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Die Erfindung betrifft eine Kugelhahnkugel mindestens einer Durchflussöffnung.
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Kugelhähne sind als Verschließmechanismen für Leitungen bekannt, mit denen das Absperren und Öffnen von mit einem Medium durchströmbaren Leitungen einfach erreicht werden kann. Medien können Gase, Flüssigkeiten oder auch schüttfähige feste Stoffe sein.
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In Kugelhähnen ist ein Absperrkörper, bevorzugt eine Kugelhahnkugel, mit einer Durchflussöffnung angeordnet. Durch die Kugelhahnkugel wird die Leitung in eine stromaufwärts und eine stromabwärts gelegene Seite aufgeteilt. Die Kugelhahnkugel ist dabei winkelig zum Strömungsweg des Mediums, insbesondere senkrecht dazu, drehbar angeordnet. Durch die entsprechende Anordnung der Durchflussöffnung zur Leitung, kann der Strömungsweg für das Medium freigeben bzw. blockiert werden. Durch das Verdrehen der Kugelhahnkugel wird die Leitung zunehmend geöffnet oder verschlossen.
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Kugelhähne bzw. Kugelhahnkugeln der zuvor genannten Art sind seit langem bekannt und werden in vielfältigen technischen Anwendungen in verschiedenen Baugrößen eingesetzt.
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Bei den klassischen Kugelhähnen ist es schwierig den Druckverlust beim Öffnen des Absperrkörpers präzise zu kontrollieren, so dass der Fluiddurchfluss praktisch ausschließlich durch zwei Zustände ohne Übergänge gekennzeichnet ist: ein gesperrter Zustand in geschlossener Position, und ein freier Zustand bei dem der Druckverlustkoeffizient abrupt absackt, sobald die Öffnung des Absperrkörpers beginnt.
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Durch die in der
EP 1283964 B1 offenbarten Ventilvorrichtung kann die Höhe des Druckverlusts jeder Durchflussphase nach der Form und der Größe eines sekundären Durchflussmittels bestimmt werden. Das sekundäre Durchflussmittel ist in Bezug auf die Hauptabflussöffnung derart versetzt angeordnet, dass wenn der Absperrkörper sich in einer Zwischenposition zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position befindet, die Flüssigkeit ausschließlich durch das sekundäre Durchflussmittel an einer Seite der durch die Dichtung definierten Dichtungsgrenze und durch die Hauptöffnung an der anderen Seite der Grenze fließt.
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Aus der
JP2041670A ist ein vertikaler drei-Wege-Kugelhahn bekannt, der eine Kugel aufweist, die an der Oberfläche entlang des Äquators eine Nut aufweist, die eine Länge von 90° bis 180° und einen sich in Umfangsrichtung ändernden Querschnitt besitzt.
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Obwohl diese Ventilvorrichtungen ein dosierteres öffnen und Schließen des Durchflusses ermöglichen, ist die Herstellung der Kugelhahn aufwendig und kostenintensiv.
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Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Schieber bekannt, die senkrecht zur Strömungsrichtung der Medien in die Leitungen eingebracht werden. Solche Schieber weisen Öffnungen unterschiedlicher Größe und Form bzw. einen nicht durchdringbaren Bereich auf. Nachteilig an diesen Schiebern ist jedoch der lange Verfahrweg, der benötigt wird, um den Strömungsweg für das Medium freizugeben bzw. zu blockieren. Zudem ist bekannt, dass die Abdichtung der Schieber schwierig ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kugelhahnkugel bereitzustellen, die einfach herstellbar ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung der Kugelhahnkugel bereitzustellen, bei dem die Durchflussöffnung einfach und kostengünstig hergestellt werden kann. Insbesondere soll auch die Herstellung besonders kleiner Durchflussöffnungen möglich sein. Die Kugelhahnkugel kann so individuell an den Verwendungszweck angepasst werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kugelhahnkugel mit mindestens einer Durchflussöffnung dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelhahnkugel aus mindestens einem ersten Kugelsegment und einem zweiten Kugelsegment zusammengesetzt ist, wobei das erste Kugelsegmente und das zweite Kugelsegment mit ihren Planflächen aufeinander liegen und mindestens ein Kugelsegment einen Kanal in seiner Planfläche aufweist, der die Durchflussöffnung bildet.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Kugelhahnkugel, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
- – Teilen der Kugel, so dass mindestens ein erstes Kugelsegment und ein zweites Kugelsegment entstehen, wobei die Kugelsegmente jeweils eine Kugelkuppe und mindestens eine Planfläche aufweisen,
- – Einbringen mindestens eines Kanals in der Planfläche mindestens eines Kugelsegments, wobei sich Kanal von der einen Seite der Planfläche zur gegenüberliegenden Seite der Planfläche erstreckt,
- – Verbinden der Kugelsegmente miteinander an ihren Planflächen.
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Erst durch das Verbinden der einzelnen Kugelsegmente wird der Kanal zur Durchflussöffnung durch die Kugelhahnkugel, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Mit Planfläche ist in der vorliegenden Erfindung nicht die aus der Optik bekannte Planfläche gemeint, sondern lediglich eine ebene Fläche.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Kugelhahnkugel eine Durchflussöffnung auf, die in Umfangrichtung der Kugel eine sich ändernde Querschnittfläche aufweist. Die Querschnittfläche kann z. B. in einer positiven Drehrichtung kontinuierlich abnehmen, so dass beim Drehen der Kugelhahnkugel in eine positive Drehrichtung erst ein kleiner Volumenstrom des Mediums die Kugelhahnkugel durchströmen kann und dieser durch weiteres Drehen der Kugelhahnkugel ansteigt. Denkbar ist aber auch, dass die Querschnittfläche in Drehrichtung zunächst zu- und dann wieder abnimmt, es ist aber auch möglich eine Durchflussöffnung bereitzustellen, bei der die Querschnittfläche sprunghafte Verläufe aufweist. Letztendlich kann nahezu jede beliebige Durchflusscharakteristik durch Anpassung der Querschnittfläche realisiert werden.
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Die Durchflussöffnung weist an der einen Seite der Planfläche einen Eingang und an der gegenüberliegenden Seite der Planfläche einen Ausgang auf. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Durchflussöffnung so angeordnet, dass sich der Eingang und der Ausgang der Durchflussöffnung diametral gegenüber liegen. Denkbar ist auch, dass der Winkel zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Durchflussöffnung kleiner als 180° ist, der Eingang und der Ausgang liegen sich also nicht diametral gegenüber.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung verläuft die Durchgangsöffnung durch den Mittelpunkt der Planfläche.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Kugelhahnkugel mehrere Durchflussöffnungen aufweisen, die sowohl gleichgroße Querschnittflächen als auch Querschnittflächen unterschiedlicher Größe aufweisen können. Zudem können die Querschnittflächen unterschiedliche Formen aufweisen. Auch auf diese Weise kann nahezu jede beliebige Durchflusscharakteristik, die sich durch Drehen der Kugelhahnkugel ergeben soll, erzeugt werden.
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Um eine ausreichende Dichtigkeit der aus Kugelsegmenten zusammengesetzten Kugelhahnkugel zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn sich zwischen den Kugelsegmenten, also zwischen den Planflächen, eine Dichtung befindet. Beispielsweise eignet sich hierfür eine flachdichtende Metallscheibe. Denkbar ist aber auch, dass zur Dichtung der Kugelhahnkugel ein O-Ring verwendet wird. Hierbei weist zumindest eines der Kugelsegmente vorteilhafterweise eine in Umfangrichtung verlaufende Nut auf, in der der O-Ring gehalten ist.
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Die Kugelhahnkugel kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung zwei etwa gleich große Kugelsegmente, also zwei Halbkugeln bzw. zwei Viertelkugeln, aufweisen. Denkbar ist auch, dass die Kugelhahnkugel vier Viertelkugeln umfasst.
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Um eine Dichtigkeit bei einer Kugelhahnanordnung zwischen der Kugelhahnkugel und der Rohrleitung zu gewährleisten, weist die Oberfläche der Kugelhahnkugel in einer bevorzugten Ausgestaltung ein abdichtendes Material auf. Das abdichtende Material kann sich aber auch an der Innenwand des Gehäuses des Kugelhahns befinden, in dem die Kugelhahnkugel angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausführung sind die Kugelsegmente kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden. So kann die Kugelhahnkugel beispielsweise ein Loch, bevorzugt ein Sackloch, dessen Längsachse entlang einer Achse X-X, die durch den Mittelpunkt der Kugelhahnkugel verläuft, aufweisen. Das Loch verläuft durch mehrere Kugelsegmente. Die Längsachse des Lochs kann senkrecht zu den Planflächen der Kugelsegmente verlaufen, dies ist jedoch nicht zwingend. Das Loch kann ein Gewindeabschnitt aufweisen, so dass die Verbindung durch eine Schraube erfolgen kann. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Kugelhahnkugel mehrere Löcher aufweisen, in denen sich beispielsweise Stifte oder Schrauben befinden. In einer weiteren Ausgestaltung können die Kugelsegmente stoffschlüssig, beispielsweise durch Klebstoff, verbunden sein.
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In einer Ausgestaltung weist mindestens eine Planfläche eine Vertiefung im Bereich des Lochs auf, die sich sozusagen durch und um das Loch erstreckt. Die Vertiefung ist zudem so in der Planfläche angeordnet, dass ein um die Vertiefung umlaufender Steg ausgebildet ist. Der Steg kann durch die Durchflussöffnungen unterbrochen sein.
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In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Kugelhahnkugel einen Stelleingriff aufweisen. An den Stelleingriff kann beispielsweise eine Betätigungswelle drehfest angebracht sein. Der Stelleingriff ist bevorzugt so angeordnet, dass die Längsachse, der an ihm angebrachten Betätigungswelle, senkrecht zur Planfläche verläuft.
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In einer bevorzugten Ausführung kann die Drehung der Kugelhahnkugel manuell oder durch einen Antrieb erzeugt werden. Bei einem Antrieb besteht die Möglichkeit die Kugelhahnkugel mit einer zuvor genau definierten bzw. vorprogrammierten Geschwindigkeit zu Drehen; die Drehgeschwindigkeit der Kugelhahnkugel kann dabei sowohl konstant wie auch variabel sein. Des Weiteren ist die Drehung der Kugelhahnkugel durch Benutzung eines Antriebs exakt wiederholbar. Durch die Verwendung eines Antriebs und die entsprechende Ausgestaltung der Durchflussöffnung(en) wird der Durchfluss individuell an den gewünschten Verwendungszweck angepasst.
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In einer Ausgestaltung wird zur Herstellung einer Kugelhahnkugel zunächst das Loch, bevorzugt ein Sackloch, in eine Kugel eingebracht. Die Längsachse des Sacklochs verläuft bevorzugt entlang einer Achse X-X, die durch den Mittelpunkt der Kugel verläuft. In das Loch können sowohl kraft- wie auch formschlüssige Elemente, wie z. B. Schrauben und/oder Stifte eingebracht werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird hierzu beispielsweise zunächst ein Gewindeabschnitt in das Loch geschnitten. Der Gewindeabschnitt kann sich an einem Sacklochende, aber auch an jeder anderen Stelle im Loch, befinden. Vorteilhafterweise ist das Loch so ausgeführt, dass es möglich ist, den Kopf einer Schraube komplett in dem Loch und somit in der Kugel versenken zu können.
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Für die Herstellung der Kugelhahnkugel ist es vorteilhaft, wenn die Schraube erst einmal nur soweit in das Loch gedreht wird, dass sich der Schraubenkopf noch außerhalb der Kugel befindet. Hierdurch kann die Kugel mit der Schraube an dem Schraubenkopf eingespannt werden.
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Bevorzugt wird dann die Vertiefung in die Planfläche eines Kugelsegments eingebracht, die sich durch und um das Loch erstreckt. Die Fläche der Vertiefung kann bevorzugt rund ausgeführt sein, kann aber auch andere Formen aufweisen. Die Tiefe der Vertiefung ist in einer bevorzugten Ausführung konstant. Die Vertiefung wird so in die Planfläche eingebracht, dass sie von einem umlaufenden Steg umgeben ist. Die Vertiefung kann bevorzugt durch ein spanendes Verfahren hergestellt werden, hierzu eignen sich besonders das Fräsen oder das Drehen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden mehrere Kanäle bzw. ein Kanal mit sich in Umfangrichtung des Kugelsegments ändernder Querschnittfläche in die Planfläche mindestens eines Kugelsegments eingebracht. Wie auch bei der Vertiefung eignen sich für die Herstellung der Kanäle besonders spanende Verfahren, wie zum Beispiel das Fräsen.
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In die Planflächen mindestens eines Kugelsegmentes, gegebenenfalls in den Steg, wird dann eine in Umfangrichtung verlaufende Nut eingebracht. In diese Nut kann zur Dichtung ein O-Ring eingesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Kugel entlang eines Großkreises geteilt. Hierdurch entstehen zwei gleich große Halbkugeln. Der durch die Teilung der Kugel entstehende Schnittabtrag sollte aber ausgeglichen werden. Der Schnittabtrag kann beispielsweise dadurch ausgeglichen werden, dass in der Kugelhahnkugel zwischen den Halbkugeln eine Dichtung, bevorzugt eine flachdichtende Metallscheibe, die die Höhe des Schnittabtrags aufweist, angeordnet ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Schnittausgleich auch dadurch ausgeglichen werden, dass die Kugelhahnkugel aus zwei gleichgroßen Kugeln hergestellt wird. Hierfür wird eine Kugel direkt unterhalb eines Großkreises geteilt, wodurch eine obere Halbkugel mit einer Planfläche entsteht, die den Flächeninhalt des Großkreises aufweist. Eine zweite Kugel wird direkt oberhalb des Großkreises geteilt, so dass die untere Halbkugel eine Planfläche aufweist, die mit der Fläche des Großkreises übereinstimmt. Die beiden größeren Halbkugeln werden für die Fertigung der Kugelhahnkugel verwendet.
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1: Darstellung eines ersten Kugelsegments und eines zweiten Kugelsegments einer Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung
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2: Querschnitt des zweiten Kugelsegments entlang der Achse I-I aus 1
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3: Seitenansicht des zweiten Kugelsegments aus 1 in Pfeilrichtung
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4: eine erfindungsgemäße Kugelhahnkugel in einer bevorzugten Ausführung
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1 zeigt ein erstes Kugelsegment 22 und ein zweites Kugelsegment 24. Die Kugelsegmente 22 und 24 sind in etwa zwei gleich große Halbkugeln, die jeweils eine Kugelkappe 26 und eine Planfläche 28 aufweisen. In dem ersten Kugelsegment 22 befindet sich ein Sacklochende 32 eines Sacklochs 30. Die Längsachse des Sacklochs verläuft entlang der Achse X-X. Im Sacklochende 32 kann sich ein Gewindeabschnitt befinden. Die Kugelkappe 26 weist an der der Planfläche 28 gegenüberliegenden Seite in der Achse X-X einen Stelleingriff 34 auf. An dem Stelleingriff 34 kann beispielsweise eine Betätigungswelle (hier nicht dargestellt) drehfest angebracht sein. Ein Verdrehen der Betätigungswelle um die Achse X-X, das sowohl manuell wie auch durch einen Antrieb ausgeführt werden kann, führt zu einer entsprechenden Drehbewegung der Kugelhahnkugel 20.
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Das zweite Kugelsegment 24 weist ebenfalls eine Kugelkappe 26 und eine Planfläche 28 auf. Ein Loch 36 verläuft senkrecht zur Planfläche 28. Die Längsachse des Lochs 36 verläuft entlang der Achse X-X. Das Loch 36 weist zwei unterschiedliche Durchmesser, einen kleinen und einen großen Durchmesser, auf. Der große Durchmesser grenzt an die Außenfläche der Kugelkappe 26 an. Diese Ausführung des Lochs 36 ermöglicht es, dass ein Schraubenkopf komplett in dem Loch 36 bzw. in dem zweiten Kugelsegment 24 versenkt werden kann.
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In der Planfläche 28 des zweiten Kugelsegments 24 ist konzentrisch zum Loch 36 eine Vertiefung 38 eingebracht. Die Vertiefung 38 ist von einem Steg 40 umgeben, der eine konstante Breite aufweist. Der Steg 40 ist von einem Kanal 42 unterbrochen.
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Durch das Einbringen einer Schraube bzw. eines Stifts in das Loch 36 und in das Sackloch 30 werden das erste und das zweite Kugelsegment 22 und 24 zusammengehalten. Es entsteht eine erfindungsgemäße Kugelhahnkugel 20 in einer vorteilhaften Ausgestaltung (vgl. 4).
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2 zeigt einen Querschnitt des zweiten Kugelsegments 24 entlang der Achse I-I aus 1.
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In 3 ist eine Seitenansicht des zweiten Kugelsegments 24 dargestellt. Der Kanal 42 weist eine sich sprunghaft ändernde Ausdehnung auf. Der Kanal 42 ist in die drei Bereiche 44, 46, 48 unterteilt. Der Bereich 44 hat eine Höhe von ca. 0,1 mm und eine Breite von ca. 10 mm. Die Höhe des Bereichs 46 ist ca. 0,3 mm und die Breite des Bereichs ist ca. 10 mm. Der Bereich 48 weist eine Höhe von 1 mm und eine Breite von 5 mm auf.
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4 stellt eine erfindungsgemäße Kugelhahnkugel 20 in einer bevorzugten Ausführung dar. Die Kugelhahnkugel 20 ist aus zwei Kugelsegmenten 22 und 24 zusammengesetzt, wobei die Kugelsegmente 22 und 24 mit ihren Planflächen 28 aufeinander liegen. Das erste Kugelsegment 22 weist einen Stelleingriff 34 in seiner Kugelkappe 26 auf. Durch das Zusammenfügen der beiden Kugelsegmente 22 und 24 entsteht aus dem Kanal 42, der sich in der Planfläche 28 des zweiten Kugelsegments 24 befindet, die Durchflussöffnung 50. Bevorzugt können das erste und das zweite Kugelsegment 22 und 24 durch eine Schraube miteinander verbunden sein.
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Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, dieses soll die Erfindung nur prinzipiell verdeutlichen. Die Kugelhahnkugel kann aus einem Kunststoff bestehen, es ist aber auch denkbar ein anderes Material zu verwenden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1283964 B1 [0006]
- JP 2041670 A [0007]
