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BEZEICHNUNG DER ERFINDUNG
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Kugelventilvorrichtung
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Vorliegende Erfindung betrifft eine Kugelventilvorrichtung zum Steuern einer Fluidströmung durch ein System. Ferner betrifft die Erfindung ein spezielles Kugelventil zur Verwendung in solch einer Vorrichtung. Ein Verfahren zum Verbessern der Linearität der Fluidströmung durch eine Kugelventilvorrichtung wird ebenfalls bereitgestellt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ventile werden zum Steuern einer Fluidströmung durch eine Fluidströmungsvorrichtung verwendet, wobei die einfachsten Ventile Ein-Aus-Ventile sind, die das Fluid entweder durch das Ventil hindurchströmen lassen oder verhindern, dass das Fluid durch das Ventil hindurchströmt. Es sind jedoch komplexere Ventile verfügbar, die geeignet sind zum Steuern der Fluidströmung durch das Ventil auf nicht-binäre Weise.
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Kugelventile sind einfache Steuerventile; ein Zweiwegekugelventil umfasst in charakteristischer Weise eine Kugel mit einer diese durchgreifenden zylindrischen Bohrung. Das Kugelventil kann über einen Ventilschaft gedreht werden, wodurch die Bohrung außer Ausrichtung mit einem Einlass und einem Auslass des Ventils gebracht wird. Die Strömung durch das Kugelventil wird dadurch gedrosselt, so dass sich eine Strömung aus dem Auslass des Kugelventils steuern lässt.
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In nachteiliger Weise ist die Drehung des Kugelventils dergestalt, dass die Überlappung zwischen Bohrung und Einlass und Auslass bezüglich des Grads der Drehung des Ventilschafts nichtlinear ist. Dadurch ist eine präzise Steuerung der Strömung durch ein Kugelventil mit einer stromabwärtigen Strömungsmessung nicht möglich.
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ÜBERSICHT
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kugelventilvorrichtung angegeben, bei welcher die Linearität der Fluidströmung durch das Kugelventil verbessert ist, wobei die Kugelventilvorrichtung umfasst: ein Ventilgehäuse mit einem Gehäuseeinlass und einem Gehäuseauslass; eine Ventilkugel, die in dem Ventilgehäuse aufgenommen werden kann, wobei die Ventilkugel eine sie durchgreifende Bohrung aufweist; einen Kugeleinlass und einen Kugelauslass der Ventilkugel, die mit der Bohrung in Fluidverbindung stehen, wobei ein Fluidströmungsweg durch die Kugelventilvorrichtung zumindest teilweise durch den Gehäuseeinlass, den Gehäuseauslass, den Kugeleinlass und die Bohrung definiert wird; einen Ventilschaft, der mit der Ventilkugel in Eingriff gebracht werden kann; und mindestens ein Brückenelement, das an dem Fluidströmungsweg angeordnet ist, um eine Fluidströmung durch diesen hindurch zu ändern; wobei sich die Ventilkugel relativ zu dem Ventilgehäuse über den Ventilschaft drehen lässt, so dass der Kugeleinlass und der Gehäuseeinlass und der Kugelauslass und der Gehäuseauslass in und außer Ausrichtung miteinander gebracht werden, wobei sich aufgrund des Brückenelements eine Strömungsrate entlang des Fluidströmungswegs mit einem Grad der Drehung der Ventilkugel linear oder im Wesentlichen linear ändert.
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Durch das Vorsehen einer Ventilkugel mit Öffnungen, in denen das Brückenelement zumindest teilweise die Fluidströmung durch eine oder mehrere Öffnungen blockiert, kann die Fluidströmungsrate durch die Ventilkugel geändert werden. Die Form des Brückenelements kann sorgfältig gewählt werden, um eine Linearität in dem Verhältnis zwischen der Winkelposition der Ventilkugel und der Fluidströmung durch die Vorrichtung zu steigern und dadurch in vorteilhafter Weise die Genauigkeit zu steigern, mit welcher die Strömung des Fluids durch die Vorrichtung gesteuert werden kann.
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Vorzugsweise kann das mindestens eine Brückenelement dem Kugeleinlass und/oder dem Kugelauslass zugeordnet sein, wobei eines der genannten Brückenelemente dem jeweiligen Kugeleinlass und Kugelauslass des Kugelventils zugeordnet sein kann. Das oder jedes Brückenelement kann eine Breite des Kugeleinlasses und/oder Kugelauslasses derart überspannen, dass der Kugeleinlass und/oder der Kugelauslass segmentiert werden, in welchem Fall jedes Brückenelement in einer Ebene ausgerichtet sein kann, die senkrecht zu einer Drehachse des Kugelventils ist.
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Die Positionierung des Brückenelements kann derart gewählt werden, dass der geschaffene Linearisierungseffekt best möglich verbessert wird. Ein horizontales Brückenelement, das die jeweilige Öffnung überspannt, erlaubt die Anpassung der Öffnungsdimensionen in einem Bereich, in dem es ansonsten schwierig wäre, ein Strömungsunterbrechungselement herzustellen.
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Das oder jedes Brückenelement hat einen länglichen Brückenkörper und ein Ablenkelement, das sich in dem Kugeleinlass und/oder Kugelauslass seitlich des Brückenkörpers erstreckt. Optional kann das Ablenkelement um den Brückenkörper symmetrisch sein. Eine Mehrzahl von Ablenkelementen kann voneinander beabstandet entlang des Brückenkörpers angeordnet sein.
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Ablenkelemente, die sich mit dem Brückenelement im Eingriff befinden, erlauben in vorteilhafter Weise eine weitere Anpassung der inneren Dimensionen der Öffnung, wodurch der Linearisierungseffekt weiter verbessert wird.
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Zumindest der Kugeleinlass oder zumindest der Kugelauslass können ein nichtkreisförmiges Profil aufweisen, das im Wesentlichen asymmetrisch, gekrümmt, zickzackförmig oder D-förmig sein kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kugelventilvorrichtung angegeben mit einer verbesserten Linearität der Fluidströmung durch das Kugelventil, wobei die Kugelventilvorrichtung umfasst: ein Ventilgehäuse mit einem Gehäuseeinlass und einem Gehäuseauslass; eine Ventilkugel mit einer diese durchgreifenden Bohrung, einen Kugeleinlass und einen Kugelauslass des Kugelventils, die mit der Bohrung in Fluidverbindung stehen, wobei ein Fluidströmungsweg durch die Kugelventilvorrichtung hindurch zumindest zum Teil durch den Gehäuseeinlass, den Gehäuseauslass, den Kugeleinlass, den Kugelauslass und die Bohrung definiert wird und wobei zumindest der Kugeleinlass oder zumindest der Kugelauslass ein nichtkreisförmiges Profil aufweisen; einen Ventilschaft, der mit der Ventilkugel in Eingriff gebracht werden kann; wobei sich das Kugelventil relativ zu dem Ventilgehäuse derart drehen kann, dass der Kugeleinlass und der Gehäuseeinlass und der Kugelauslass und der Gehäuseauslass in und außer Ausrichtung miteinander gebracht werden können, indem sich aufgrund des Brückenelements eine Strömungsrate entlang des Fluidströmungswegs mit einem Grad der Drehung der Ventilkugel linear oder im Wesentlichen linear ändert.
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Indem die Öffnungen derart geformt sind, dass sie ein nichtkreisförmiges Profil aufweisen, ist es möglich, einige der geometrischen Schwierigkeiten zu beseitigen, die mit Ventilkugeln mit kreisförmigen Öffnungen verbunden sind. Gewöhnlich führt das kreisförmige Profil zu einer gedrosselten Strömung, wenn das Ventil zunächst geöffnet wird, und zu einer anschließenden erhöhten Strömung durch die Drehung der Ventilkugel.
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Vorzugsweise kann die Kegelventilvorrichtung ferner mindestens ein Brückenelement umfassen, das dem Kugeleinlass und/oder dem Kugelauslass zugeordnet ist, um eine Fluidströmung durch den Kugeleinlass und/oder den Kugelauslass zu ändern. Zumindest der Kugeleinlass oder zumindest der Kugelauslass können im Wesentlichen ein asymmetrisches, ein gekrümmtes, ein zickzackförmiges oder ein D-förmiges Profil aufweisen.
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Der Kugeleinlass und der Kugelauslass können in einer Ausführungsform voneinander verschieden geformt sein.
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Durch die unterschiedliche Form des Einlasses und des Auslasses der Kugel kann die Strömung durch den Einlass beispielsweise konstant bleiben, während die Strömung durch den oder jeden Kugelauslass durch die Drehung des Kugelventils eingestellt werden kann.
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Es kann eine Kugelventilvorrichtung vorgesehen sein, bei welcher das Kugelventil zwei der genannten Kugeleinlässe und zwei der genannten Kugelauslässe und das Ventilgehäuse jeweils zwei der genannten Gehäuseeinlässe und zwei der genannten Gehäuseauslässe aufweist, um eine Dreiwegekugelventilvorrichtung zu bilden.
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Eine Dreiwegekugelventilvorrichtung kann als Fluidströmungsteiler oder als Fluidströmungsverschmelzer wirken, während dennoch sämtliche Vorteile bezüglich der Linearität des Verhältnisses zwischen Drehung und Strömung durch die Vorrichtung erhalten bleiben.
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Vorzugsweise kann die Kugelventilvorrichtung einen Ventilaktuator aufweisen, der mit der Ventilkugel in Eingriff gebracht werden kann, um die Drehung der Ventilkugel zu bewirken.
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Vorzugsweise sorgt die Anordnung eines eigenen Aktuators, der die Betätigung der Ventilkugel steuern kann, in vorteilhafter Weise für einen genaueren Mechanismus zum Steuern der Fluidströmung durch die Vorrichtung, ohne auf eine manuelle Steuerung zurückgreifen zu müssen, die ungenau sein kann.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Ventilkugel zur Verwendung als Teil einer Kugelventilvorrichtung vorzugsweise gemäß dem ersten und/oder dem zweiten Aspekt der Erfindung angegeben, wobei die Linearität der Fluidströmung durch diese hindurch verbessert ist und wobei das Kugelventil einen Kugelkörper mit einer diesen durchgreifenden Bohrung hat, wobei ein Kugeleinlass und ein Kugelauslass der Ventilkugel in Fluidverbindung mit der Bohrung stehen, wobei ein Fluidströmungsweg durch die Ventilkugel zumindest zum Teil durch den Kugeleinlass, den Kugelauslass und die Bohrung definiert wird; wobei zumindest ein Brückenelement an dem Fluidströmungsweg positioniert ist, um eine Fluidströmung durch diesen hindurch zu ändern, so dass sich die Ventilkugel aufgrund des Brückenelements im Betriebszustand relativ zu einem Ventilgehäuse dreht, wobei sich eine Strömungsrate entlang des Fluidströmungswegs mit einem Grad einer Drehung der Ventilkugel linear oder im Wesentlichen linear ändert.
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Zumindest der Kugeleinlass oder zumindest der Kugelauslass haben ein nichtkreisförmiges Profil.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Ventilkugel zur Verwendung als Teil einer Kugelventilvorrichtung vorzugsweise gemäß dem ersten und/oder zweiten Aspekt der Erfindung angegeben, die über eine bessere Linearität der Fluidströmung durch sie hindurch verfügt, wobei die Ventilkugel einen Kugelkörper mit einer diesen durchgreifenden Bohrung, einen Kugeleinlass und einen Kugelauslass, die mit der Bohrung in Fluidverbindung stehen, umfasst, wobei ein Fluidströmungsweg durch die Kugelventilvorrichtung zumindest teilweise durch den Kugeleinlass, den Kugelauslass und die Bohrung definiert wird und wobei zumindest der Kugeleinlass oder zumindest der Kugelauslass ein nichtkreisförmiges Profil aufweisen.
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Zumindest ein Brückenelement kann dem Kugeleinlass und/oder dem Kugelauslass zugeordnet sein, um die Fluidströmung durch den Kugeleinlass und/oder den Kugelauslass zu ändern.
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Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbessern der Linearität der Fluidströmung durch eine Kugelventilvorrichtung vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a] das Bereitstellen einer Kugelventilvorrichtung vorzugsweise gemäß dem ersten und/oder zweiten Aspekt der Erfindung; und b] das Drehen der Ventilkugel, um eine Fluidströmung durch den Fluidströmungsweg hindurch zu erhöhen, so dass infolge des Brückenelements die Änderung der Fluidströmung proportional zu dem Grad der Drehung der Ventilkugel linear oder im Wesentlichen linear stattfindet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt in einer seitlichen Darstellung eine erste Ausführungsform einer Kugelventilvorrichtung gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei das Ventilgehäuse der Vorrichtung in einem Querschnitt dargestellt ist, um die Ventilkugel im Detail zu zeigen;
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2a ist eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Kugelventilvorrichtung gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt der Erfindung;
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2b zeigt einen Querschnitt durch die Kugelventilvorrichtung von 2a;
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3a ist eine perspektivische Darstellung der Ventilkugel von 2a, wobei das Ventilgehäuse aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurde;
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3b ist eine perspektivische Darstellung der Ventilkugel von 3a, die einer Drehung der Ventilkugel in Gegenuhrzeigerrichtung folgt, wobei der Gehäuseeinlass und der Gehäuseauslass weggelassen wurden; und
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4 zeigt in einem Diagramm die berechneten Querschnittsflächen des Einlasses und des Auslasses der Kugel der Kugelventilvorrichtung von 2a gegenüber dem Drehwinkel der Ventilkugel, gestrichelt dargestellt, bezogen auf das ideale lineare Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen und dem Drehwinkel, die anhand der durchgezogenen Linien dargestellt sind.
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Es folgt eine Detailbeschreibung von Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird auf 1 Bezug genommen, in der eine Zweiwegekugelventilvorrichtung 10 dargestellt ist, die geeignet ist zum Herstellen einer linearen oder im Wesentlichen linearen Strömungsrate durch die Vorrichtung, die proportional oder im Wesentlichen proportional zu einer durchgeführten Betätigung ist.
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Die Kugelventilvorrichtung 10 hat ein Kugelventil 12 mit einer Ventilkugel 14, in der zwei Öffnungen 16 gebildet sind, die einen Kugeleinlass und einen Kugelauslass der Ventilkugel 14 bilden, und ein Ventilgehäuse 18, in welchem die Ventilkugel 14 aufgenommen werden kann. Ein Hohlraum, ein Kanal oder eine Bohrung 19 erstrecken sich durch die Ventilkugel 14, um ein Fluid hindurchströmen zu lassen. In 1 ist nur eine der Öffnungen 16 zu sehen. Die andere Öffnung ist zu der dargestellten Öffnung 180 Grad um die Ventilkugel 14 positioniert.
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Die Ventilkugel 14 befindet sich im Eingriff mit einem Ventilschaft 20, über welchen die Ventilkugel 14 gedreht werden kann. Der Ventilschaft 20 kann mit der Ventilkugel 14 vorzugsweise einstückig ausgebildet sein. Es kann jedoch auch ein getrennt in Eingriff zu bringender Ventilschaft 20 vorgesehen sein.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die Ventilkugel 14 im Wesentlichen sphärisch mit Öffnungen 16 ausgebildet, die um einen Äquator der Ventilkugel 14 symmetrisch gebildet sind. Die Ventilkugel 14 kann aus einem geeigneten elastischen Material bestehen, das für ein Fluid geeignet ist, mit welchem die Kugelventilvorrichtung 10 verwendet werden soll. Bei nicht korrodierend wirkenden Fluiden, die beispielsweise Teil einer Stickstoffgasleitung sind, kann die Ventilkugel 14 aus einem Metall wie rostfreiem Stahl gebildet sein. Bei aggressiveren Fluiden jedoch ist vorzugsweise ein Kunststoff oder ein kunststoffbeschichtetes Metall zu verwenden. Je nach Notwendigkeit steht eine große Vielfalt von Materialien für die Ventilkugel 14 zur Verfügung.
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Das dargestellte Ventilgehäuse 18 ist mit einem Gehäuseeinlass 22 ausgebildet, der einem Gehäuseauslass 24 diametral gegenüberliegt, wobei der Einlass und der Auslass auf beiden Seiten des Kugelsitzes 26 in dem Ventilgehäuse 18 positioniert sind. Der Kugelsitz 26 ist vorzugsweise komplementär geformt, so dass dieser die Ventilkugel 14 ohne weiteres aufnehmen kann, und hat deshalb in der Ausführungsform von 1 die Form einer sphärischen Vertiefung. An dem oder angrenzend an den Kugelsitz 26 können eine oder mehrere Dichtungen 28 vorgesehen sein, um im Betriebszustand den Austritt von Fluid zu verhindern oder zu hemmen. Es ist jedoch eine maschinelle Bearbeitung des Kugelsitzes 26 und der Ventilkugel 14 dahingehend möglich, dass die Dichtung 28 entfallen kann, indem zum Beispiel Kunststoffsitze direkt in dem Ventilgehäuse 18 vorgesehen sind, die beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen können. Die dargestellten Dichtungen 28 sind jedoch bevorzugt als duroplastische Verbund-Reibringe ausgebildet, zum Beispiel aus Duroplast, an die sich die Ventilkugel 14 anlegen kann.
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Jeder der Gehäuseeinlässe 22 und der Gehäuseauslässe 24 kann an Rohre 30 anschließbar sein, durch welche ein zu transportierendes Fluid strömen kann, wobei die Strömung durch das Kugelventil 12 gesteuert wird. Diese können zum Beispiel mit dem Gehäuseeinlass 22 und dem Gehäuseauslass 24 durch Schraubeingriff verbunden sein, wenngleich andere Verbindungsmittel ebenfalls denkbar sind, zum Beispiel eine Schnappverbindung oder eine Dichtungsverbindung. Solchermaßen lässt sich im Benutzungsfall ein Fluidströmungsweg, der anhand der gestrichelten Linie F dargestellt ist, durch die Kugelventilvorrichtung 10, den Gehäuseeinlass 22, die Bohrung 19 der Ventilkugel 14 und den Gehäuseauslass 24 definieren, wobei die Fluidströmungssteuerung durch die Drehung des Kugeleinlasses und Kugelauslasses 16 in und außer Ausrichtung mit dem Gehäuseeinlass 22 und dem Gehäuseeinlass 24 bereitgestellt wird.
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Das Ventilgehäuse 18 kann aus einem einzigen Materialstück gebildet sein, das die Ventilkugel 14 umschließt, kann alternativ jedoch auch derart vorgesehen sein, dass es sich öffnen lässt, so dass die Ventilkugel 14 zu Wartungszwecken oder für deren Austausch entnommen werden kann. Das Ventilgehäuse 18 kann auch einen verengten Abschnitt 32 aufweisen, der sich senkrecht zur Achse der Strömung durch die Kugelventilvorrichtung 10 erstreckt, und durch welchen der Ventilschaft 20 verlaufen kann. Es kann auch eine Schaftdichtung 34 vorgesehen sein, um ein Aussickern von Fluid nach oben einzudämmen, wobei für den Fall eines Austritts des transportierten Fluids eine Leckageöffnung 36 vorgesehen ist.
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Die Kugelventilvorrichtung 10 kann als manuell betätigbare Einheit vorgesehen sein, wobei der Ventilschaft 20 in diesem Fall einen von einer Bedienungsperson bedienbaren Griff zum Öffnen und Schließen des Kugelventils 12 aufweisen kann. Wie in 1 gezeigt ist, kann jedoch ein Aktuator 39 wie beispielsweise der dargestellte bürstenlose Gleichstrommotor vorgesehen sein, der mit dem Ventilschaft 20 verbunden ist und zum Betätigen der Ventilkugel 14 vorgesehen ist. Es kann ein spezieller Getriebezug 40 oder eine ähnliche Übertragungsvorrichtung vorgesehen sein, die mit einem Ausgang 42 des Aktuators 38 verbunden ist und sich mit dem Ventilschaft 20 im Eingriff befindet, um das notwendige Drehmoment zu übertragen.
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Der Aktuator 38 kann als Teil der Kugelventilvorrichtung 10 vorgesehen sein und ist zumindest zum Teil in dem Ventilgehäuse 18 oder in seinem eigenen Aktuatorgehäuse eingeschlossen. Der Aktuator 38 kann mit dem Ventilschaft 20 rückgekoppelt sein, zum Beispiel über einen Positionssensor 44 wie ein Potentiometer oder einen Hall-Sensor, um sicherzustellen, dass die Ventilkugel 14 in die korrekte Position betätigt und nicht durch eine Fluidströmung durch das Kugelventil 12 hindurch verlagert wurde.
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Die Ventilkugel 14 ist derart ausgebildet, dass sie eine optimale oder annähernd optimale Linearität zwischen der Position der Ventilkugel 14 und der Strömung durch diese hindurch erlaubt. Dies lässt sich durch eine sorgfältige Änderung der Querschnittsfläche der jeweiligen Eingangsöffnung und Ausgangsöffnung 16 der Ventilkugel 14 erreichen.
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Zumindest eine und vorzugsweise beide Öffnungen 16 sind so geformt, dass sie nicht kreisförmig sind, wobei die dargestellte Öffnung 16 ein annähernd D-förmiges Profil hat, aber auch eine gekrümmte, asymmetrische oder zickzackförmige Öffnung denkbar ist. Ferner ist ein vorzugsweise längliches Brückenelement 46 vorgesehen, das wie dargestellt eine horizontale Breite der Öffnung 16 an dem oder angrenzend an den Äquator der Ventilkugel 14 überspannen kann, wodurch verhindert wird, dass das Fluid durch die Mitte der Öffnung 16 strömt. Dadurch wird die Öffnung 16 wirksam in einen oberen und unteren Öffnungsabschnitt 16', 16" segmentiert.
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Das Brückenelement 46 kann ein oder mehrere Ablenkelemente 48 aufweisen, die sich wie dargestellt vorzugsweise seitlich des Brückenelements 46 erstrecken können, zum Beispiel vertikal, oder die der Oberflächenkrümmung der Ventilkugel 14 folgen können. In 1 sind vier solche Ablenkelemente 48 gezeigt, die allgemein eine dreieckige Form haben und die um das Brückenelement 46 symmetrisch angeordnet sind. Einige der Ablenkelemente 48 haben abweichende Dimensionen, die durch die Änderungen diktiert werden, die notwendig sind, um die für eine lineare Strömung benötigte Querschnittsfläche der Ventilkugel 14 zu erreichen. Es versteht sich jedoch, dass kein abweichendes Ablenkelement 48 angeordnet werden muss und dass auch ein geformtes oder gewelltes Brückenelement 46 für die notwendige Unterbrechung der Fluidströmung sorgen könnte.
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Im Benutzungsfall ist das Kugelventil 12 in der dargestellten Konfiguration für die Fluidströmung unpassierbar; die Öffnungen 16 sind nicht mit dem Gehäuseeinlass 22 und dem Gehäuseauslass 24 ausgerichtet, weshalb der Fluidströmungsweg F durch die Wände der Ventilkugel 14 behindert wird. Wenn der Aktuator 38 aktiviert wird, beginnt dieser den Ventilschaft 20 zu drehen, weshalb auch die Ventilkugel 14 gedreht wird. Solchermaßen gelangt die Öffnung 16 in Ausrichtung mit dem jeweiligen Gehäuseeinlass und -auslass 22, 24.
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Bei einem Standardkugelventil mit kreisförmiger Bohrung würde sich die Fluidströmung als anfängliches Rinnsal des durch die Ventilkugel strömenden Fluids zeigen, da die Überdeckung äußerst gering ist, gefolgt von einem sehr starken Anstieg der Strömungsrate, wenn sich der volle Durchmesser der Bohrung mit dem Einlass oder dem Auslass deckt.
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Vorliegende Erfindung nutzt die spezifische Formgebung der Öffnungen 16, die Verwendung der Brückenelemente 16 eingeschlossen, um die Strömung durch die Ventilkugel 14 an verschiedenen Punkten der Drehung des Ventilschafts 20 zu verbessern oder zu verhindern, so dass mit der Drehung der Ventilkugel 14 ein linearer oder im Wesentlichen linearer Anstieg der Strömungsrate erzielt wird. Dies ermöglicht durch das Kugelventil 12 eine äußerst präzise Steuerung der Strömung durch den Fluidströmungsweg F hindurch.
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Es versteht sich, dass ein ähnlicher Effekt erzielt werden könnte, indem der eine oder andere Aspekt hervorgehoben wird, wenngleich die dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowohl eine geformte Öffnung 16 als auch ein Brückenelement 48 nutzt, an welchem Ablenkelemente zum Regulieren der Strömung befestigt sind. Zum Beispiel könnte eine geformte Öffnung 16 allein verwendet werden, oder es könnte auch eine kreisförmige Öffnung mit einem Brückenelement 46 für sich allein verwendet werden, abhängig von den Anforderungen.
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Während eine Zweiwegekugelventilvorrichtung 10 von der erfindungsgemäß bereitgestellten Strömungssteuerung profitieren kann, versteht es sich, dass bei Strömungsteilern, in denen mehr als ein Strom in einem einzigen Kanal zusammengeführt werden oder einzelner Strom in mehrere Einzelströme aufgeteilt wird, ein größeres Maß einer Turbulenz gegeben ist.
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Eine Dreiwegekugelventilvorrichtung ist allgemein bei Pos. 110 in den 2a und 2b gezeigt. Für Komponenten, die mit jenen der ersten Ausführungsform identisch sind, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet und eine weitergehende Beschreibung solcher Komponenten entfällt.
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Die Dreiwegekugelventilvorrichtung 110 hat in der dargestellten Ausführungsform ein im Wesentlichen quaderförmiges Ventilgehäuse 118, das den äußeren Bereich des Kugelventils 112 bildet, wobei der Fachmann erkennen wird, dass auch andere Formen des Ventilgehäuses denkbar sind. An einer Ecke des Ventilgehäuses 118 ist ein einzelner Gehäuseeinlass 122 positioniert, während zwei Gehäuseauslässe 124 derart positioniert sind, dass diese sich von senkrechten Flächen des Ventilgehäuses 118 erstrecken. Die Fluidströmung kann deshalb durch den Gehäuseeinlass 122 und durch einen oder beide Gehäuseauslässe 124 entlang des Fluidströmungswegs F erfolgen, der in 2b angedeutet ist. Es versteht sich, dass die Strömungsrichtung ohne weiteres geändert werden kann und dass aus diesem Grund die Begriffe Einlass und Auslass und die begleitenden Pfeile an dem Fluidströmungsweg F lediglich Darstellungszwecken dienen. Eine Dreiwegeventilvorrichtung könnte ebenso ohne weiteres zwei Einlässe und einen Auslass aufweisen.
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Die Ventilkugel 114 ist derart installiert, dass sie an einer Mündung des Gehäuseeinlasses 122 und der Gehäuseauslässe 124 in dem Ventilgehäuse 118 drehend bedienbar ist. Der Ventilschaft 120 in der dargestellten Ausführungsform ist mit einem Hebel 150 verbunden, der sich senkrecht zu dem Ventilschaft 120 erstreckt. Dem Hebel 150 ist eine winkelförmige Führungseinrichtung 152 zugeordnet, die die Bedienungsperson über den erwarteten Zustand der Ventilkugel 114 informieren kann, sobald der Hebel 150 betätigt und in eine bestimmte Winkelstellung gebracht wurde. Diese Anordnung könnte selbstverständlich mit einem elektrisch betätigbaren oder einem ähnlichen mechanischen Aktuator verbunden sein, um die Position der Ventilkugel 114 nicht manuell, sondern vielmehr automatisch zu steuern.
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Die Ventilkugel 114 ist in den 3a und 3b im Detail dargestellt. 3a liefert auch eine Positionsanzeige des Gehäuseeinlasses und der Gehäuseauslässe 122, 124 bezüglich der Ventilkugel 114.
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Die Ventilkugel 114 ist in der vorliegenden Ausführungsform als eine in Breitenrichtung segmentierte Kugel ausgebildet und bildet daher eine obere und eine untere ebene Fläche der Ventilkugel 114. Wie dargestellt ist, ermöglicht dies gegebenenfalls einen Drehanschlag 154 an der Ventilkugel 114, der im Benutzungsfall die Drehbetätigung der Ventilkugel 114 begrenzt.
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Zum Bereitstellen einer Dreiwegekugelventilvorrichtung 110 hat die Ventilkugel 114 vorzugsweise drei Öffnungen. Wie dargestellt ist, sind hier ein Kugeleinlass 116a und zwei Kugelauslässe 116b vorgesehen, die jeweils mit dem Gehäuseeinlass 122 und den beiden Gehäuseauslässen 124 korrespondieren, wobei der Kugeleinlass 116a und der Kugelauslass 116b über die die Ventilkugel 114 durchgreifende Bohrung 119 verbunden sind.
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Der Kugeleinlass 116a ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Fluidströmung durch ihn hindurch durch die Drehung der Ventilkugel 114 innerhalb eines möglichen Drehbereichs des Ventilschafts 120 nicht geändert wird. Dadurch ist der Kugeleinlass 116a als vorzugsweise rundliche Öffnung ausgebildet, die größer ist als jeder der Kugelauslässe 116b. Es kann ein Brückenelement 146a vorgesehen sein, das vorzugsweise eine Breite des Kugeleinlasses 116a überspannt und das ohne Ablenkelement vorgesehen sein kann, wie gezeigt.
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Jeder der Kugelauslässe 116b kann vorzugsweise als nichtkreisförmige Öffnung ausgebildet sein, hier im Wesentlichen als D-förmige Öffnungen, die bezüglich des Kugeleinlasses 114 um die Ventilkugel 114 symmetrisch angeordnet sind. Es kann wiederum ein Brückenelement 146b vorgesehen sein, und hier ist ein anderes, kreisförmiges Ablenkelement 148 gezeigt, das eine ähnliche Unterbrechungswirkung auf die Fluidströmung hat wie in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform. Ein solches kreisförmiges Ablenkelement 148 lässt sich jedoch deutlich einfacher präzise herstellen als jenes, das zum Beispiel in 1 gezeigt ist.
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Die dargestellte Dreiwegekugelventilvorrichtung 110 ist ausgebildet zum selektiven Ändern der Fluidströmung durch den Fluidströmungsweg F, der durch die Ventilkugel 114 hindurchführt. An einem Ende kann ein erster Kugelauslass 116b voll geöffnet sein, während der zweite Kugelauslass 116b voll geschlossen ist. Wenn der Ventilschaft 120 gedreht wird, wird die Fluidströmung durch die Dreiwegeventilvorrichtung 110 im Verhältnis zu der für die Fluidströmung durch die Kugelauslässe verfügbaren Querschnittsfläche zwischen den beiden Kugelauslässen 116b aufgeteilt. Sobald der Ventilschaft 120 vollständig in eine zweite Position gedreht wurde, die ein durch den Anschlag 154 definiertes Positionsende sein kann, wird der zweite Kugelauslass 116b vollständig geöffnet und der erste Kugelauslass 116b vollständig geschlossen.
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In einer Idealsituation ist das Verhältnis zwischen den Strömungen durch die beiden Kugelauslässe 116b linear proportional zu dem Grad der Drehung der Ventilkugel 114. Dies lässt sich erreichen, indem man ein proportionales Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche jedes Kugelauslasses 116b und der Winkelposition der Ventilkugel 114 anstrebt. Dieses ideale Verhältnis ist in 4 anhand der durchgezogenen Linien dargestellt, wobei der Graph allgemein bei Pos. 200 angegeben ist: die Linie IIA stellt den idealen Einlassbereich in Abhängigkeit von der Winkelverschiebung einer idealen Ventilkugel 114 dar; die Linie IOA1 stellt den idealen Auslassbereich eines ersten Kugelauslasses dar; und die Linie IOA2 stellt den idealen Auslassbereich eines zweiten Kugelauslasses dar. Die gepunkteten Linien, die die Linien IOA1 und IOA2 umgeben, stellen eine Abweichung von ±6% von den Ideallinien dar.
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Für die Ventilkugel 114 der 3a und 3b ist das berechnete Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche der jeweiligen Öffnung 116a, 116b in Abhängigkeit von der Winkelverschiebung der Ventilkugel 114 dargestellt: die Linie VBIA zeigt den Ventilkugeleinlassbereich, der als Funktion der Zeit konstant ist und aufgrund des vorhandenen Brückenelements gegenüber der Idealsituation IIA verringert ist; die Linie VBOA1 zeigt den ersten Auslassbereich der Ventilkugel; und die Linie VBOA2 zeigt den zweiten Auslassbereich der Ventilkugel.
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Wie zu erkennen ist, liegt die Querschnittsfläche jedes der Kugelauslässe 116b für den Großteil der Drehung der Ventilkugel 114 innerhalb einer Abweichung von ±6% von dem Idealfall, wobei eine geringfügig größere Abweichung von dem Idealfall vorliegt, wenn der erste oder der zweite Kugelauslass 116b zuerst öffnen.
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Als Ergebnis dieses annähernd linearen Verhältnisses zwischen der Winkelposition der Ventilkugel 114 und der Fluidströmungsrate durch die Dreiwegeventilvorrichtung 110 ist es möglich, die Rate der Strömung durch ein Fluidströmungsventil sehr genau zu steuern, ohne auf teure Überwachungsvorrichtungen zurückgreifen zu müssen. Stattdessen lässt sich die Ventilkugel 114 präzise betätigen, und die Fluidströmung kann anhand des Winkels des Kugelventils 114 ermittelt werden.
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Wenngleich vorstehend Zweiwege- und Dreiwegekugelventilvorrichtunten 10, 110 erläutert wurden, ist es offensichtlich, dass andere Fluidsteuerventilmechanismen verfügbar sind, die eine andere Anzahl von Einlässen und Auslässen aufweisen. Aus diesem Grund ist vorliegende Erfindung nicht auf dargestellten Ausführungsformen beschränkt.
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Wenngleich die beschriebenen Brückenelemente physisch an der Ventilkugel befestigt sind, entweder durch eine einstückige Ausbildung oder durch einen mechanischen Eingriff, so dass die Brückenelemente die Öffnungen der Ventilkugel überspannen, ist es offensichtlich, dass eine ähnliche Unterbrechung der Strömung erreicht werden kann, indem ein separates Brückenelement vorgesehen ist, das in den Strömungsweg der Öffnungen eingesetzt werden kann. In diesem letzteren Fall kann der Einsatz so ausgebildet sein, dass dieser an die Bohrung der Ventilkugel angepasst ist, zum Beispiel als enge Schiebepassung oder Presspassung, wobei eine Innenfläche des Einsatzes eine jeweils benötigte Kreisform oder Nichtkreisform aufweist, um zusammen mit einem erforderlichen Brückenelement einen Strömungsweg zu definieren. Obwohl das vorstehend beschriebene Brückenelement eine Bohrung der Ventilkugel vorzugsweise ganz überspannt, vorzugsweise entlang des Durchmessers, kann das Brückenelement ferner freitragend sein und sich nur von einer Seite erstrecken, oder kann an einer, an zwei oder an mehr Stellen mit der Bohrungswand verbunden sein. Obwohl das Brückenelement vorzugsweise am Kugeleinlass und Kugelauslass liegt, kann das Brückenelement zusätzlich oder alternativ von einer oder beiden Öffnungen zurückversetzt sein und dadurch in die Bohrung der Ventilkugel hinein vertieft sein, anstelle einen Teil der Ventilkugel zu bilden.
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Es ist daher möglich eine Kugelventilvorrichtung mit einer besseren Linearität der Fluidströmung durch die Kugelventilvorrichtung bereitzustellen, jedoch die Öffnungen der Ventilkugel derart zu ändern, dass die Proportionalität der Strömung durch die Ventilkugel linear proportional zu dem Winkel der Drehung der Ventilkugel ist. Dies lässt sich zum Beispiel erreichen, indem die äußeren Dimensionen der Öffnungen geformt werden oder indem ein Brückenelement vorgesehen wird, das eine Fluidströmung durch eine Mitte der Öffnungen zumindest zum Teil blockiert.
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Verben wie “umfassen/umfassend” und “aufweisen/enthalten”, die in der vorliegenden Beschreibung der Erfindung verwendet werden, geben an, dass genannte Merkmale, Ganzahlen, Schritte oder Komponenten vorhanden sind, ohne dabei auszuschließen, dass auch ein oder mehrere andere Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Komponenten oder Gruppen derselben vorhanden sein können.
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Es versteht sich, dass bestimmte Merkmale der Erfindung, die der Übersichtlichkeit halber im Kontext einzelner Ausführungsformen beschrieben wurden, auch in einer einzigen Ausführungsform kombiniert sein können. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die der Kürze der Beschreibung halber im Kontext einer einzigen Ausführungsform beschrieben wurden, ebenso getrennt oder in zweckmäßigen Unterkombinationen vorgesehen sein können.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen stellen lediglich ein Beispiel dar. Der Fachmann wird erkennen, dass innerhalb des Rahmens der Erfindung, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist, verschiedene weitere Modifikationen möglich sind.
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Die vorstehende Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung sollen dem Fachmann lediglich die praktische Ausführung der Erfindung ermöglichen. Der Fachmann wird erkennen, dass innerhalb des Rahmens der Erfindung verschiedene Modifikationen möglich sind. Die dargestellten Ausführungsformen sollen die Erfindung nicht einschränken. Der Schutzumfang der Erfindung wird vielmehr durch die anliegenden Ansprüche definiert.
