DE102004063270B4 - Ball valve and a method for its operation - Google Patents

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Abstract

Kugelhahn bestehend aus einem Gehäuse (1) mit Durchtrittskanal (2) und Ventilkörpersitz (3), einem drehbar gelagerten, eine Durchtrittsöffnung (41) aufweisenden kugelförmigen Ventilkörper (4) mit Welle (42) sowie einem Wellenführungsgehäuse (5) mit Wellendichtung (51), wobei dieser Kugelhahn einen, an den Ventilkörpersitz (31) angrenzenden Ventilkörpersitzkäfig (6) besitzt, der aus zwei Käfigteilen (61 und 62) besteht, zwischen denen vorgespannte Piezo-Aktoren (7) eingespannt sind.ball valve consisting of a housing (1) with passage channel (2) and valve body seat (3), one rotatable stored, a passage opening (41) having spherical valve body (4) with shaft (42) and a shaft guide housing (5) with shaft seal (51), this ball valve one, to the valve body seat (31) adjoining valve body seat cage (6) owns, which consists of two cage parts (61 and 62), between which preloaded piezo actuators (7) are clamped.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen Kugelhahn, insbesondere für Armaturen und ein Verfahren zu dessen Betrieb.The The invention relates to a ball valve, in particular for valves and a method for its operation.

Absperramaturen in Form von Kugelhähnen sind seit langen bekannt. Zum grundsätzlichen Aufbau dieser Hähne gehören Rohranschlusselemente, Sitzringe, Ventilkugel mit Welle sowie Wellenführungsgehäuse mit Wellendichtung. Die Ventilkugeln und die Sitzringe bestehen oft aus gesintertem, keramischen Werkstoff. Die Ventilkugel ist dichtend in die Sitzringe eingepasst. Die Sitzringe sind zwischen den Rohranschlusselementen, bspw. durch Federelemente, eingespannt, und die an der Ventilkugel angeschlossene Welle ist durch die Wellendichtung geführt.Absperramaturen in the form of ball valves known for a long time. Basically Construction of these taps belong Pipe connection elements, seat rings, valve ball with shaft and shaft guide housing with Shaft seal. The valve balls and seat rings often exist made of sintered, ceramic material. The valve ball is sealing fitted in the seat rings. The seat rings are between the pipe connection elements, For example, by spring elements, clamped, and on the valve ball connected shaft is guided through the shaft seal.

Die Schrift DE 35 26 258 A1 offenbart bspw. einen Kugelhahn, der mit einem zwei koaxialen Rohrstutzen aufweisenden Gehäuse versehen ist, in welchem ein über eine Schaltwelle drehbares Kugeküken schwimmend gelagert ist, welches zur Primärabdichtung dient.The font DE 35 26 258 A1 discloses, for example, a ball valve, which is provided with a housing having two coaxial pipe sockets, in which a pivotable via a switching shaft Kugeküken is mounted, which serves for Primärabdichtung.

Bei Kugelhähnen mit so genanntem „schwimmenden System" wird die Kugel durch das Medium selbst gegen den Ausgangssitz, also in die Dichtposition gedrückt. Dabei ist die Kraft, mit der die Kugel in den Sitz gedrückt wird, proportional von der anliegenden Druckdifferenz abhängig. Das erforderliche Drehmoment zum Drehen der Kugel wiederum ist proportional abhängig von der Kraft, mit der die Kugel in den Sitz gedrückt wird, also ist das Drehmoment linear abhängig von der anstehenden Druckdifferenz.at ball valves with so-called "floating System "becomes the Ball through the medium itself against the starting seat, ie in the sealing position pressed. Here is the force with which the ball is pressed into the seat, proportionally dependent on the applied pressure difference. The required torque to turn the ball in turn is proportional dependent the force with which the ball is pushed into the seat, So the torque is linearly dependent on the upcoming pressure difference.

Das notwendige Drehmoment kann so ab einem bestimmten Druck in Dimensionen kommen, wo bereits das Schaltwellen- und/oder Kugelmaterial nicht mehr das Drehmoment unbeschadet verkraftet.The necessary torque can be as of a certain pressure in dimensions come, where already the Schaltwellen- and / or ball material is not more the torque tolerates unscathed.

Demzufolge ist es erforderlich, die schaltbare Druckdifferenz bei Armaturen, die auf Basis der bekannten Kugelhähne arbeiten, zu begrenzen.As a result, it is necessary, the switchable pressure difference in valves, which work on the basis of known ball valves to limit.

Ein Beispiel hierfür sind Keramikkugelhähnen mit ZrO2 – Kugel und Hastelloy – Schaltwelle, bei denen die schaltbare Druckdifferenz bei einer Nennweite gemäß DN25 einen Wert von 75 bar nicht überschreiten darf, damit nicht die Gefahr des Verdrehens der Schaltwelle besteht.An example of this are ceramic ball valves with ZrO 2 ball and Hastelloy selector shaft, in which the switchable pressure difference must not exceed a value of 75 bar for a nominal diameter according to DN25, so that there is no risk of twisting the selector shaft.

Bei einer Nennweite gemäß DN100 darf dieses System sogar einen Wert von 4 bar nicht überschreiten, da ansonsten die Gefahr des Brechens der Keramikkugel besteht.at a nominal diameter according to DN100 should this system not exceed a value of 4 bar, otherwise there is a risk of breaking the ceramic ball.

Darüber hinaus führt das Drehen der bekannten Kugelhähne zu einer starken Anpressung der Kugel gegen ihren Sitz, was einen Verschleiß zur Folge hat, der wiederum zu Undichtheiten und zum Ausfall der gesamten Armatur führen kann.Furthermore does that Turning the known ball valves to a strong contact of the ball against her seat, what a Wear results which in turn leads to leaks and failure of the entire Lead fitting can.

Die Schrift DE 41 41 287 A1 offenbart einen Kugelhahn, bei dem die zu überwindende Reibungskraft des Kükens an den Dichtringen im Falle von Gegendruck vermindert wird, in dem der außerhalb des Kükens zwischen den beiden Dichtringen liegende Gehäuseraum mit der Druckseite und/oder der Verbraucherseite durch ein von außen zu betätigendes Ventil führende Leitung verbunden ist, so dass einer der beiden Dichtringe angehoben gehalten wird.The font DE 41 41 287 A1 discloses a ball valve in which the frictional force of the plug to be overcome on the sealing rings is reduced in the case of backpressure, in which the outside of the plug between the two sealing rings lying housing space with the pressure side and / or the consumer side by a valve to be actuated from the outside Line is connected so that one of the two sealing rings is kept raised.

In der Schrift DE 103 39 313 A1 wird vorgeschlagen, dass die Dichtung (der Dichtring) an zumindest drei Bauteilen anliegt und die Anpresskräfte der Dichtung an die korrespondierenden Bauteile über ein Stellmittel bedarfsgerecht einstellbar sind.In Scripture DE 103 39 313 A1 It is proposed that the seal (the sealing ring) rests against at least three components and the contact pressure of the seal on the corresponding components via an adjusting means are adjusted as needed.

Die Schrift DE 197 33 938 A1 offenbart einen Kugelhahn, bei dem Mittel vorgesehen sind, um die Wirkung der Anpresselemente über einen bestimmten Schwenkbereich (Zwischenbereich) des Kugelkükens während des Schaltvorganges wenigstens zu verringern.The font DE 197 33 938 A1 discloses a ball valve in which means are provided to at least reduce the effect of the pressing elements over a certain pivoting range (intermediate region) of the ball valve during the switching operation.

Die Schrift DE 199 45 116 C1 offenbart einen Kugelhahn mit sphärischen Dichtflächen sowie einem Kugelküken mit Dichtringen und Ringnuten, um eine Entlastung gegenüber dem Anpressdruck zu schaffen.The font DE 199 45 116 C1 discloses a ball valve with spherical sealing surfaces and a ball valve with sealing rings and annular grooves to provide relief against the contact pressure.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen Kugelhahn und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, die die Nachteile der bisher bekannten Kugelhähnen vermeiden, insbesondere hohe Druckdifferenzen schalten können und dabei verschleißarm arbeiten.task The invention is to a new ball valve and a method to indicate its operation, the disadvantages of the previously known ball valves avoid, in particular, can switch high pressure differences and while working wear.

Diese Aufgabe wird durch Kugelhahn gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den nachfolgenden Ansprüchen 2 bis 6 und 8 entnehmbar.These Task is by ball valve according to claim 1 and a method according to claim 7 solved. Advantageous embodiments are the following claims 2 to 6 and 8 removed.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass bei dem erfindungsgemäßen Kugelhahn der Sitz eines Ventilkörpers beweglich gestaltet und mit Piezo-Aktoren in seine Lage fixiert wird.The Essence of the invention is that in the ball valve according to the invention the seat of a valve body designed movable and fixed with piezo actuators in its position becomes.

Bekanntlich sind Piezo-Aktoren in der Lage, sich unter Spannungseinwirkung auszudehnen bzw. zusammenzuziehen und dabei eine enorme Kraft zu entwickeln.generally known Piezo actuators are able to expand under tension or contract and develop a tremendous power.

Die erfindungsgemäßen Piezo-Aktoren werden mittels einer elektrischen Steuerung so angesteuert, dass sie sich langsam ausdehnen und schnell zusammenziehen. Dadurch wird der Ventilsitz langsam gegen den anstehenden Mediendruck bewegt und schnell entlastet.The piezo actuators according to the invention who controlled by an electrical control so that they expand slowly and contract quickly. As a result, the valve seat is slowly moved against the upcoming media pressure and quickly relieved.

Die Reibkräfte werden dadurch kurzzeitig stark minimiert, der kugelförmige Ventilkörper kann dadurch mit einem relativ geringen Drehmoment gedreht werden.The friction are thereby greatly minimized for a short time, the spherical valve body can thereby be rotated with a relatively low torque.

Legt man nun für den Schaltprozess ein permanent wirkendes, in der Höhe relativ geringes, Drehmoment an, so wird sich der kugelförmige Ventilkörper bei Auslösung des „Vibrationsstoßes" so lange bewegen, bis der Ventilkörper, durch den Mediendruck bewegt, wieder mit einer entsprechend großen Kraft im Ventilsitz gehalten wird.sets one now for the switching process a permanently acting, relative in height low, torque, so the spherical valve body is at release move the "vibration shot" so long until the valve body, moved by the media pressure, again with a correspondingly large force is held in the valve seat.

Dieser Vorgang muss so oft wiederholt werden, bis die Drehbewegung das erforderliche Maß erreicht hat.This The process has to be repeated until the rotational movement stops required level reached Has.

Der erfindungsgemäße Kugelhahn kann vermittels des angewendeten Verfahrens hohe Druckdifferenzen schalten und arbeitet dabei sehr verschleißarm.Of the Ball valve according to the invention can by means of the applied method high pressure differences switch and work very wear-resistant.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des Ausführungsbeispiels und der Figur näher erläutert.The Invention will be described below with reference to the embodiment and the figure explained in more detail.

Dabei zeigt die 1 den Prinzipaufbau eines erfindungsgemäßen Kugelhahn.It shows the 1 the basic structure of a ball valve according to the invention.

Der Kugelhahn besteht aus einem Gehäuse mit Durchtrittskanal und Ventilkörpersitz (bspw. Sitzringe), einem drehbar gelagerten, eine Durchtrittsöffnung aufweisenden kugelförmigen Ventilkörper mit Welle, die an einen Drehantrieb gekuppelt sein kann, sowie einem Wellenführungsgehäuse mit Wellendichtung, wobei dieser Kugelhahn einen Ventilkörpersitz mit einer Nennweite gemäß DN50 oder DN100 aufweist und einen, an den Ventilkörpersitz angrenzenden Ventilkörpersitzkäfig besitzt (1).The ball valve consists of a housing with passage channel and valve body seat (eg seat rings), a rotatably mounted, having a passage spherical valve body with shaft which can be coupled to a rotary drive, and a shaft guide housing with shaft seal, said ball valve a valve body seat with a nominal diameter according to DN50 or DN100 and has a valve body seat cage adjacent to the valve body seat ( 1 ).

Der Ventilkörperkäfig besteht aus Teil 1 und Teil 2. Beide Teile sind, wie in 1 dargestellt, mit Sacklochbohrungen mit ∅ 11,5 mm versehen. Zwischen den Teile 1 und 2 sind 16 Stück Piezo-Aktoren mit den Maßen 8 × 8 × 9 mm eingespannt und mittels Schrauben M 4 vorgespannt.The valve body cage consists of part 1 and part 2. Both parts are as in 1 shown, provided with blind holes with ∅ 11.5 mm. Between parts 1 and 2 16 Piezo actuators with the dimensions 8 × 8 × 9 mm are clamped and pre-tensioned by means of screws M 4.

Jeder dieser Piezo-Aktoren kann beim Anlegen einer Spannung von ca. 200 V eine Kraft von bis zu 2,5 KN Kraft entwickeln. Die Gesamtheit aller 16 Aktoren führen somit zu einer Kraft von bis zu 40 KN.Everyone This piezo actuators can when creating a voltage of about 200 V develop a force of up to 2.5 KN force. The totality lead all 16 actuators thus to a force of up to 40 KN.

Die Längenausdehnung der Aktoren liegt dabei bei ca. 5–7 μm.The Linear expansion The actuators is approx. 5-7 μm.

Die Gegenkraft, die vom Medium aufgebracht wird und die überwunden werden muss, liegt bei 20 KN (Fläche knapp 20 cm2 und Druck von 100 bar).The counterforce, which is applied by the medium and which must be overcome, is 20 KN (area nearly 20 cm 2 and pressure of 100 bar).

Der kugelförmige Ventilkörper wird über den Sitz bei Anlegen der genannten Spannung bis zu 7 μm gegen den Mediendruck bewegt. Beim Abschalten der Spannung ziehen sich die Piezo-Aktoren wieder in ihre Ausgangslage zurück. Es erfolgt eine Entlastung der Anpressung zwischen Ventilkörper und Ventilkörpersitz. Der Ventilkörper kann mit einer relativ geringen Kraft gedreht werden.Of the spherical valve body will over the seat when applying said voltage up to 7 microns against the Media pressure moves. When switching off the voltage, the pull Piezo actuators back to their original position. There is a discharge the contact pressure between the valve body and valve body seat. The valve body can be rotated with a relatively small force.

Die Piezo-Aktoren werden mittels einer speziellen Steuerung gemäß dem Stand der Technik so angesteuert, dass sie sich langsam ausdehnen und schnell zusammenziehen. Dadurch wird der Ventilkörpersitz langsam gegen den anstehenden Mediendruck bewegt und schnell entlastet. Die Reibkräfte werden dadurch kurzzeitig stark minimiert, der Ventilkörper kann dadurch mit einem relativ geringen Drehmoment gedreht werden. Dieser Vorgang muss so oft wiederholt werden, bis die Drehbewegung das erforderliche Maß erreicht hat.The Piezo actuators are controlled by a special controller according to the state The technique is so controlled that they expand slowly and quickly contract. As a result, the valve body seat is slowly against the pending media pressure moved and quickly relieved. The friction forces are thereby greatly minimized for a short time, the valve body can thereby with a be rotated relatively low torque. This process must be repeated until the rotation required Measure reached Has.

11
Gehäusecasing
22
DurchtrittskanalPassageway
33
VentilkörpersitzValve body seat
3131
AusgangsventilkörpersitzOutput valve body seat
44
Ventilkörpervalve body
4141
DurchtrittsöffnungThrough opening
4242
Wellewave
55
WellenführungsgehäuseWave guide housing
5151
Wellendichtungshaft seal
66
VentilkörpersitzkäfigValve body seat cage
6161
erster Käfigteilfirst cage part
6262
zweiter Käfigteilsecond cage part
77
Piezo-AktorenPiezo actuators

Claims (8)

Kugelhahn bestehend aus einem Gehäuse (1) mit Durchtrittskanal (2) und Ventilkörpersitz (3), einem drehbar gelagerten, eine Durchtrittsöffnung (41) aufweisenden kugelförmigen Ventilkörper (4) mit Welle (42) sowie einem Wellenführungsgehäuse (5) mit Wellendichtung (51), wobei dieser Kugelhahn einen, an den Ventilkörpersitz (31) angrenzenden Ventilkörpersitzkäfig (6) besitzt, der aus zwei Käfigteilen (61 und 62) besteht, zwischen denen vorgespannte Piezo-Aktoren (7) eingespannt sind.Ball valve consisting of a housing ( 1 ) with passage channel ( 2 ) and valve body seat ( 3 ), a rotatably mounted, a passage opening ( 41 ) having spherical valve body ( 4 ) with wave ( 42 ) and a waveguide housing ( 5 ) with shaft seal ( 51 ), this ball valve one, to the valve body seat ( 31 ) adjacent valve body seat cage ( 6 ), which consists of two cage parts ( 61 and 62 ), between which biased piezo actuators ( 7 ) are clamped. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörpersitz (3) eine Nennweite gemäß DN50 oder DN100 aufweist.Ball valve according to claim 1, characterized in that the valve body seat ( 3 ) has a nominal diameter according to DN50 or DN100. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigteile (61 und 62) Sacklochbohrungen aufweisen, in denen Piezo-Aktoren (7) ein- und vorgespannt sind.Ball valve according to claim 1, characterized in that the cage parts ( 61 and 62 ) Have blind holes in which piezo actuators ( 7 ) are biased and biased. Kugelhahn nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezo-Aktoren (7) die Maße 8 × 8 × 9 mm besitzen.Ball valve according to claim 3, characterized in that the piezo actuators ( 7 ) have the dimensions 8 × 8 × 9 mm. Kugelhahn nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und Vorspannung der Piezo-Aktoren (7) mittels Schrauben erfolgt.Ball valve according to claim 3, characterized in that the input and bias of the piezo actuators ( 7 ) by means of screws. Kugelhahn nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenausdehnung der Piezo-Aktoren (7) bei 5 bis 7 μm liegt.Ball valve according to claim 3, characterized in that the longitudinal extent of the piezo actuators ( 7 ) is 5 to 7 μm. Verfahren zum Betreiben eines Kugelhahns nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezo-Aktoren (7) elektrisch so angesteuert werden, dass sie sich langsam ausdehnen und schnell zusammenziehen, so dass dadurch der Ventilkörpersitz langsam gegen den anstehenden Mediendruck bewegt und schnell entlastet wird, wodurch die Reibungskräfte zwischen dem Ventilkörper (4) und dem Ventilkörpersitz (31) kurzzeitig stark minimiert werden, so dass der Ventilkörper (4) mit einem relativ geringen Drehmoment gedreht werden kann.Method for operating a ball valve according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo actuators ( 7 ) are electrically driven so that they expand slowly and contract rapidly, thereby the valve body seat is slowly moved against the upcoming fluid pressure and quickly relieved, whereby the frictional forces between the valve body ( 4 ) and the valve body seat ( 31 ) are briefly minimized so that the valve body ( 4 ) can be rotated with a relatively low torque. Verfahren zum Betreiben eines Kugelhahns nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsvorgang der Piezo-Aktoren (7) so oft wiederholt wird, bis die Drehbewegung des Ventilkörpers (4) das erforderliche Maß erreicht hat.Method for operating a ball valve according to claim 7, characterized in that the movement process of the piezo actuators ( 7 ) is repeated until the rotational movement of the valve body ( 4 ) has reached the required level.
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