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Es ist bekannt, dass die Abdichtung von Steuerventilen gegenüber strömenden Mitteln, vorzugsweise Gasen, grosse Schwierigkeiten bereitet, insbesondere wenn die Ventile lediglich durch den Betriebsdruck auf ihren Sitz gepresst werden. Man hat daher bei der Anwendung der Steuerventile auf solehe Gebiete, die praktisch eine absolute Ventildichtheit erfordern, bisher davon absehen müssen, metallene Ventilsitze zu verwenden. Hiebei hat man sieh, um die gestellten Anforderungen zu erfüllen, dadurch zu helfen versucht, dass man für die Ventilsitze nachgiebige Stoffe, wie Gummi od. dgl., wählte.
Die Unbeständigkeit dieser Werkstoffe sowohl in chemischer als auch in mechanischer Hinsicht zeigt sich aber bald in einer geringen Lebensdauer derselben, so dass die mit derartigen Stoffen ausgestatteten Ventile stets die Quelle von Störungen bilden.
Es sind zwar schon Steuerventile mit metallischen Dichtungsflächen bekannt geworden, jedoch haben diese den Nachteil, dass beim Anhaften von festen Fremdkörpern auf den Sitzflächen keine genügende Dichtheit mehr erreicht wird. Dort, wo es aber darauf ankommt, das gespannte strömende Mittel während langer Zeit auf derselben Druckhöhe zu halten, wie etwa bei Druckgasspeichern u. dgl., hat diese Tatsache unerwünschte Erscheinungen zur Folge, die z. B. die geforderten Löschbedingungen bei einem Schaltvorgang nicht mehr erfüllen lassen.
Durch die Erfindung werden die erwähnten Mängel beseitigt und ein selbst für unter höheren Drücken stehende strömende Mittel geeignetes Ventil geschaffen, dass trotz der Ausbildung der die Dichtungsfläche bildenden Sitze aus Metall eine hohe Lebensdauer mit grosser Betriebssicherheit vereinigt. Hiebei ist die Möglichkeit gegeben, sich durch die Wahl geeigneter Werkstoffe von nachteiligen chemischen Einwirkungen freizumachen und bei entsprechender Gestaltung mechanische Unzulänglich- keiten auszuschliessen.
Die Erfindung zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, dass der metallene Sitz des Steuerventils federnd ausgebildet ist, derart, dass bei seinem Zusammenwirken mit dem Ventilkörper eine Relativbewegung der Dichtungsflächen gegeneinander stattfindet. Durch die beim Andrücken des Ventilkörpers auf dessen Dichtungsfläche hervorgerufene Bewegung der Dichtungsflächen gegeneinander werden u. a. die dazwischen befindlichen Fremdkörper in Verbindung mit dem oft beträchtlichen Anpressungsdruek zerrieben bzw. vom Sitz entfernt.
Weiterhin bedingt die erfindungsgemässe Massnahme noch den Vorteil, dass sich die Ventilflächen bei jedem Steuervorgang immer wieder einschleifen, wodurch die Dichtheit des Ventils unabhängig von der Betriebsdauer erhalten bleibt. Der federnde Sitz kann hiebei zweckmässig durch einen Teil einer Membrane gebildet werden.
Die genaue Führung des Ventils kommt, wie üblich, durch die Gestalt der Ventilteile zustande.
Da der Ventilkörper sich frei bewegen kann, kommen stets andere Auflageflächen des Ventilkörpers und des Sitzes zum Anliegen aneinander. Zu diesem Zwecke kann zweckmässig als Ventilkörper eine Kugel verwendet werden, die sich auf den federnden Sitz presst.
Die Herstellung solcher membranartiger Ventilsitze ist jedoch 1. infolge der beim Zusammenwirken mit dem Ventilkörper gewählten federnden Eigenschaft des Ventilsitzes, 2. wegen der in der Regel wellenförmigen Oberfläche der Membrane und 3. gerade deswegen schwierig, weil beim Aufpressen
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des Ventilkörpers, um eine Relativbewegung der Dichtungsflächen hervorzurufen, die Sitzfläche so ausgebildet werden muss, dass zunächst der vom Ventilkörper am meisten entfernte Teil der Sitzfläche getroffen wird, worauf ein fortschreitendes Abwälzen der Oberfläche des Ventilkörpers auf dem Sitz zu erfolgen hat.
Die Herstellung des Sitzes durch Abdrehen, Schleifen oder in ähnlicher Weise scheidet hiebei infolge der Biegsamkeit des membranartigen Ventilsitzes und der nicht zu erreichenden Genauig- keiten aus.
Es ist daher besonders vorteilhaft, die die Gestalt einer Membran, Scheibe od. dgl. aufweisenden Ventilsitze nach der Erfindung durch Prägung herzustellen. Das Prägewerkzeug hat dabei zweckmässig etwa um 0'1-5'0% grössere Abmessungen als der Ventilkörper.
Auf der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt ; es zeigen : Fig. 1 einen mit einem membranartigen Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilkörper ;. die Fig. 2 und 3 die Endlagen des Ventilkörpers und des Ventilsitzes am Anfang und am Ende des Abschliessvorganges ; Fig. 4 eine Abart des Ventilsitzes ; Fig. 5 eine Ausführungsart der Ventilsitzlagerung ; Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des Ventilsitzes und der Ventillagerung ; Fig. 7 ein Ventil mit kugelförmigem Ventilkörper im Schnitt ; Fig. 8 einen kugel- bzw. teilkungelförmigen Ventilkörper für sich herausgezeichnet; Fig. 9 eine Abart des Ventils mit einem besonderen Führungsstück ;
Fig. 10 eine weitere Ausführungsform des Ventils, dessen Ventilkörper mittels eines Spannorgans, insbesondere einer Spindel, betätigt wird : Fig. 11 ein Werkzeug zur Herstellung federnder Ventilsitze sowie den mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilkörper ; Fig. 12 eine Einrichtung zur Herstellung federnder Ventilsitze ; Fig. 13 eine Abart der zur Herstellung federnder Ventilsitze dienenden Matrize. Die gleiche bzw. entsprechenden Teile der Ausführungsformen sind durch gleiche Bezugszeiehen angedeutet.
Bei der in Fig. 1 angegebenen Anordnung ist mit 1 ein zylinderförmiger Ventilkorper bezeichnet, der in einer. Bührung, z. B. Bohrung 2, geführt und in der Pfeilrichtung durch den Druck eines beliebigen flüssigen bzw. gasförmigen gespannten Mittels auf einen Ventilsitz 3 gepresst wird. Die Anpressung kann aber auch durch jedes beliebige andere Mittel mechanisch, z. B. durch eine Feder, einen Hebel, eine Spindel od. dgl., erfolgen. Auch der Ventilkörper 1 kann jede andere gewünschte Form aufweisen.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bildet der Sitz : ; den zentralen Teil einer Metallmembrane , die sowohl der erforderlichen Elastizität als auch der erhöhten Widerstandsfähigkeit wegen eine wellen- förmige Oberfläche aufweist. Es kann aber auch jede andere Gestalt zur Erzielung des gewünschten
Effektes gewählt werden. Der äussere Rand der runden Membrane ist in einem Futter 5 gefasst. Dieses
Futter kann im Bedarfsfalle auch aus nachgiebigen Stoffen, wie Gummi od. dgl., bestehen, um auch dann ein gutes Anschmiegen des Sitzes. 3 an den Ventilkörper zu erzielen, wenn die Achsen dieser Teile geneigt zueinanderstehen sollten.
Die kegelige Sitzfläche 6 des Ventilkörpers 1 hat eine andere Neigung als die Erzeugende des Ventilsitzes'). Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, trifft bei der Einleitung des Schliessvorganges die Sitzfläche 6 des Ventilkörpers 1 zunächst auf den inneren Rand 7 der Membrane 4, um bei einer weiteren
Anpressung diese durchzubiegen, so dass die Fläche 6 nacheinander über die ganze Oberfläche des Sitzes gleitet, um schliesslich auf dem äusseren Rand 8 des Sitzes.) (Fig. 3) stehenzubleiben.
Die Grösse der Bewegung kann in Abhängigkeit von der Wahl der Durchbiegung der Membrane beliebig sein. Die Anordnung kann beispielsweise auch so getroffen werden, dass der Ventilkörpersitz 6 den federnden Sitz J derart durchbiegt, dass er bereits vor dem Erreichen des äusseren Randes 8 des
Sitzes 3 in der Abschliesslage stehenbleibt, so dass hiebei ein Ringstreifen als Abschliessfläehe entsteht.
Man kann-wie die Fig. 4 zeigt-die Oberfläche beider den Sitz bildenden Flächen oder auch nur eine derselben gewölbt bzw. eine konkav und die andere konvex ausführen. Weiterhin liegt es im Bereich der Erfindung, von kegeligen Sitzfläehen ganz abzusehen und dafür Planflächen oder andere Formen zu verwenden.
Um Sehneidwirkungen zu vermeiden, kann man den äusseren Rand 9 der Membran 4 wie die Fig. 5 zeigt-zu einem Wulst ausbilden oder für diesen Rand einen sehwalbenschwanzfönnigen
Querschnitt wählen. Die Wulstausbildung ist insofern besonders vorteilhaft, als sie keinerlei scharfe Kanten aufweist.
Wie die Fig. 6 zeigt, kann die Membrane 4 gemäss den eingangs gemachten Angaben in einem elastischen Körper 11 eingebettet werden, der in einem starren Träger 12 befestigt ist.
Die Membran 4 kann ohne Verwendung besonderer Befestigungsmittel durch Einklemmen in dem zweiteiligen oder mit Einschnitten ausgerüsteten Futter 5 befestigt werden. Hiebei ist die Anordnung so getroffen, dass die Membrane ungehindert durehgebogen werden kann. Zu diesem Zwecke kann das Futter-wie die Fig. 1 zeigt-mit entsprechenden Abrundungen versehen werden.
Eine weitere, zweckmässige Ausführungsform des Ventils besteht darin, dass man dem Ventil- körper- ! die Gestalt einer Kugel, eines Ellipsoids, eines Kugel-bzw. Ellipsoidabschnittes oder eines Kugel- bzw. Ellipsoidausschnittes gibt. Ein derart geformter, insbesondere kugelförmiger Ventilkörper 1 kann hiebei voll oder hohl sein. Die Ausführung des Ventilkörpers 1 als Hohlkörper empfiehlt sich hiebei beispielsweise für grosse Ventile, da sich sonst ein schwerer Ventilkörper ergeben würde. Der Ventilkörper und der federnde Sitz. 3 bestehen hiebei aus metallenem, nicht korrodierendem, jedoch insbesondere ungleichem Werkstoff.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 sind keine Führungsmittel für den Ventilkörper 1 vorgesehen. Der Ventilkörper 1 gelangt unter der Einwirkung des in Richtung des Pfeiles 20 dem Ventil zugeführten strömenden Mittels beispielsweise in eine der in Fig. 7 gestrichelt gezeichneten Lagen, sucht aber dann selbst, u. zw. insbesondere infolge seiner Gestalt und seines Eigengewichtes, mit einem passenden Teil seiner Oberfläche den Sitz auf, um das Ventil dicht abzuschliessen. Der Sitz, 3 der federnden, z. B. wellenförmigen Metallmembran 4 ist so ausgeführt, dass er sich der Kugeloberfläche anpasst, wobei die metallene Membrane 4 selbst in einem z. B. mehrteiligen Futter 5 eingespannt ist.
Der Ventilkörper 1 ist durch einen Tragkörper 13 unter Wahrung eines Zwischenraumes umgeben, so dass es nicht erforderlich ist, dass der Tragkörper 13 mit seiner Längsachse genau durch den Mittelpunkt des Ventilsitzes hindurchgeht. Der Zwischenraum zwischen der inneren Wandung des Tragkörpers und dem kugelförmigen Ventilkörper 1 darf jedoch nicht übermässig gross sein ; jedenfalls darf der in der Fig. 7 mit 14 bezeichnete Abstand nicht den Halbmesser des kugelförmigen Ventilkörpers 1 erreichen bzw. übersteigen. Wie die Fig. 7 und 8 zeigen, können besondere Mittel, insbesondere eine Feder 15, Verwendung finden, die zwischen dem Ventil und dem Sitz vorgesehen ist, um insbesondere zu erleichtern, dass der Ventilkörper in seine Abschlusslage kommt.
Es kann hiebei eine solche Feder bzw. eine solche Anordnung derselben zu dem Ventilkörper gewählt werden, dass hiedurch der Anpressdruck des strömenden Mittels unterstützt oder abgeschwächt wird. Es ist hiebei zu beachten, dass bei kleinen Ventilquerschnitten der Dichtungsdruck verhältnismässig gering, bei grossen Ventilquersehnitten der Dichtungsdruck dagegen so gross werden kann, dass die federnde Membrane zu hoch beansprucht werden würde, falls hiebei keine zusätzlichen Mittel im Sinne der Erfindung Verwendung finden sollten, die in diesem Falle so vorgesehen sind, dass sie dem Anpressungsdruck entgegenwirken.
Bei der Anordnung einer Feder 15 kann ferner, wie aus der Fig. 8 ersichtlich ist, ein Zwischenteller 16 verwendet werden, der sich der Form des Kugelventilkörpers anpasst und auf diesem z. B. lose aufliegt, so dass dadurch die Beweglichkeit bzw. die Anpressung der Kugel für sich und in bezug auf den Zwischenteller und den Sitz nicht beeinträchtigt wird.
Wie die Feder 9 zeigt, kann bei einer sonst der Ausbildung nach den Fig. 7 und 8 entsprechenden Ausführung des Ventilkörpers 1 und der federnden Membrane 3, insbesondere dann, wenn der Zwischenraum zwischen der Innenwandung der Führung 2 und der Kugel gross sein soll, eine besondere Fassung 17 verwendet werden. Diese Fassung 17 kann unter der Wirkung einer Feder 15 stehen und hohl ausgebildet sein, wobei sie die Kugel, wie in der Fig. 9 dargestellt ist, zum grossen Teil umgreift. Der kugelförmige Ventilkörper 1 kann sieh somit in der Fassung 17 drehen, wobei die Fassung selbst in bezug auf ihre Längsachse verschiedene Lagen annehmen kann. Zu diesem Zweck kann die Fassung 17 eine gewölbte Oberfläche aufweisen, die insbesondere einen Teil einer Kugel bildet.
In der Fig. 10 ist die Anwendung des Erfindungsgedankens auf ein Ventil dargestellt, dessen Abschlussorgan mechanisch betätigt wird, z. B. durch eine Gewindespindel19, ein Exzenter od. dgl., wobei die Luft-bzw. Flüssigkeitsströmung zum Öffnen des Ventils durch die Pfeile 20 angedeutet ist.
Um ein übermässiges Durchbiegen der federnden Membrane 4 bzw. des Sitzes J zu verhindern oder die Bewegung des Ventilkörpers zu begrenzen, sind Widerlager 22, 23 vorgesehen. Zweckmässigerweise werden hiebei die Widerlager 22 in der Nähe des Ventilsitzes 3 angeordnet.
Um die gewünschte Relativbewegung der Dichtungsflächen des federnden Ventilsitzes J und des Ventilkörpers 1 zu erzielen, ist eine besondere Herstellungsart der Ventilsitze erforderlich. Hiebei ist es besonders zweckmässig. die Ventilsitze durch Prägung herzustellen. Wie die Fig. 11 zeigt, wird beim Prägen, Pressen bzw. Drücken ein Werkzeug 41 (Patrize) verwendet, das die gleiche oder annähernd gleiche Form wie der später Verwendung findende, beispielsweise kugelförmige Ventilkörper 1 aufweist. Das Prägewerkzeug 41 wirkt auf die federnde Membrane 4, Scheibe od. dgl. ein, wobei je nach der. Wahl der maschinellen Einrichtungen, der Form der Matrize 42 (vgl.
Fig. 12) usw. die Prägung der gewellten Oberfläche der Membrane 4 und des eigentlichen Sitzes J in einem oder in mehreren Arbeitsgängen erfolgt, wobei besondere Niederhaltewerkzeuge verwendet werden können, die die Membrane bei der Sitzprägung festhalten. Wird die Prägung der Membrane 4 und des Sitzes 3 nicht in einem Arbeitsgange zugleich vorgenommen, so ist es zweckmässig, zunächst durch Pressen der Membrane 4 den gewellten Querschnitt derselben und im Anschluss daran den Ventilsitz. 3 zu prägen. Hiebei kann als Prägewerkzeug, wie in der Zeichnung dargestellt, eine Kugel verwendet werden. Es ist aber auch möglich, statt dessen einen Kugelaus-bzw. Kugelabschnitt, ein Ellipsoid oder dessen Teile bzw. einen Kegel oder ein Kegelsegment mit gerader oder gewölbter Oberfläche zu verwenden.
Besonders wesentlich für die Ausübung des Verfahrens ist hiebei, dass das Prägewerkzeug 41, wie es auch in der Fig. 11 angegeben ist, eine grössere Oberfläche hat als der später Verwendung findende Ventilkörper 1 gleicher Form. Die Entfernung zwischen dem Mittelpunkt des kugelförmigen Prägewerkzeuges 41 und dem Mittelpunkt des Ventilkörpers 1 ist in der Fig. 11 durch ss angegeben.
Das Grössenverhältnis des Werkzeuges und des Ventilkörpers wird hiebei zweckmässigerweise so gewählt, dass der Durchmesser der als Werkzeug 41 dienenden Kugel den Durchmesser der als Ventilkörper dienenden Kugel um 0'1-5% übersteigt. Das Prägewerkzeug muss hiebei zur Erzielung des grösstmöglichen Dichtheitsgrades so bemessen werden, dass die Tangenten, welche durch die Berührungszone
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