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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Armatur gemäß der im
Oberbegriff des Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Aus der
DE 196 05 331 ist
eine derartige Armatur mit einem in einem Gehäuse drehbar angeordneten Ventilkörper bekannt,
welcher als Kugel oder konisches Küken ausgebildet ist. Zwischen
dem Ventilkörper
und den diesen umgebenden Wänden
des Gehäuses
ist eine Kammer vorhanden, wobei mittels Sitz- oder Dichtringen
die Abdichtung erfolgt. In der Kammer sind den schwimmend gelagerten
Ventilkörper
zumindest teilweise umgebende Freiräume vorhanden, in welche aufgrund
in der Praxis auftretender, selbst minimaler Leckagen Bestandteile
des Strömungsmediums
gelangen können.
Diese Bestandteile können,
beispielsweise bei Betätigung
des Ventilkörpers
oder infolge von Druckunterschieden oder geänderten Betriebsbedingungen,
aus den Freiräumen
wieder heraustreten und dem Strömungsmedium
zugeführt
werden. Es ist vor allem in der Pharmaindustrie oder der Lebensmittelindustrie
nachteilig, wenn beispielsweise nach einem Chargenwechsel Bestandteile
einer zuvor geförderten
und in dem oder den Freiräumen
festgesetzten Charge des Strömungsmediums
in die neue Charge gelangen und diese verunreinigt. Es sei hier
nur beispielshaft auf Pigmente, pharmakologische oder kosmetische Wirkstoffe
hingewiesen, welche bereits in extrem geringen Mengen zu einer Unbrauchbarkeit
der neuen Charge des Strömungsmediums
führen.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, die Armatur mit geringem konstruktiven Aufwand
dahingehend weiterzubilden, dass das Eindringen von Bestandteilen
des Strömungsmediums
in die im Bereich der Kammer vorhandenen Freiräume bzw. das Freisetzen derartiger Bestandteile
mit hoher Sicherheit vermieden wird. Die Armatur soll einen geringen
Fertigungsaufwand erfordern und für eine möglichst lange Zeit- bzw. Lebensdauer
den Sicherheitsanforderungen, der insbesondere der Lebensmittel-
und der pharmazeutischen Industrie, entsprechen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt
gemäß der im
Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Die vorgeschlagene Armatur zeichnet
sich durch eine hohe Funktionssicherheit aus, wobei das Austreten
und/oder Festsetzen und/oder Freigeben von Bestandteilen des Strömungsmediums
zuverlässig
und über
eine lange Zeitdauer unterbunden wird. Erfindungsgemäß ist eine
hohlraum- bzw. totraumfreie Armatur durch angefederte und somit
spannungsausgleichende erste Dichtelemente geschaffen, die insbesondere
als Kugeldichtelemente ausgebildet sind. Die ersten Dichtelemente
sind derart ausgebildet, dass diese die zwischen der Außenfläche des
Ventilkörpers
und der Innenfläche
des Gehäuses befindliche
Kammer im wesentlichen vollständig
ausfüllen.
Wenigstens eines dieser Dichtelemente ist über ein Federelement in der
Kammer abgestützt,
so dass die ersten Dichtelemente mit vorgegebener Vorspannung auf
der Außenfläche des
Ventilkörpers dichtend
aufliegen. Die Anordnung des oder der Federelemente ist in Abhängigkeit
der Anforderungen und Einsatzbedingungen vorgegeben. Weiterhin ist zwischen
zwei einander gegenüberliegenden
Stirnflächen
der beiden ersten Dichtelemente ein zusätzliches Dichtelement angeordnet.
Das zusätzliche Dichtelement
liegt nicht wie bei bekannten Dichtungssystemen direkt im Durchfluss-Strömungsprofil, sondern
außerhalb
desselben in der genannten Kammer, so dass insoweit ein Verschleiß vermieden wird.
Das zusätzliche
Dichtelement ist bevorzugt in einer Radialebene angeordnet, durch
welche zumindest näherungsweise
die Drehachse des Ventilkörpers
verläuft.
Die ersten Dichtelemente liegen mit ihren ersten Innenflächen unmittelbar
oder mittelbar über
wenigstens eine Schale spaltfrei an der Außenfläche des Ventilkörpers an.
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Es ist ein Langzeitdichtungssystem
geschaffen, welches mit hoher Funktionssicherheit eine hohlraumfreie
und spaltfreie Abdichtung des Gehäuseinnenraumes gewährleistet.
Des weiteren wird mittels der angefederten und somit spannungsausgleichenden
ersten Dichtelemente und in bevorzugter Weise in Kombination mit
dem zusätzlichen
Dichtelement die Wellendichtung praktisch vollständig entlastet, welche der
zum Drehen des Ventilkörpers
zugeordneten und durch das Gehäuse
nach außen
geführten Welle
zugeordnet ist. Bei Ausbildung des Ventilkörpers als Kugel sind entsprechend
der sphärischen Außenkontur
dieser Kugel die Innenflächen
der ersten ringförmigen
Dichtelemente oder Schalen oder der Schalen kalottenförmig ausgebildet,
wobei diese kalottenförmigen
Innenflächen
sich über
große
Winkelbereiche erstrecken, und zwar bevorzugt zumindest näherungsweise
von einer zur Längsachse
des Gehäuses
im wesentlichen orthogonalen Radialebene bis zu einer an den Ventilkörper anschließenden Kante
des an den Ventilkörper
anschließenden
Innenraumes.
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Die erfindungsgemäße Armatur kann als Ventil,
Hahn, Klappe oder dergleichen ausgebildet sein, wobei der Ventilkörper als
Kugel, konisches oder zylindrisches Küken oder dergleichen ausgebildet
sein kann und wobei an der sphärischen
Oberfläche
des Ventilkörpers
die Dichtungelemente und/oder Schalen dichtend anliegen. Unabhängig von
der jeweiligen konstruktiven Ausbildung der Armatur liegt unmittelbar
im Anschluss an die Dichtelemente und/oder Schalen an der Oberfläche des
Ventilkörpers
das zusätzliche
Dichtelement unter Druckbeaufschlagung im wesentlichen spaltfrei
an.
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Besondere Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden
Beschreibung angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der in der Zeichnung dargestellten besonderen Ausführungsbeispiele
näher erläutert, ohne
dass insoweit eine Beschränkung
erfolgt. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch die als Kugelhahn ausgebildete Armatur,
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2 eine
weitere Ausführungsform,
welche als Zweischalensystem ausgeführt ist,
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3 eine
Ausführungsform, ähnlich 2, wobei der Gehäuseinnenraum
mit einer Auskleidung versehen ist, welche bevorzugt einteilig mit
den Schalen ausgebildet sind.
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1 zeigt
in einem axialen Längsschnitt
die als Kugelhahn ausgebildete Armatur mit einem Gehäuse 2 und
einem insbesondere schwimmend gelagerten kugelförmigen Ventilkörper 4 mit
einer Durchgangsbohrung 6. Das Gehäuse enthält zwei Gehäuseteile 8, 10,
welche in bekannter Weise mit einer Rohrleitung, beispielsweise
mittels hier nicht dargestellter Flansche, verbindbar sind. Das
Gehäuse
enthält
ferner ein mittleres, drittes Gehäuseteil 12, wobei die
genannten Gehäuseteile
in geeigneter Weise, beispielsweise mittels Schraubverbindungen,
miteinander verbunden sind. Der Ventilkörper 4 ist um eine Drehachse 14 in
bekannter Weise mittels einer Welle oder eines Schaftes drehbar,
welcher der Einfachheit halber hier nicht dargestellt ist und mit
dem Ventilkörper 4 drehfest
verbunden und durch das mittlere Gehäuseteil 12 nach außen geführt ist.
In der dargestellten Drehposition des Ventilkörpers 4 liegt dessen Durchgangsbohrung 6 koaxial
zur Längsachse 16 des
Gehäuses 2 und
koaxial zum Durchgang oder Innenraum 18 der beiden Gehäuseteile 8, 10,
wobei der Strömungsweg
für ein
Strömungsmedium
frei gegeben ist. Nach einer Drehung des Ventilkörpers 4 bezüglich der
Drehachse 14 um 90° ist
hingegen der Strömungsweg
abgesperrt.
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Der Ventilkörper 4 besitzt eine
außerhalb
des Innenraumes 18 liegende sphärische Außenfläche 20, welche bei
dem hier dargestellten kugelförmigen Ventilkörper 4 als
eine Teil-Kugelfläche
ausgebildet ist. Zwischen der Außenfläche 20 und den innen
liegenden Wänden 22, 24 und 26 der
Gehäuseteile 8, 10 und 12 ist
eine Kammer vorhanden. In dieser Kammer sind zwei ringförmige erste
Dichtelemente 28, 30 angeordnet, welche zusammen
mit einem zusätzlichen
Dichtelement 32 die genannten Kammer vollständig ausfüllen. Die
beiden ersten Dichtelemente 28, 30 besitzen sphärische,
hier kalottenförmige Innenflächen 34, 36,
welche an die Kontur der Außenfläche 20 des
Ventilkörpers 4 angepasst
sind und spaltfrei an dieser anliegen. Das zusätzliche Dichtelement 32 ist
zwischen den einander gegenüberliegenden
Stirnflächen 28, 30 der
beiden ersten Dichtelemente 28, 30 angeordnet,
und es liegt gleichfalls spaltfrei auf der Außenfläche 20 des Ventilkörpers 4 auf.
Ferner befindet sich das zusätzliche
Dichtelement in der gleichen Radialebene, welche durch den oben
genannten Schaft bzw. die Drehachse 14 verläuft. Das
zusätzliche
ringförmige
Dichtelement 32 ist im Bereich des Schaftes in zweckmäßiger Weise
derart vergrößert ausgebildet,
dass der Schaft radial durch das zusätzliche ringförmige Dichtelement
hindurch geführt
ist. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Innenflächen 34, 36 der
beiden ersten Dichtelemente 28, 30 sich jeweils über vergleichsweise
große
Winkel 42, 44 erstrecken. Der Winkel 42 liegt
zwischen einer Kante 46, an welcher der freie Innenraum 18 des
Gehäuseteils 8 endet, und – abgesehen
von der axialen Breite des vergleichsweise schmalen zusätzlichen
Dichtelements 32 – der
im wesentlichen durch die Drehachse 14 verlaufenden Radialebene.
Entsprechendes gilt für
den anderen Winkel 44, welcher von der zweiten Endkante 48 in Richtung
zur Radialebene der Drehachse 14 gemessen wird. Dem zusätzlichen
Dichtelement 32 entspricht ein vergleichsweise kleiner
Winkel 50. Über den
gesamten Bereich der Winkel 42, 44 und 50 ist erfindungsgemäß eine spaltfreie
Anlage der genannten Dichtelemente an der Außenfläche 20 des Ventilkörpers 4 vorgegeben.
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Die Dichtelemente 28, 30 sind
mittels insbesondere ringförmiger
Federelemente 52, 54 an den Innenwänden 22 bzw. 24 der
Gehäuseteile 8 bzw. 10 abgestützt. Aufgrund
dieser Anfederung ist eine spaltfreie Anlage und spannungsausgleichende
dichte Anlage der Innenflächen 34 bzw.
36 der beiden ersten Dichtelemente 28, 30 an der
Außenfläche 20 des
Ventilkörpers 4 sicher
gestellt. Wie ersichtlich, ist die Innenwand 22 des Gehäuseteils 8 konisch
ausgebildet, und mittels des ringförmigen Federelements 52 wird
somit eine in Richtung zur Längsachse 16 wirkende
Kraftkomponente in vorteilhafter Weise vorgegeben. Abgesehen von
den Federelementen 52, 54 liegen die Dichtelemente 28, 30 weitestgehend spaltfrei
auch an den Innenwänden 22, 24, 26 der Gehäuseteile 8, 10, 12 an.
Somit ist gewährleistet, dass
die Dichtelemente 28, 30 ohne Hohlräume oder Toträume die
genannte Kammer zwischen der Außenfläche 40 und
den genannten Innenwänden
ausfüllen.
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Die Federelemente 52, 54 können als
Elastomer ebenso ausgebildet sein wie als Blattfedern, Tellerfedern,
Spiralfedern oder dergleichen. Bei Ausbildung als Elastomer sind
die Federelemente 52, 54 in bevorzugter Weise
bis an den Durchgang oder Innenraum 18 geführt, so
dass dort zwischen den Gehäuseteilen 8, 10 und
den zugeordneten Dichtelementen 28, 30 eine spaltfreie
Abdichtung vorhanden ist. Im Falle anderweitiger Ausbildung der
Federelemente 52, 54 ist in bevorzugter Weise
unmittelbar an den Durchgang oder Innenraum 18 radial anschließend zwischen
dem jeweiligen Gehäuseteil 8, 10 und dem
zugeordneten ersten Dichtelement 28, 30 ein Dichtring,
insbesondere ein O-Ring, angeordnet, so dass eine Abdichtung des
Innenraumes 18 bezüglich der
genannten Kammer gewährleistet
ist, was insbesondere für
steriltechnische Anwendungen der erfindungsgemäßen Armatur von besonderer
Bedeutung ist. Weiterhin können
in einer bevorzugten Ausgestaltung die Federelemente 52, 54 von
außen
her einstellbar angeordnet und/oder ausgebildet sein, so dass bedarfsweise
eine Einstellung und/oder Nachstellung der auf die Dichtelemente 28, 30 ausgeübte Vorspannung
in einfacher Weise vorgebbar und/oder veränderbar ist.
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In 2 ist
eine weitere Ausführungsform dargestellt,
gemäß welcher
die Dichtelemente 28, 30 radial innenliegende
Schalen oder Auskleidungen 56, 58 aufweisen, welche
eine an die Außenfläche 20 des
Ventilkörpers 4 angepasste
Innenflächen
aufweisen. Die Ausführung
und der Werkstoff dieser Schalen 56, 58 ist an
die betrieblichen Anforderungen und Einsatzbedingungen angepasst.
Als Werkstoffe sei hier vor allem Kunststoffe, Metalle, Tantal oder
Keramik genannt. Insbesondere werden Fluorkunststoffe vorgesehen,
welche sich durch hohe chemische Beständigkeit, gute Gleiteigenschaften
und eine relativ hohe Temperaturbeständigkeit auszeichnen, wie insbesondere
PTFE (Polytetrafluoräthylen)
oder modifiziertes PTFE der ein thermoplastisch zu verarbeitender
Fluorkunststoff wie PFA (Copolymer mit Tetrafluoräthylen-Basisstruktur)
oder FEP (fluoriertes Äthylen-Propylen).
Das zusätzliche,
bevorzugt elastische Dichtelement 32 liegt an den axial
gegenüber
liegenden Stirnflächen
der Schalen 56, 58 spaltfrei und/oder dichtend
an.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform, bei
welcher auch die Gehäuseteile
8, 10 im Bereich des Innenraumes 18 mit einer Auskleidung 60, 62 versehen
sind. Die Auskleidungen 60, 62 können entsprechend
den jeweiligen Anforderungen und Einsatzbedingungen aus den oben
genannten Werkstoffen bestehen. Es ist von besonderer Bedeutung, dass
die Schalen 56, 58 bei dieser bevorzugten Ausführungsform
nach innen bis in den Innenraum 18 verlängert sind und einteilig mit
den Auskleidungen 60, 62 ausgebildet sind und/oder
spaltfrei an die Auskleidungen 60, 62 anschließen. Aufgrund
der einteiligen Ausbildung der Schale 56 mit der Auskleidung 60 und
der einteiligen Ausbildung der Schale 58 mit der Auskleidung 62 ist
eine optimale spaltfreie Ausführung
und Abdichtung des Innenraumes 18 gewährleistet. Bei dieser bevorzugten
Ausführungsform
ist das ringförmige
Dichtelement 32 außerhalb
des Durchfluss-Strömungsprofils
und unterliegt weitestgehend keinem Verschleiß. Das Dichtelement liegt mit
seiner Dichtfläche
zumindest näherungsweise parallel
zur Längsachse 16,
so dass axiale Druckkräfte,
insbesondere infolge eines Differenzdrucks bei teilweise oder vollständiger Absperrung
des Strömungsmediums,
keine Deformationen, Druckbelastungen oder dergleichen des ringförmigen Dichtelements 32 zur
Folge haben. Es ist somit ein universal austauschbares abdichtendes
System geschaffen, mit welchem den Anforderungen an Reinheit und Sterilität in hervorragender
Weise entsprochen wird, wobei selbst bei höchsten Anforderungen jeglicher Abtragungsverschleiß vermieden
wird, so dass eine lange Lebensdauer und/oder Standzeit sowie eine hohe
Korrosionsbeständigkeit
der Armatur bei Sicherstellung höchster
Anforderungen erreicht wird.
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- 2
- Gehäuse
- 4
- Ventilkörper
- 6
- Durchgangsbohrung
in 4
- 8,
10
- Gehäuseteil
- 12
- mittleres,
drittes Gehäuseteil
- 14
- Drehachse
von 4
- 16
- Längsachse
von 2
- 18
- Durchgang/Innenraum
von 2
- 20
- Außenfläche von 4
- 22
- Innenwand
von 8
- 24
- Innenwand
von 10
- 26
- Innenwand
von 12
- 28,
30
- erstes
Dichtelement
- 32
- zusätzliches,
ringförmiges
Dichtelement
- 34,
36
- Innenfläche von 28, 30
- 38,
40
- Stirnfläche von 28, 30
- 42,
44
- Winkel
- 46,
48
- Endkante
von 18
- 50
- Winkel
von 32
- 52,
54
- Federelement
- 56,
58
- Schale/Auskleidung
von 28, 30
- 60,
62
- Auskleidung
von 8, 10