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PATENTANSPRÜCHE
1. Druckbeaufschlagbarer Ventilsitz für ein Schliessglied eines Drosselklappenventils, gekennzeichnet durch a) ein biegsames, im wesentlichen kreisförmiges Sitzglied (34) mit einer zentralen Durchgangsbohrung, das äussere und innere Umfangsflächen aufweist, und b) eine axial elastisch nachgiebige Stützeinrichtung (42) in dem Sitzglied (34), die sich radial nach innen gegen die innere Umfangsfläche erstreckt, so dass das Sitzglied (34) einer axialen Verschiebung des Schliessgliedes (16) folgen kann, die dieses in seiner geschlossenen Stellung unter Druckeinwirkung ausführt.
2. Ventilsitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung der Stützeinrichtung (42) in radialer Richtung grösser ist als die Abmessung in axialer Richtung.
3. Ventilsitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützeinrichtung (42) aus Glasfasern hergestellt ist.
4. Ventilsitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützeinrichtung (42) als ringförmige Scheibe gestaltet ist.
5. Ventilsitz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sitzglied (34) axialsymmetrisch zur radialen Mittelebene der Stützeinrichtung (42) ist.
6. Drosselklappenventil mit einem Ventilsitz nach Anspruch 1 und einem Schliessglied (16), gekennzeichnet durch a) einen Ventilkörper (12) mit'einer Durchgangsbohrung (14), in der das Schliessglied (16) befestigt und um eine im wesentlichen quer zur Bohrung (14) liegende Achse (18) zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung verstellbar ist und ferner eine periphere Dichtfläche (16a) aufweist, und b) eine ringförmige Aussparung (38), die die Bohrung umgibt und die in radialer Ausrichtung mit der Dichtfläche (16a) des Schliessgliedes (16) ausgerichtet ist, wenn das Schliessglied geschlossen ist, wobei das Sitzglied (34) in der Aussparung (38) gelagert ist und sich radial nach innen erstreckt
7.
Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (38) benachbart der Bohrung (14) zwei gegen die Bohrung (14) divergierende Seitenwandabschnitte (40,41) aufweist, welche sich im axialen Abstand beidseits vom Sitzglied (34) erstrecken.
8. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sitzglied (34) einen radial aussenliegenden Verankerungsabschnitt (34a), einen radial innenliegenden Dichtungsabschnitt (34c) und einen dazwischenliegenden Einschnürungsabschnitt (34b) von gegenüber den beiden anderen Abschnitten (34a, 34c) reduzierter axialer Ausdehnung aufweist, wobei der radial innenliegende Abschnitt (34c) eine von der Einschnürung gegen die Bohrung (14) hin divergierende Querschnittsform aufweist.
9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stützeinrichtung (42) über den Einschnürungsabschnitt (34b) des Sitzgliedes (34) radial nach innen erstreckt.
Die Erfindung bezieht sich auf einen druckbeanspruchbaren Ventilsitz für ein Schliessglied eines Drosselklappenventils.
Herkömmliche Ventilsitze, wie sie bei Drosselklappenventilen verwendet werden, arbeiten nach dem Eingriffprinzip (Interferenzprinzip). Die Drosselklappe bzw. das Schliessglied wird mit einem Sitzglied in Eingriff gebracht.
Der Durchmesser des Schliessgliedes ist grösser als derjenige des Ventilsitzes, so dass die beiden Bauteile in einem Pressitz verkeilt werden müssen. In einem bekannten Drosselklappenventil ist das Sitzglied radial vorgespannt, um die Schliessspannung aufzunehmen. Wenn jedoch die Drücke höher und höher werden, steigt auch die notwendige Vorspannung an und erschwert das Schliessen des Ventils.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbessertenVentilsitz vorzuschlagen, der wirksam unterschiedliche Fluiddrücke in beiden Richtungen aufzunehmen vermag.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch einen druckbeaufschlagten Ventilsitz nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Als weitere Erfindung ist ein Drosselklappenventil mit einem solchen Ventilsitz und einem Schliessglied vorgeschlagen, das nach dem Patentanspruch 6 definiert ist.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines Hochleistungs-Drosselklappenventiles von der Befestigungsseite aus gesehen;
Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Ventilsitz nach Fig. 1, bei geringer Öffnungsweite;
Fig. 3 einen Teilschnitt wie Fig. 2, in Dichtungsstellung des Ventils;
Fig. 4 einen Teilschnitt durch den Ventilsitz nach den Fig. 1 bis 3, der die Zusammenarbeit des Sitzgliedes mit angrenzenden Ventilteilen zeigt, wenn Fluiddruck auf die Ventilkörperseite aufgebracht worden ist;
Fig. 5 einen Teilschnitt durch den Ventilsitz nach den Fig. 1 bis 3, der die Zusammenarbeit des Sitzgliedes mit angrenzenden Ventilteilen unter dem Einfluss eines Fluiddruckes von der Befestigungsseite des Ventiles aus zeigt;
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Fig. 6 eine andere Ausgestaltung des Ventilsitzes und der Stützeinrichtung;
Fig. 7 eine Ausgestaltung des Ventilsitzes, die zweckmässig bei Tieftemperaturbeanspruchungen benützt werden kann;
Fig. 8 eine Ausgestaltung des Ventilsitzes, bei der eine zusätzliche Unterstützung gegen einen Kältefluss vorgesehen ist;
Fig. 9 bis 11 weitere Ausgestaltungen des Ventilsitzes nach der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel, ähnlich dem nach Fig. 7, mit einem zusätzlichen Zentrierring.
Das in Fig. 1 dargestellte Drosselklappenventil ist allgemein mit 10 bezeichnet und in offener Stellung gezeigt. Das Ventil 10 hat einen Ventilkörper 12 in Plattenkonstruktion mit einer Zentralbohrung 14. Ein scheibenförmiges Schliessglied 16 mit einer sphärischen Dichtfläche 16a auf seinem Umfang ist schwenkbar in der Bohrung 14 angeordnet und um eine Achse 18 drehbar, die im wesentlichen senkrecht zur Achse der Bohrung 14 liegt. Das Schliessglied 16 ist somit verschwenkbar, um das Ventil 10 zu öffnen oder zu schliessen. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist und nachfolgend im einzelnen näher erläutert wird, ist das Schliessglied 16 auf der Anflächung einer Welle 20 befestigt, die um die Achse 18 drehbar ist. Das Schliessglied 16 ist somit von der Achse 18 abgesetzt und exzentrisch daran befestigt. Die Welle 20 erstreckt sich durch die Bohrung 14 und durch den Ventilkörper 12.
Eine Betätigungseinrichtung (nicht dargestellt) ist mit einem Ende der Welle 20 verbunden, um die Welle 20 samt dem Schliessglied 16 zu drehen und das Ventil zu öffnen und zu schliessen. Lagermittel, wie z.B. Lagerhülsen aus selbstschmierendem Teflon, das in einem korrosionsresistenten Stahlzylinder 22 eingebettet ist, umgeben die Welle 20 und reduzieren die Reibung bei einer Verdrehung der Welle
20 um die Achse 18. Obwohl es aus der Darstellung in der Fig.
1 nicht ersichtlich wird, ist das Schliessglied 16 auch in einer Richtung senkrecht zur Achse 18 exzentrisch befestigt, so dass zwei Exzentrizitäten vorhanden sind. Diese Konstruktion ergibt beim Drehen eine exzenterartige Schliessgliedbewegung. Durch die aussermittige Schliessgliedanordnung gelangt das Schliessglied 16 aus dem Schliessbereich heraus, wenn es in die Offenstellung bewegt wird. Diese Konstruktion vermeidet ein dauerndes Anliegen am Schliessbereich und übermässigen Strömungswiderstand, wenn das Schliessglied in seiner offenen Stellung ist. Diese doppelt exzentrische Anordnung ergibt auch eine Axialbewegung im letzten Moment der Schliessbewegung. Da die aussermittige Schliessgliedanordnung seit langem Stand der Technik ist und keimen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, wird diese nachfolgend nicht näher beschrieben.
Ein Sprengring 26 ist in einer Nut 28 auf der Vorderseite 30 des Körpers 12 eingelegt und durch Befestigungsmittel, wie z.B. Schrauben 32, gesichert.
Ein Ventilsitzglied 34 von allgemein ringförmigem Grundriss ist in einer ringförmigen Nut oder Aussparung 38 (in den Fig. 2 bis 5 deutlicher dargestellt) eingelegt, die die Bohrung 14 umgibt und aus einem Abschnitt im Körper 12 und einejii Abschnitt im Sprengring 26 gebildet ist. Wie in Flg. 1 dargestellt und nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 5 näher erläutert, erstreckt sich das Ventilsitzglied 34 aus der ringförmigen Aussparung 38 radial nach innen gegen den Mittelpunkt der Bohrung 14. Die ringförmige Aussparung 38 liegt radial in der gleichen Ebene wie die Dichtfläche 16a des Schliessgliedes 16, wenn das Ventil 10 geschlossen ist.
In der Fig. 2 sind das Sitzglied 34, der Sprengring 26, der Ventilkörper 12 und das Schliessglied 16 des Ventiles, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, im Querschnitt in vergrössertem Massstab dargestellt. Das Sitzglied 34 hat einen breiteren Abschnitt 34a, der am weitesten vom Mittelpunkt der Bohrung 14 entfernt ist. Das Sitzglied 34 verengt sich radial nach innen zu einer Einschnürung 34b und erweitert sich dann wieder zu einem breiteren Abschnitt 34c, der dem Mittelpunkt der Bohrung 14 am nächsten liegt. Die ringförmige Aussparung 38 ist kongruent ausgebildet und steht mit dem Sitzglied 34 kompressiv im Eingriff. Seitenwände 40 und 41 sind annähernd parallel zu den Seitenteilen des Sitzabschnittes 34c, aber in axialer Richtung im Abstand davon angeordnet.
Die Seitenwände 40 und 41 liegen in Abstand entsprechend voraussichtlicher Auslenkungen des Sitzgliedes 34 unter maximalen Druckbedingungen, wobei die Seitenwand 40 zwischen 60 und 70% der totalen axialen Sitzgliedauslenkung und die Seitenwand 41 zwischen 30 und 40% der totalen Sitzgliedauslenkung auf Abstand liegen. Für ein 15-cm-Ventil des dargestellten Types würden die Seitenwände 40 und 41 ungefähr 0,57 mm bzw. 0,32 mm auf Abstand von der benachbarten Sitzgliedwand liegen.
Aus der Fig. 2 ist eine Stützeinrichtung 42 ersichtlich, die im Inneren des Sitzgliedes 34 eingebettet ist. Die Stützeinrichtung erstreckt sich von der Aussparung 38 aus im Sitzglied 34 radial nach innen bis zu einer Stelle, die innerhalb der Einschnürung 34b in Richtung auf das Bohrungszentrum hin liegt.
Die Stützeinrichtung 42 ist relativ starr in radialer Richtung, aber nachgiebig biegsam in axialer Richtung. Sie ist sowohl als Versteifungsglied als auch als ein flexibles Glied wirksam. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Stützeinrichtung 42 ein geschlossener Ring, der die Bohrung 14 mit dem Sitzglied 34 umgibt. Dieser biegsame Ring wird durch die Auslenkung des Schliessgliedes 16 federnd vorgespannt, wenn sich dieses in seiner geschlossenen Stellung befindet, um einen Dichtungseffekt zwischen dem Sitzglied und dem Schliessglied herzustellen. Dies ist verstärkt dann der Fall, wenn das Schliessglied 16 unter dem Einfluss eines unter Druck stehenden Fluides steht.
In den in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Sitzglied 34 aus einem fluorinierten Kohlenwasserstoffpolymer hergestellt, vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen, das unter dem Warenzeichen Teflon verkauft wird (Teflon ist ein registriertes Warenzeichen für E. I. DuPont De Nemours, Inc., Wilmington, Delaware). Diese fluorinierten Kohlenwasserstoffpolymere werden in Hochleistungsventilen verwendet, weil sie gegen fast alle Prozessfluide inert sind und geeignet sind, höheren Temperaturen und Druckbedingungen als synthetische Gummimaterialien standzuhalten. Ausserdem haben sie auch einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten.
Diese Polymere haben jedoch leider eine Tendenz zum Kaltfliessen und nehmen eine Verformung oder Änderung in ihren Abmessungen an, wenn sie über eine lange Zeitperiode einer Belastung unterworfen werden. Die Stützeinrichtung 42 dient dazu, diese Tendenz zu reduzieren, und besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Glasfaseraufbau.
Selbstverständlich ist es möglich, dass auch andere Materialien für die Gestaltung des Sitzgliedes oder der Stützeinrichtung verwendet werden können.
In Fig. 3 ist der Ventilsitz nach der Fig. 1 in bezüglich der sphärischen Dichtfläche 16a des Schliessgliedes 16 geschlossener Stellung dargestellt. Diese Darstellung zeigt das Schliessglied 16 in seiner geschlossenen Stellung ohne anliegende Fluidkräfte. Es ist festzustellen, dass der radial innerste Abschnitt des Sitzgliedes 34 unter dem Einfluss des Eingriffes zwar leicht deformiert ist, und auch die biegsame Stützeinrichtung 42 ist im Einschnürungsabschnitt 34b leicht abgebogen. Die biegsame Stützeinrichtung 42 bewirkt, dass der Sitzgliedabschnitt 34c in seine ursprüngliche Lage zurückkehrt, wenn die axial wirksame Kraft aufgehoben wird. Eine Linie 39 stellt die Mittellinie der biegsamen Stützeinrichtung in dieser Stellung dar.
Fig. 4 zeigt das Ventilsitzglied 34 der Fig. 3, nachdem sich das Schliessglied 16 unter dem Einfluss des Fluiddruckes in Richtung der Pfeile 44 nach rechts bewegt hat. Wie aus dieser Darstellung auch ersichtlich ist, hat sich das Sitzglied 34 unter dem Fluiddruck gegen die Seitenwand 40 hinbewegt.
Die biegsame Stützeinrichtung 42 ist ebenfalls stärker als in der Fig. 3 dargestellt abgebogen. Weiterhin ist ersichtlich, dass das Sitzglied 34 an der Seitenwand 40 anliegt, welche bewegungsbegrenzend wirksam ist. Die Seitenwand 40 (ebenso wie die Seitenwand 41 in der entgegengesetzten axialen Richtung) stellt auf diese Weise sicher, dass das Sitzglied 34 unter dem Einfluss eines hohen Druckes nicht ausser Kontakt mit dem Schliessglied 16 gerät. Die Abschnitte der ringförmigen Aussparung 38, die den Seitenwänden 40 und 41 zugewandt sind, arbeiten ebenfalls mit dem Sitzglied 34 zusammen.
Die Druckbelastung im zwischenliegenden Einschnürungsabschnitt 34b des Sitzgliedes dient dazu, die Sitzbiegung an jenem Ort zu begrenzen.
Die Linien 50 und 52 zeigen das Mass der axialen Verbiegung, die das Sitzglied 34 erfahren hat, wobei die erste Linie 50 die axiale Lage der Mittellinie des Sitzgliedes 34 im Zustand nach Fig. 3 darstellt. Die zweite Linie 52 zeigt die axiale Position der gleichen Mittellinie nach der Ausbiegung, die durch den Fluiddruck von der Ventilkörperseite in Pfeilrichtung 44 veranlasst wird.
Die axiale Verschiebung des Schliessgliedes 16 nach Fig. 4 ergibt eine axiale Verschiebung des Sitzgliedes 34, die durch zwei Komponenten gekennzeichnet ist. Die eine liefert das Spiel zwischen der Welle 20, dem Schliessglied 16, der Buchse und dem Ventilkörper 12. Die andere ergibt sich aus der Auslenkung des Schliessgliedes 16 und der Welle 20, die aus dem Druck auf das Schliessglied resultiert. Die Totalverschiebung würde bei einer 15-cm-Bohrung ungefähr 0,57 mm in dieser Richtung ergeben.
Das Sitzglied 34 folgt der axialen Verschiebung des Schliessgliedes 16. Die Stützeinrichtung 42 biegt sich leicht in axialer Richtung im Einschnürungsabschnitt 34b, um sich einem grösseren Durchmesser auf der Dichtfläche 16a anzupassen.
Das axiale Verschieben des Schliessgliedes 16 ist für die vorliegende Erfindung charakteristisch. Dabei wird auch radiales Strecken des Sitzgliedes verhindert, was beim Stand der Technik verbreitet ist. Die axiale Verschiebung unterstützt auch das Zurückkehren des Sitzgliedes in seine ursprüngliche Form.
Zudem wäre das Teflon-Sitzmaterial nicht in der Lage, von selbst in die ursprüngliche Form zurückzukehren. Aus diesem Grunde ist die biegsame Stützeinrichtung 42 vorgesehen, die auf das Sitzmaterial wirkt und kontinuierliche Rückführungskräfte liefert.
Ein Fluiddruck, der auf die Befestigungsseite des Ventiles 10 auf das Schliessglied 16 in der Richtung der Pfeile 55 einwirkt, ist in Fig. 5 dargestellt. Die drucklose Situation anhand der Fig. 3 des Ventilsitzes ist durch die Linie 60 dargestellt, während die Linie 62 die axiale Lage des Sitzgliedes darstellt unter dem Einfluss des auf der Befestigungsseite herrschenden Druckes, der in Richtung der Pfeile 55 wirkt. Es ist festzustellen, dass die Auslenkung in dieser Richtung kleiner ist als die korrespondierende Anlenkung in der anderen Fluiddruckrichtung. Für ein 15-cm-Ventil des dargestellten Typs würde die Auslenkung ungefähr 0,32 mm aus machen.Dieser Unterschied resultiert daraus, dass das Schliessglied 16, wenn es drucklos in der geschlossenen Stellung steht, bereits das gesamte Bewegungsspiel zwischen den angrenzenden Teilen aufgenommen hat.
Die einzige Bewegung in dieser Richtung (dargestellt durch Pfeile 55) resultiert aus der Auslenkung des Schliessgliedes, was zeigt, dass diese Bewegung nicht zwangsläufig erfolgt. Die Dichtfläche 16a des Schliessgliedes 16 besitzt spärische Form, wodurch der Fluiddruck in Richtung der Pfeile 55 dazu neigt, das Schliessglied 16 vom Sitzglied 34 wegzubewegen. Wenn das Sitzglied 34 nicht druckbelastet wäre und verbogen würde, würde die Dichtwirkung entfallen. Die biegsame Stützeinrichtung 42 erlaubt dem Sitzglied 34, sich axial zu bewegen und dem Schliessglied 16 zu folgen, wodurch der Dichtkontakt aufrechterhalten bleibt. Wie ersichtlich, ist das Sitzglied 34 somit bidirectional , das heisst, die Dichtwirkung tritt in beiden Richtungen ein.
Die biegsame Stützeinrichtung 42 kann leicht im Einschnürungsabschnitt 34b in beide Richtungen abgebogen werden, um die axiale Bewegung des Sitzgliedes zu ermöglichen.
Die Fig. 2 bis 5 zeigen auch, dass das Sitzglied 34 und die Stützeinrichtung 42 unbelastet symmetrisch zur Mittellinie liegen, auf der die Stützeinrichtung 42 liegt. Zusätzlich zu der bidirectionalen Charakteristik des Ventilsitzes vermeidet diese symmetrische Struktur irrtümlich möglichen falschen Einbau, wenn eine Ersatzdichtung einzufügen ist. Die Dichtung nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann in beiden Richtungen eingebaut werden.
Wie weiterhin aus der Zeichnung ersichtlich ist, erstreckt sich die Seitenwand 40 des Sprengringes 26 radial einwärts, so dass sie das Sitzglied 34 vor einer direkten Anströmung und Erosion durch das Medium schützt. Der Sprengring 26 weist einen abgeschrägten Eintrittsabschnitt 26a auf, der ebenfalls in dieser Beziehung wirkt, wie z.B. in der Fig. 5 dargestellt.
Wie aus den Fig. 1 und 5 ersichtlich ist, liegt der Sprengring 26 so in einer Aussparung des Ventilkörpers 12, dass seine Aussenfläche 26b in einer gemeinsamen Ebene mit der Aussenfläche des Ventilkörpers 12 liegt. Eine derartige Anordnung verhindert äussere Ventilleckagen, indem der äussere Leckweg durch eine abschliessende Flanschdichtung 59, wie in Fig. 5 dargestellt, abgedeckt werden kann.
Einige dieser Alternativlösungen für die Dichtungsgestaltung sind in den Fig. 6 bis 11 dargestellt.
In Fig. 6 ist eine Ausgestaltung dargestellt, die eine grössere axiale Steifigkeit des Sitzgliedes aufweist. Diese Ausgestaltung erlaubt auch weniger Kaltfliessen als das in den Fig.
1 bis 5 dargestellte Ausführungsbeispiel und könnte in Anlagen verwendet werden, wo grössere Drücke zu beherrschen sind.
Sowohl das Sitzglied 76 als auch die Stützeinrichtung 78 sind im wesentlichen von X-förmiger Gestalt, mit einem divergierenden Abschnitt im Bereich der Dichtfläche 80. Die Dichtfläche 80 ist in zwei Teilflächen 80a und 80b aufgeteilt mit einer Einschnürung 82 dazwischen. Die Einschnürung 82 isoliert die Dichtflächen 80a und 80b gegenseitig und macht sie unabhängig voneinander. Die sich am weitesten radial nach aussen erstreckenden Abschnitte 84 und 86 des X-förmigen Sitzgliedes 76 und des Stützgliedes 78 sind jeweils durch axiale Flansche vergrössert, um höhere Fluidgeschwindigkeiten zuzulassen, die bei höheren Fluiddrücken auftreten. Diese Konstruktion dient auch dazu, zu verhindern, dass das Sitzglied nach aussen gepresst oder aus der ringförmigen Nut herausgezogen wird.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sitzgliedes, das den in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausgestaltungen ähnlich ist, aber mit einer schmaleren Dichtfläche 81 des Sitzgliedes 87 versehen ist. Die enge Dichtfläche 81 kann bei Tieftemperaturanwendungen wünschenswert sein, um das Drehmoment, das zum Öffnen und Schliessen des Schliessgliedes notwendig ist, zu reduzieren. Die Ausgestaltung nach der Fig. 7 unterscheidet sich von denjenigen nach den Fig. 1 bis 5 auch dadurch, dass sie eine Stützeinrichtung 88 aufweist, die vollständig im Sitzglied 87 eingekapselt ist.
Die Fig. 8 zeigt eine Ausgestaltung, die eine Variante zu Fig. 6 ist, und zwar dergestalt, dass sowohl das Sitzglied 90 als auch die biegsame Stützeinrichtung 92 abweichend geformt sind. Diese Konstruktion ergibt eine zusätzliche Unterstützung gegen Kaltfliessen. Im Unterschied zu der Ausgestaltung nach der Fig. 6 hat die Ausgestaltung nach der Fig. 8 eine einzige Dichtfläche 94, die der Ausgestaltung nach der Fig. 1 bis 5 ähnlich ist. Das Sitzglied 90 weist wiederum seinen zentralen Einschnürungsabschnitt 90a auf, um ein axiales Ausbiegen zu erleichtern.
In Fig. 9 ist eine andere Ausgestaltung des Ventilsitzgliedes dargestellt. In dieser Ausgestaltung sind sowohl das Sitzglied 96 als auch die Stützeinrichtung 98 an ihren radialen äusseren Abschnitten L-förmig ausgestaltet und dieser Abschnitt der Stützeinrichtung in der ringförmigen Aussparung 38 gesichert. Der radial innenliegende Abschnitt der Stützeinrichtung 98 besitzt eine Wulstverdickung 100, die einen weichen Übergang zwischen der Stützeinrichtung und dem Sitzglied schafft, damit die Scherwirkung auf das Sitzglied verringert wird. Dieses Ausführungsbeispiel hat eine grosse Kontaktfläche 101, die auf beiden Seiten zurückgesetzt ist, um der Stützeinrichtung die Möglichkeit zu geben, mit der Dichtfläche des Schliessgliedes 16 in Eingriff zu gelangen, ohne an ihren Ecken anzuschlagen oder aufzulaufen.
Eine weitere Ausgestaltung des Sitzgliedes 102 ist in Fig. 10 dargestellt, wobei die Stützeinrichtung 104 aus Metall hergestellt ist, welches an seinem inneren Ende 106 umgebogen oder eingerollt ist. Wie ersichtlich, weist das Sitzglied in seinem zentralen Einschnürungsabschnitt ebenfalls eine reduzierte Breite auf, um das axiale Biegen an dieser Stelle zu erleichtern.
In der in der Fig. 11 dargestellten Ausführungsform besitzen das Sitzglied 108 und die Stützeinrichtung 110 eine I-förmige Gestalt. Diese Ausgestaltung macht die biegsame Stützeinrichtung 110 steifer.
Die ringförmige Aussparung 38 im Ventil 10 muss konzentrisch zum Schliessglied 16 angeordnet sein. In den meisten Anwendungsfällen stellt jedoch die Flexibilität des Ventilsitzes in dieser Beziehung keine hohen Anforderungen, und Ungenauigkeiten bezüglich der Konzentrizität und Rundheit der Aussparung sind zulässig. In einigen Anwendungsfällen jedoch werden Herstellungstoleranzen kritisch. Ein derartiger Anwendungsfall ist z.B. gegeben, wenn das Ventil im Tiefsttemperaturbereich verwendet wird. Extrem niedere Temperaturen führen nämlich dazu, dass die Ventilsitzmaterialien sehr steif werden. In diesen Anwendungsfällen ist es wichtig, dass die Aussparung und das Schliessglied präzise aufeinander ausgerichtet sind, weil jeder Ausrichtungsfehler das Drehmoment erhöhen würde, das bei der Ventilbetätigung aufzubringen ist.
Die Fig. 12 zeigt eine Ausgestaltung, die dazu bestimmt ist, die Herstellungstoleranzen für die Aussparung 38 zu erweitern. Diese Ausgestaltung ist der in Fig. 7 dargestellten Ausgestaltung ähnlich, ausser dass die Aussparung 38 vergrössert ist und ein Verstärkungsglied, das als Zentrierring 112 gestaltet ist, an der äusseren Ringfläche des Sitzgliedes aufliegt. Der Zentrierring 112 ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, aus dem gleichen Material wie der Ventilkörper hergestellt. In der bevorzugten Ausführungsform sind der Ventilkörper und der Zentrierring aus nichtrostendem Stahl hergestellt.
Wie aus der Fig. 12 ersichtlich, besitzt der Zentrierring 112 eine Dimension in axialer Richtung, die kleiner ist als die äussere Ringfläche des Sitzgliedes. Auf diese Weise ist ein axiales Spiel zwischen den Seitenflächen des Zentrierringes und den Seitenwänden der ringförmigen Aussparung 38 vorhanden. Die seitlichen Abstände stellen sicher, dass die Dichtungsbeziehung zwischen dem Sitzglied, dem Ventilkörper und dem Sprengring gewährleistet bleibt. Weiter erlaubt ein Spielabstand zwischen der Ringfläche der Aussparung 38 und dem Zentrierring 112 ein radiales Verschieben der Anordnung aus Sitzglied und Zentrierring. Der Zentrierring 112 und das Sitzglied werden beim Ventilzusammenbau in die ringförmige Aussparung eingelegt.
Der Spielabstand zwischen der peripheren Fläche der Aussparung 38 und dem Zentrierring 112 erlaubt sowohl dem Sitzglied als auch dem Zentrierring, sich zu verschieben und ihre eigene Mittellage relativ zum Schliessglied zu finden.
Wenn diese Mittellage einmal erreicht ist, liegt der Sprengring 26 satt an und übergreift das Sitzglied dichtend, wobei die Position des Sitzgliedes und des Zentrierringes relativ zum Ventilkörper fixiert wird. Nachdem der Sprengring 26 eingebaut ist, wirkt der Zentrierring 112 analog der ringförmigen Aussparung 38 in den früher beschriebenen Ausführungsbeispielen und verhindert einen radialen Kaltfluss des Sitzgliedmateriales.
Bevorzugte Sitzgliedmaterialien für die Ausgestaltung nach Fig. 12 sind Homopolymere aus Chlortrifluorethylen (z.B. KEL-F der 3M Company of Minneapolis) oder ultrahochmolekulare Polyethylene (UHMWP). Diese Materialien könnten auch für die Sitzglieder nach den Ausgestaltungen nach Fig. 1 bis 11 verwendet werden. Die Liste der Materialien ist selbstverständlich nicht abschliessend; vielmehr können zahlreiche andere Materialien hierfür verwendet werden, die dem Fachmann auf diesem Gebiete bekannt sind.
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PATENT CLAIMS
1. Pressurizable valve seat for a closing member of a throttle valve, characterized by a) a flexible, essentially circular seat member (34) with a central through-bore, which has outer and inner peripheral surfaces, and b) an axially resilient support device (42) in the seat member (34), which extends radially inwards against the inner circumferential surface, so that the seat member (34) can follow an axial displacement of the closing member (16), which it executes in its closed position under the action of pressure.
2. Valve seat according to claim 1, characterized in that the dimension of the support device (42) in the radial direction is greater than the dimension in the axial direction.
3. Valve seat according to claim 1, characterized in that the support device (42) is made of glass fibers.
4. Valve seat according to claim 1, characterized in that the support device (42) is designed as an annular disc.
5. Valve seat according to claim 4, characterized in that the seat member (34) is axially symmetrical to the radial central plane of the support device (42).
6. Throttle valve with a valve seat according to claim 1 and a closing member (16), characterized by a) a valve body (12) with a through bore (14) in which the closing member (16) is fastened and by an essentially transverse to the bore ( 14) lying axis (18) is adjustable between an open and a closed position and also has a peripheral sealing surface (16a), and b) an annular recess (38) which surrounds the bore and which is in radial alignment with the sealing surface (16a ) of the closing member (16) is aligned when the closing member is closed, the seat member (34) being mounted in the recess (38) and extending radially inwards
7.
Valve according to claim 6, characterized in that the recess (38) adjacent to the bore (14) has two side wall sections (40, 41) diverging against the bore (14), which extend at an axial distance on both sides of the seat member (34).
8. Valve according to claim 6, characterized in that the seat member (34) has a radially outer anchoring section (34a), a radially inner sealing section (34c) and an intermediate constricting section (34b) of compared to the other two sections (34a, 34c) reduced has axial expansion, the radially inner portion (34c) having a cross-sectional shape diverging from the constriction towards the bore (14).
9. Valve according to claim 8, characterized in that the support device (42) extends radially inward over the constricted section (34b) of the seat member (34).
The invention relates to a pressure-resistant valve seat for a closing member of a throttle valve.
Conventional valve seats, such as those used in throttle valves, work according to the engagement principle (interference principle). The throttle valve or the closing member is brought into engagement with a seat member.
The diameter of the closing member is larger than that of the valve seat, so that the two components have to be wedged in one press fit. In a known throttle valve, the seat member is radially biased to absorb the closing voltage. However, when the pressures get higher and higher, the necessary preload increases and makes it difficult to close the valve.
The object of the present invention is therefore to propose an improved valve seat which can effectively absorb different fluid pressures in both directions.
According to the invention, this object is achieved by a pressurized valve seat according to the features of claim 1.
As a further invention, a throttle valve with such a valve seat and a closing member is proposed, which is defined in claim 6.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows:
Figure 1 is a perspective, partially sectioned view of a high performance throttle valve seen from the mounting side.
FIG. 2 shows a partial section through the valve seat according to FIG. 1, with a small opening width;
3 shows a partial section like FIG. 2, in the sealing position of the valve;
Fig. 4 is a partial section through the valve seat of Figures 1 to 3, showing the cooperation of the seat member with adjacent valve parts when fluid pressure has been applied to the valve body side.
5 shows a partial section through the valve seat according to FIGS. 1 to 3, which shows the cooperation of the seat member with adjacent valve parts under the influence of a fluid pressure from the fastening side of the valve;
;
6 shows another embodiment of the valve seat and the support device;
7 shows an embodiment of the valve seat which can be used expediently in the case of low-temperature stresses;
8 shows an embodiment of the valve seat in which additional support against cold flow is provided;
9 to 11 further configurations of the valve seat according to the present invention; and
Fig. 12 shows an embodiment, similar to that of FIG. 7, with an additional centering ring.
The throttle valve shown in Fig. 1 is generally designated 10 and shown in the open position. The valve 10 has a valve body 12 in plate construction with a central bore 14. A disk-shaped closing member 16 with a spherical sealing surface 16a on its circumference is pivotally arranged in the bore 14 and rotatable about an axis 18 which is substantially perpendicular to the axis of the bore 14 . The closing member 16 can thus be pivoted in order to open or close the valve 10. As can be seen from FIG. 1 and will be explained in more detail below, the closing member 16 is fastened on the flat surface of a shaft 20 which can be rotated about the axis 18. The closing member 16 is thus offset from the axis 18 and attached to it eccentrically. The shaft 20 extends through the bore 14 and through the valve body 12.
An actuator (not shown) is connected to one end of the shaft 20 to rotate the shaft 20 together with the closing member 16 and to open and close the valve. Storage means, e.g. Bearing sleeves made of self-lubricating Teflon, which is embedded in a corrosion-resistant steel cylinder 22, surround the shaft 20 and reduce the friction when the shaft rotates
20 about the axis 18. Although from the illustration in FIG.
1 cannot be seen, the closing member 16 is also eccentrically fastened in a direction perpendicular to the axis 18, so that two eccentricities are present. This construction results in an eccentric locking member movement when turning. Due to the eccentric closing element arrangement, the closing element 16 comes out of the closing area when it is moved into the open position. This construction avoids constant contact with the closing area and excessive flow resistance when the closing member is in its open position. This double eccentric arrangement also results in an axial movement at the last moment of the closing movement. Since the eccentric closing element arrangement has been state of the art for a long time and forms part of the present invention, it is not described in more detail below.
A snap ring 26 is inserted in a groove 28 on the front 30 of the body 12 and by fasteners such as Screws 32, secured.
A generally seated valve seat member 34 is inserted into an annular groove or recess 38 (shown more clearly in Figures 2 to 5) which surrounds the bore 14 and is formed from a portion in the body 12 and a portion in the snap ring 26. As in Flg. 1 and explained in more detail below with reference to FIGS. 2 to 5, the valve seat member 34 extends from the annular recess 38 radially inwards towards the center of the bore 14. The annular recess 38 lies radially in the same plane as the sealing surface 16a of the closing member 16 when the valve 10 is closed.
2, the seat member 34, the snap ring 26, the valve body 12 and the closing member 16 of the valve, as shown in FIG. 1, are shown in cross section on an enlarged scale. The seat member 34 has a wider portion 34a that is farthest from the center of the bore 14. The seat member 34 narrows radially inward to a constriction 34b and then widens again to a wider section 34c which is closest to the center of the bore 14. The annular recess 38 is congruent and is in a compressive engagement with the seat member 34. Sidewalls 40 and 41 are approximately parallel to the side portions of the seat portion 34c, but spaced axially therefrom.
The side walls 40 and 41 are spaced in accordance with expected deflections of the seat member 34 under maximum pressure conditions, the side wall 40 being between 60 and 70% of the total axial seat member deflection and the side wall 41 being between 30 and 40% of the total seat member deflection at a distance. For a 15 cm valve of the type shown, the side walls 40 and 41 would be approximately 0.57 mm and 0.32 mm apart from the adjacent seat member wall.
2 shows a support device 42 which is embedded in the interior of the seat member 34. The support device extends radially inward from the recess 38 in the seat member 34 to a point which lies within the constriction 34b in the direction of the center of the bore.
The support device 42 is relatively rigid in the radial direction, but is resiliently flexible in the axial direction. It is effective both as a stiffening member and as a flexible member. 2, the support device 42 is a closed ring which surrounds the bore 14 with the seat member 34. This flexible ring is resiliently biased by the deflection of the closing member 16 when it is in its closed position in order to produce a sealing effect between the seat member and the closing member. This is particularly the case when the closing member 16 is under the influence of a fluid under pressure.
1 through 5, the seat member 34 is made of a fluorinated hydrocarbon polymer, preferably polytetrafluoroethylene, sold under the trademark Teflon (Teflon is a registered trademark of EI DuPont De Nemours, Inc., Wilmington, Delaware ). These fluorinated hydrocarbon polymers are used in high-performance valves because they are inert to almost all process fluids and are able to withstand higher temperatures and pressure conditions than synthetic rubber materials. They also have a very low coefficient of friction.
Unfortunately, these polymers have a tendency to cold flow and assume a deformation or change in their dimensions when subjected to stress over a long period of time. The support device 42 serves to reduce this tendency and, in a preferred embodiment, consists of a glass fiber structure.
Of course, it is possible that other materials can also be used for the design of the seat member or the support device.
3 shows the valve seat according to FIG. 1 in the closed position with respect to the spherical sealing surface 16a of the closing member 16. This illustration shows the closing member 16 in its closed position without applied fluid forces. It should be noted that the radially innermost section of the seat member 34 is slightly deformed under the influence of the engagement, and the flexible support device 42 is also slightly bent in the constriction section 34b. The flexible support 42 causes the seat member portion 34c to return to its original position when the axially effective force is released. A line 39 represents the center line of the flexible support in this position.
FIG. 4 shows the valve seat member 34 of FIG. 3 after the closing member 16 has moved to the right in the direction of the arrows 44 under the influence of the fluid pressure. As can also be seen from this illustration, the seat member 34 has moved towards the side wall 40 under the fluid pressure.
The flexible support device 42 is also bent more than shown in FIG. 3. Furthermore, it can be seen that the seat member 34 abuts the side wall 40, which has a movement-limiting effect. The side wall 40 (like the side wall 41 in the opposite axial direction) thus ensures that the seat member 34 does not come out of contact with the closing member 16 under the influence of high pressure. The portions of the annular recess 38 which face the side walls 40 and 41 also cooperate with the seat member 34.
The pressure load in the intermediate constriction section 34b of the seat member serves to limit the seat bend at that location.
Lines 50 and 52 show the extent of the axial deflection which the seat member 34 has undergone, the first line 50 representing the axial position of the center line of the seat member 34 in the state according to FIG. 3. The second line 52 shows the axial position of the same center line after the deflection, which is caused by the fluid pressure from the valve body side in the direction of arrow 44.
The axial displacement of the closing member 16 according to FIG. 4 results in an axial displacement of the seat member 34, which is characterized by two components. One supplies the play between the shaft 20, the closing member 16, the bushing and the valve body 12. The other results from the deflection of the closing member 16 and the shaft 20, which results from the pressure on the closing member. The total displacement would be approximately 0.57 mm in this direction for a 15 cm bore.
The seat member 34 follows the axial displacement of the closing member 16. The support device 42 bends slightly in the axial direction in the constriction section 34b in order to adapt to a larger diameter on the sealing surface 16a.
The axial displacement of the closing member 16 is characteristic of the present invention. This also prevents radial stretching of the seat member, which is common in the prior art. The axial displacement also supports the return of the seat member to its original shape.
In addition, the Teflon seat material would not be able to return to its original shape on its own. For this reason, the flexible support device 42 is provided, which acts on the seat material and provides continuous return forces.
A fluid pressure, which acts on the fastening side of the valve 10 on the closing member 16 in the direction of the arrows 55, is shown in FIG. 5. The pressure-free situation with reference to FIG. 3 of the valve seat is represented by line 60, while line 62 represents the axial position of the seat member under the influence of the pressure prevailing on the fastening side, which acts in the direction of arrows 55. It should be noted that the deflection in this direction is smaller than the corresponding deflection in the other fluid pressure direction. For a 15 cm valve of the type shown, the deflection would be approximately 0.32 mm. This difference results from the fact that the closing member 16, when depressurized in the closed position, has already taken up all the play between the adjacent parts .
The only movement in this direction (represented by arrows 55) results from the deflection of the closing member, which shows that this movement does not necessarily take place. The sealing surface 16a of the closing member 16 has a spherical shape, as a result of which the fluid pressure in the direction of the arrows 55 tends to move the closing member 16 away from the seat member 34. If the seat member 34 were not under pressure and bent, the sealing effect would be eliminated. The flexible support device 42 allows the seat member 34 to move axially and follow the closing member 16, whereby the sealing contact is maintained. As can be seen, the seat member 34 is thus bidirectional, that is to say the sealing action occurs in both directions.
The flexible support 42 can be easily bent in either direction in the neck portion 34b to allow axial movement of the seat member.
2 to 5 also show that the seat member 34 and the support device 42 are unloaded symmetrically to the center line on which the support device 42 lies. In addition to the bidirectional characteristic of the valve seat, this symmetrical structure avoids possible incorrect installation if a replacement seal is to be inserted. The seal of the preferred embodiment can be installed in either direction.
As can also be seen from the drawing, the side wall 40 of the snap ring 26 extends radially inward, so that it protects the seat member 34 from direct flow and erosion by the medium. The snap ring 26 has a tapered entry portion 26a which also acts in this respect, e.g. shown in Fig. 5.
As can be seen from FIGS. 1 and 5, the snap ring 26 lies in a recess in the valve body 12 in such a way that its outer surface 26b lies in a common plane with the outer surface of the valve body 12. Such an arrangement prevents external valve leakage in that the external leak path can be covered by a final flange seal 59, as shown in FIG. 5.
Some of these alternative solutions for the seal design are shown in FIGS. 6 to 11.
In Fig. 6, an embodiment is shown which has a greater axial rigidity of the seat member. This configuration also allows less cold flow than that shown in FIGS.
1 to 5 illustrated embodiment and could be used in systems where larger pressures can be controlled.
Both the seat member 76 and the support device 78 are essentially X-shaped, with a diverging section in the area of the sealing surface 80. The sealing surface 80 is divided into two partial surfaces 80a and 80b with a constriction 82 in between. The constriction 82 isolates the sealing surfaces 80a and 80b from one another and makes them independent of one another. The most radially outwardly extending portions 84 and 86 of the X-shaped seat member 76 and the support member 78 are each enlarged by axial flanges to allow higher fluid velocities that occur at higher fluid pressures. This construction also serves to prevent the seat member from being pressed outward or pulled out of the annular groove.
FIG. 7 shows a further embodiment of the seat member, which is similar to the configurations shown in FIGS. 1 to 5, but is provided with a narrower sealing surface 81 of the seat member 87. The tight sealing surface 81 may be desirable in low temperature applications to reduce the torque required to open and close the striker. The embodiment according to FIG. 7 also differs from that according to FIGS. 1 to 5 in that it has a support device 88 which is completely encapsulated in the seat member 87.
FIG. 8 shows an embodiment which is a variant of FIG. 6 in such a way that both the seat member 90 and the flexible support device 92 are shaped differently. This construction provides additional support against cold flow. In contrast to the configuration according to FIG. 6, the configuration according to FIG. 8 has a single sealing surface 94 which is similar to the configuration according to FIGS. 1 to 5. The seat member 90 in turn has its central constriction portion 90a to facilitate axial flexing.
Another embodiment of the valve seat member is shown in FIG. In this embodiment, both the seat member 96 and the support device 98 are L-shaped at their radial outer sections and this section of the support device is secured in the annular recess 38. The radially inner section of the support device 98 has a bead thickening 100, which creates a smooth transition between the support device and the seat member, so that the shearing action on the seat member is reduced. This exemplary embodiment has a large contact surface 101, which is set back on both sides, in order to give the support device the possibility of engaging with the sealing surface of the closure member 16 without striking or bumping at its corners.
A further embodiment of the seat member 102 is shown in FIG. 10, the support device 104 being made of metal which is bent or rolled at its inner end 106. As can be seen, the seat member also has a reduced width in its central constriction section in order to facilitate axial bending at this point.
In the embodiment shown in FIG. 11, the seat member 108 and the support device 110 have an I-shaped shape. This configuration makes the flexible support 110 stiffer.
The annular recess 38 in the valve 10 must be arranged concentrically with the closing member 16. In most applications, however, the flexibility of the valve seat does not make high demands in this regard, and inaccuracies regarding the concentricity and roundness of the recess are permissible. In some applications, however, manufacturing tolerances become critical. Such an application is e.g. given when the valve is used in the lowest temperature range. Extremely low temperatures cause the valve seat materials to become very stiff. In these applications, it is important that the recess and the striker are precisely aligned with each other because any misalignment would increase the torque to be applied when the valve is actuated.
FIG. 12 shows an embodiment which is intended to expand the manufacturing tolerances for the recess 38. This embodiment is similar to the embodiment shown in FIG. 7, except that the recess 38 is enlarged and a reinforcing member, which is designed as a centering ring 112, rests on the outer ring surface of the seat member. The centering ring 112 is preferably, but not necessarily, made of the same material as the valve body. In the preferred embodiment, the valve body and the centering ring are made of stainless steel.
As can be seen from FIG. 12, the centering ring 112 has a dimension in the axial direction that is smaller than the outer ring surface of the seat member. In this way, there is an axial play between the side surfaces of the centering ring and the side walls of the annular recess 38. The side clearances ensure that the sealing relationship between the seat member, the valve body and the snap ring remains guaranteed. Furthermore, a clearance between the annular surface of the recess 38 and the centering ring 112 allows the arrangement of the seat member and the centering ring to be displaced radially. The centering ring 112 and the seat member are inserted into the annular recess during valve assembly.
The clearance between the peripheral surface of the recess 38 and the centering ring 112 allows both the seat member and the centering ring to shift and find their own central position relative to the closing member.
Once this middle position is reached, the snap ring 26 fits snugly and engages over the seat member, the position of the seat member and the centering ring being fixed relative to the valve body. After the snap ring 26 has been installed, the centering ring 112 acts analogously to the annular recess 38 in the exemplary embodiments described earlier and prevents a radial cold flow of the seat member material.
Preferred seat member materials for the embodiment of Figure 12 are homopolymers of chlorotrifluoroethylene (e.g. KEL-F from 3M Company of Minneapolis) or ultra high molecular weight polyethylene (UHMWP). These materials could also be used for the seat members according to the configurations according to FIGS. 1 to 11. The list of materials is of course not exhaustive; rather, numerous other materials known to those skilled in the art can be used.