandet schmale Keramikscheiben 22, 24 vorhanden, die radial außenliegend zwischen die Stirnflächen 18, 20 eingespannt sind. In der Zeichnung links vom Drehkörper sind zwei Ringscheiben dicht nebeneinander zu einem Paket vereinigt, wodurch eine hohe Belastbarkeit erreicht wird. Die Gehäuseteile 2, 4, 6 und die Keramikscheiben 22, 24 werden durch einen äußeren Gehäusepanzer 26 in Richtung der Längsachse 16 erfindungsgemäß gegeneinander verspannt, wobei über die axialen Stirnflächen 18, 20 sowie die zwischen diesen eingespannten Keramikscheiben 22, 24 nach außen eine zuverlässige Abdichtung erreicht wird. Die Keramikscheiben 22, 24 sind erfindungsgemäß bezüglich des mittleren Gehäuseteiles 4 und/oder dem äußeren Gehäuseteil in einer Ringnut angeordnet und mittels einer Ringschulter 28 zentriert. Erfindungsgemäß sind die Gehäuseteile 2, 4, 6 axial mittels eines Gehäusepanzers 26 gegeneinander verspannt. Mit einer Füllmasse 26 aus Beton oder dergleichen ist der Zwischenraum ausgefüllt, so daß eine zusätzliche Bearbeitung der Außenflächen der Gehäuseteile 2, 4, 6 im Rahmen dieser Erfindung nicht notwendig ist.

Der Drehkörper 8 weist eine zentrale Längsbohrung 30 auf, und in der dargestellten Position kann ein Medium ungehindert den Hahn durchströmen. Die auf der kugelförmigen Außenfläche 31 aufliegenden Dichtelemente 32, 34 sind Bestandteil der Keramikscheiben 22, 24. Die Dichtelemente 32, 34 liegen mit ihren schmalen Berührungsflächen 36, 38 auf der Außen- bzw. Dichtfläche 31 vom Drehkörper 8 auf. Es sei ausdrücklich festgehalten, daß diese Berührungsflächen 36, 38 im Rahmen dieser Erfindung nicht notwendigerweise der Kugelform des Drehkörpers entsprechen müssen. Vielmehr können diese Berührungsflächen auch konisch ausgebildet sein, so daß zumindest theoretisch eine kreisringförmige Berührungslinie gegeben ist. Andererseits können die schmalen Berührungsflächen 36, 38 aber auch zumindest näherungsweise auf den Kugelradius eingeschliffen sein. Wesentlich ist, daß die Dichtwirkung nicht durch die übereinstimmende Formgebung und möglichst große flächenhafte Anlage erzielt wird, sondern durch eine zusätzliche Federwirkung, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar durch die Keramikscheiben 22, 24 aufgebracht wird. Die Keramikscheiben 22, 24 sind nämlich außen zwischen den Gehäuseteilen 2, 4, 6 derart eingespannt angeordnet, daß sie zu den äußeren Gehäuseteilen 2, 6 elastisch aufgebogen sind. Die hierdurch bedingte Federkraft kann ohne besondere konstruktiven Schwierigkeiten den jeweiligen Erfordernissen entsprechend vorgegeben werden. Als variable Konstruktionsparameter seien hier insbesondere die axiale Materialdicke der dünnen Keramikscheiben, deren Elastizitätsmodul sowie der Außendurchmesser 40 an der Einspannstelle sowie der Innendurchmesser 42 hervorgehoben. Ferner kann problemlos durch geeignete Vorgabe des axialen Abstandes der Stirnflächen 20 des mittleren Gehäuseteiles 4 und /oder durch entsprechende dünne Distanzscheiben oder dergleichen, und zwar unter Berücksichtigung des Durchmessers vom Drehkörper 8, die Biegung der Keramikscheiben 22, 24 und letztlich die auf die Dichtfläche 31 wirkende Federkraftkomponente vorgegeben werden.

Um im geschlossenen Zustand des Kugelhahns einer Druckentlastung entgegenzuwirken, wird mittels des in Strömungsrichtung dem Drehkörper 8 nachgeschalteten Dichtelementes 32 eine verstärkte Andruckkraft vorgegeben. Dies erfolgt zweckmäßig durch Verstärkung der in Fig. 1 linken Keramikscheibe 22. Erfindungsgemäß sind in Strömungsrichtung, welche durch den Pfeil 35 angedeutet ist, die zwei Dichtelemente 34, 32 hintereinander angeordnet. Um einer Entlastung im geschlossenen Zustand des Drehkörpers 8 entgegenzuwirken, wird das links dargestellte Dichtelement 32 mit einer erhöhten Federkraft an den Drehkörper angepreßt. Hierzu genügt grundsätzlich die axiale Materialdicke der zugeordneten Keramikscheibe 22 entsprechend stärker vorzugeben. Zweckmäßig wird zur Erzielung einer hinreichenden Elastizität zur Vergrößerung der Belastbarkeit die entsprechend verdickte Ringscheibe durch ein Paket von wenigstens zwei Keramikscheiben ersetzt.

Bei dem an Hand von Fig. 1 erläuterten wesentlichen Ausführungsbeispiel sind sämtliche Bauteile, die mit dem durchströmenden Medium in Berührung gelangen, aus Keramik gefertigt. Das Ventil weist somit eine äußerst hohe Korrosionsbeständigkeit auf und kann daher auch für sehr aggressive Medien zum Einsatz gelangen, wobei darüberhinaus Temperaturbereiche über 200°C keine Schwierigkeiten bereiten. Gleichwohl sei ausdrücklich festgehalten, daß im Rahmen der Erfindung auch solche Konstruktionen liegen, bei welchen ggfs. zumindest teilweise andere Werkstoffe zum Einsatz gelangen. In diesem Zusammenhang sei vor allem auf ein Federelement aus einem korrosionsbeständigen Metall verwiesen, das anstelle oder zusätzlich zur Keramikscheibe ggfs. zum Einsatz gelangt. So kann beispielsweise eine aus Metall bestehende Tellerfeder vorgesehen sein, die ebenfalls außen zwischen die Gehäuseteile eingespannt ist und radial innen ein keramisches ringförmiges Dichtelement beaufschlagt. Auch bei einer solchen Ausführungsform wird das grundlegende Prinzip, nämlich Federbeaufschlagung eines schmalen, ringförmigen Dichtelements, realisiert.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher anstelle einer Keramikscheibe für die Federwirkung ein Federbalg 44 vorgesehen ist. Dieser Federbalg 44 ist wiederum vollständig aus Keramik gefertigt, und er liegt mit dem ringförmigen Dichtelement 34 an der Dichtfläche 31 des Drehkörpers 8 an. Auch hier ist das Dichtelement 34 integraler Bestandteil des Federbalges 44, der radial außen wiederum entsprechend zwischen die Gehäuseteile 2, 6 eingespannt ist. Mit einem derartigen aus Keramik gefertigten Federbalg 44 wird ein relativ großer Federweg problemlos vorgegeben, so daß Fertigungstoleranzen, Temperaturänderungen oder sonstiges praktisch keinen Einfluß auf die Kraftkomponente hat, mit welcher das Dichtelement 34 elastisch an die Dichtfläche 31 angepreßt wird. Der Gehäusepanzer 26 weist auch bei dieser Ausführungsform einen Flansch 46 mit Bohrungen 48 auf, um den Anschluß an eine Rohrleitung zu ermöglichen. Es sei ausdrücklich festgehalten, daß aufgrund des erfindungsgemäßen Gehäusepanzers 26 insoweit eine zusätzliche Bearbeitung der Außenfläche der aus Keramik bestehenden Gehäuseteile nicht notwendig ist. Durch die Einbettung der einzelnen Gehäuseteile jeweils mittels Füllmasse 27 in den zugeordneten Teil des Gehäusepanzers, wird eine besonders funktionsgerechte und kostengünstige Fertigung ermöglicht, wobei lediglich die in axialer Richtung einander gegenüberliegenden Stirnflächen 18, 20 bzw. die Ringnut für die Aufnahme des Dichtelements exakt auf Maß zu bearbeiten sind. Ferner wird beim Verfüllen mittels der Füllmasse 27 das jeweilige Gehäuseteil in dem zugeordneten Teil des Gehäusepanzers exakt ausgerichtet.

• Bezugszeichenliste  2, 4, 6 Gehäuseteil
   8 Drehkörper
  10 Welle
  12 Drehachse
  14 Stopfbuchse
  15 Innenbohrung von 2, 6
  16 Längsachse
  18, 20 Stirnfläche
  22, 24 Keramikscheiben
  26 Gehäusepanzer
  27 Füllmasse
  28 Ringschulter
  30 Längsbohrung
  31 Dichtfläche
  32, 34 Dichtelement
  35 Strömungsrichtung
  36, 38 Berührungsfläche
  40 Außendurchmesser
  42 Innendurchmesser
  44 Federbalg
  46 Flansch
  48 Bohrung

Claims (9)

1. Vorrichtung, insbesondere Kugelhahn, mit einem Drehkörper, der eine sphärische, insbesondere kugelförmige, Dichtfläche aufweist, an welcher ein mit einem Gehäuse in Verbindung stehendes Dichtelement anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Keramik bestehende Dichtelement (32, 34) eine ringförmige schmale Berührungsfläche (36, 38) oder Berührungslinie aufweist, mittels welcher es unter Einwirkung einer Federkraft an der Dichtfläche (31) des Drehkörpers (8) anliegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (32, 34) Bestandteil eines Keramikkörpers, insbesondere einer dünnen Keramikscheibe (22, 24), ist, die im Gehäuse angeordnet ist, wobei mittels des Keramikkörpers die elastische Federkraft aufgebracht wird, und/oder der Außendurchmesser (40) wesentlich größer ist als der Innendurchmesser (42).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkörper (8) eine insbesondere senkrecht zu seiner Drehachse (12) verlaufende Längsbohrung (30) aufweist, wobei das Dichtelement (32, 34) einen größeren Durchmesser als diese Längsbohrung (30) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Drehkörper (8) zwei in Richtung der Längsachse (16) beabstandet angeordnete Dichtelemente (32, 34) zugeordnet sind, die jeweils unter entgegengerichteten Federkräften an dem Drehkörper (8) anliegen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement wenigstens zwei zu einem Paket gefügten und/oder axial nebeneinander angeordnete dünne Keramikscheiben aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (34) an einem Federbalg (44) angeordnet ist und insbesondere integraler Bestandteil desselben ist.

7. Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile (2, 4 6), insbesondere in den mit vorgegebenem axialen Abstand einander gegenüberliegenden Stirnflächen (18, 20), eine Ringnut und/oder eine Ringschulter (28) zur Aufnahme und Zentrierung des Dichtelements (32, 34) bzw. der Ringscheibe (22, 24) aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Einspannfläche des Dichtelements im Gehäuse einerseits und die Ebene der Anlagefläche des Dichtelements (32, 34) auf dem Drehkörper (8) andererseits axial derart beabstandet sind, daß auf den Drehkörper (8) eine Kraftkomponente wirksam ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in Strömungsrichtung (35) nach dem Drehkörper (8) liegende Dichtelement (32) mit einer vergrößerten Kraft, insbesondere durch vergrößerte Materialdicke oder durch Anordnung von wenigstens zwei Ringscheiben (22) am Drehkörper (8) anliegt, um in geschlossenem Zustand einer Druckentlastung entgegenzuwirken.