Die Herstellung gasdichter Ventile, insbesondere Kugelventile, bietet erhebliche Schwierigkeiten, weil es schwer fällt, für die Ventilkugel und den Ventilsitz Materialien zu finden, die eine genügende Dichtwirkung ergeben und die zugleich an sich genügend gasdicht sind, um jede Diffusion auszu schliessen. Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der überraschenden Feststellung, dass es bei geeigneter Formgebung des Ventilsitzes möglich ist, mit sehr harten Materialien, beispielsweise Sinterkeramik, Saphir, Rubin und dergleichen, eine hohe Gasdichtheit der Ventile zu erreichen.
Es ist dabei besonders auch das Problem zu lösen, eine Beschädigung des aus dem harten, spröden Material bestehenden Ventilsitzes durch die Ventilkugel zu vermeiden.
Das erfindungsgemässe Kugelventil ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkugel und der Ventilsitz aus einem harten Material bestehen, und dass der Ventilsitz eine gebrochene Kante zwischen zwei mit stumpfem Winkel aneinanderstossenden Flächen aufweist, wobei die Ventilkugel auf die eine Fläche aufliegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel des gasdichten Kugelventils darstellt, näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Ventilsitz im Schnitt mit aufgelegter Ventilkugel, und
Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch den Ventilsitz in stark vergrössertem Massstab.
Der Ventilsitz 1 und die Ventilkugel 2 bestehen aus einem harten gasdichten Material, beispielsweise Si3N4 - oder Al203 - Sinterkeramik, Saphir oder Rubin. Wie Fig. 2 zeigt, sind am oberen Ende des Ventilsitzes 1 Flächen ganz bestimmter Form vorgesehen, nämlich zwei kugelige Flächen oder Fasen 3 und 4, deren Radien R3 bzw. R4 betragen. Die Fasen 3 und 4 stossen mit stumpfem Winkel aneinander und bilden dort eine stumpfe Kante 5. Die Kugel 2 liegt auf der dichtenden Fase 4 auf, während zwischen ihr und der Fase 3 ein gewisses Spiel besteht. Eine der mittleren Neigung der Fase 3 angepasste Kegelfläche weist vorzugsweise einen Öffnungswinkel von 90 bis 1200 auf.
Mit andern Worten beträgt die mittlere Neigung der Fase 3 zur Achse des Ventils vorzugsweise 45 bis 60". Bei einem Durchmesser D der Ventilbohrung von 1,2 mm beträgt beim Ausführungsbeispiel der Radius R3 1,25 mm, der Radius R4 0,75 mm, derjenige der Kugel 2 ebenfalls 0,75 mm, die radiale Breite in der Projektion gemessen der beiden Fasen 0,08 mm, die radiale Breite der Fase 4 in der Projektion gemessen 0,03 mm, die axiale Distanz A 0,055 mm und die axiale Distanz B 0,027 mm.
Form und Abmessungen der Fasen des Ventilsitzes sind unter den folgenden massgebenden Gesichtspunkten gewählt:
Die Ventilkugel soll auf dem Sitz nicht haftenbleiben.
Ein Ausbrechen des harten, spröden Materials des Ventilsitzes und/oder der Ventilkugel beim schlagartigen Anlegen der Ventilkugel gegen den Sitz soll vermieden werden. Das wird erreicht durch die Hilfsfase 3 und das Brechen der Kante 5. Auch wenn die Kugel etwas exzentrisch auftrifft, wird sie in die Mitte zum Sitz auf der Fase 4 gelenkt, ohne dass dabei eine Stelle der Kugel oder des Ventilsitzes überbeansprucht wird und ausbricht. Die Fase 3 kann in diesem Sinne auch als Verstärkungsfase bezeichnet werden.
Zur Herstellung des Ventilsitzes werden zuerst die beiden Fasen 3 und 4 angeläppt, worauf mittels Bürsten poliert wird.
Durch das Polieren werden sowohl die Kante 5 als auch die beiden weiteren, die Fasen 3 und 4 begrenzenden Kanten gebrochen. Es entstehen dabei überall weiche Übergänge, was ein Ausbrechen oder Absplittern von Material beim Aufsetzen der Kugel auf den Sitz verhindert. Die dichtende Fase 4 wird mittels einer vorzugsweise aus Hartmetall bestehenden Kugel geläppt, deren Durchmesser genau dem Durchmesser der nachher verwendeten Ventilkugel entspricht.
Wie erwähnt, kann man mit dem dargestellten oder ähnlich ausgeführten Kugelventil Gasdichtheit für Drücke bis zu 600 bar erzielen. Für den Ventilsitz 1 und die Kugel 2 wird normalerweise dasselbe Material verwendet.
PATENTANSPRÜCHE
I. Gasdichtes Kugelventil, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkugel und der Ventilsitz aus einem harten Material bestehen, und dass der Ventilsitz eine gebrochene Kante zwischen zwei mit stumpfem Winkel aneinanderstossenden Flächen aufweist, wobei die Ventilkugel auf die eine Fläche aufliegt.
II. Verfahren zur Herstellung des Ventils nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst die Flächen angeläppt und hierauf der Ventilsitz zum Brechen der die Flächen begrenzenden Kanten poliert wird.
UNTERANSPRÜCHE
1. Ventil nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkugel und der Ventilsitz aus Si3N4 - oder A1203 - Sinterkeramik, aus Saphir oder aus Rubin bestehen.
2. Ventil nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kante bildenden Flächen aus einem Ende der Ventilbohrung geformt sind und zusammen eine radiale Breite von 0,06 bis 0,08 mm aufweisen.
3. Ventil nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen Kugelflächen sind.
4. Ventil nach den Unteransprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kugelfläche einen Radius von mindestens annähernd 0,75 mm und die äussere Kugelfläche einen Radius von mindestens annähernd 1,25 mm hat, wobei der Kugeldurchmesser 1,5 mm beträgt.
5. Ventil nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Neigung der Auflagefläche für die Kugel zur Ventilachse 45 bis 60 beträgt bzw. dass eine der mittleren Neigung dieser Auflagefläche angepasste Kegelfläche einen Öffnungswinkel von 90 bis 1200 aufweist.
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The production of gas-tight valves, especially ball valves, presents considerable difficulties because it is difficult to find materials for the valve ball and the valve seat that provide a sufficient sealing effect and that are at the same time sufficiently gas-tight in themselves to exclude any diffusion. The present invention is based on the surprising finding that with a suitable shape of the valve seat it is possible to achieve a high level of gas tightness of the valves with very hard materials, for example sintered ceramics, sapphire, ruby and the like.
The problem to be solved in particular is to avoid damage to the valve seat made of the hard, brittle material by the valve ball.
The ball valve according to the invention is characterized in that the valve ball and the valve seat are made of a hard material, and that the valve seat has a broken edge between two surfaces abutting at an obtuse angle, the valve ball resting on one surface.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, which shows an embodiment of the gas-tight ball valve.
Fig. 1 shows the valve seat in section with the valve ball in place, and
Fig. 2 shows a partial section through the valve seat on a greatly enlarged scale.
The valve seat 1 and the valve ball 2 consist of a hard gas-tight material, for example Si3N4 - or Al203 - sintered ceramic, sapphire or ruby. As FIG. 2 shows, surfaces of a very specific shape are provided at the upper end of the valve seat 1, namely two spherical surfaces or chamfers 3 and 4, the radii of which are R3 and R4, respectively. The bevels 3 and 4 meet at an obtuse angle and form an obtuse edge 5 there. The ball 2 rests on the sealing bevel 4, while there is a certain amount of play between it and the bevel 3. A conical surface adapted to the mean inclination of the bevel 3 preferably has an opening angle of 90 to 1200.
In other words, the mean inclination of the bevel 3 to the axis of the valve is preferably 45 to 60 ". With a diameter D of the valve bore of 1.2 mm, in the exemplary embodiment the radius R3 is 1.25 mm, the radius R4 0.75 mm, that of the ball 2 also 0.75 mm, the radial width measured in the projection of the two bevels 0.08 mm, the radial width of the bevel 4 measured in the projection 0.03 mm, the axial distance A 0.055 mm and the axial distance B 0.027 mm.
The shape and dimensions of the bevels of the valve seat are selected based on the following criteria:
The valve ball should not stick to the seat.
Breaking out of the hard, brittle material of the valve seat and / or the valve ball when the valve ball is suddenly placed against the seat should be avoided. This is achieved by the auxiliary bevel 3 and the breaking of the edge 5. Even if the ball hits a bit eccentrically, it is directed to the center of the seat on the bevel 4 without overstressing any part of the ball or the valve seat and breaking out. In this sense, the bevel 3 can also be referred to as a reinforcing bevel.
To manufacture the valve seat, the two bevels 3 and 4 are first lapped on, followed by brushing.
As a result of the polishing, both the edge 5 and the two other edges delimiting the bevels 3 and 4 are broken. Soft transitions are created everywhere, which prevents material from breaking out or splintering when the ball is placed on the seat. The sealing bevel 4 is lapped by means of a ball, preferably made of hard metal, the diameter of which corresponds exactly to the diameter of the valve ball used afterwards.
As mentioned, you can achieve gas tightness for pressures of up to 600 bar with the ball valve shown or similarly designed. The same material is normally used for the valve seat 1 and the ball 2.
PATENT CLAIMS
I. Gas-tight ball valve, characterized in that the valve ball and the valve seat are made of a hard material, and that the valve seat has a broken edge between two surfaces abutting at an obtuse angle, the valve ball resting on one surface.
II. A method for producing the valve according to claim I, characterized in that first the surfaces are lapped and then the valve seat is polished to break the edges delimiting the surfaces.
SUBCLAIMS
1. Valve according to patent claim I, characterized in that the valve ball and the valve seat are made of Si3N4 - or A1203 - sintered ceramic, sapphire or ruby.
2. Valve according to claim I, characterized in that the surfaces forming the edge are formed from one end of the valve bore and together have a radial width of 0.06 to 0.08 mm.
3. Valve according to claim I, characterized in that the surfaces are spherical surfaces.
4. Valve according to the dependent claims 2 and 3, characterized in that the inner spherical surface has a radius of at least approximately 0.75 mm and the outer spherical surface has a radius of at least approximately 1.25 mm, the ball diameter being 1.5 mm.
5. Valve according to claim I, characterized in that the mean inclination of the support surface for the ball to the valve axis is 45 to 60 or that a conical surface adapted to the mean inclination of this support surface has an opening angle of 90 to 1200.
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