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Absperrhahn mit Dichtungspackung zwischen Gehäuse und Küken und Verfahren
zu dessen Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf Absperrhähne, bei denen zwischen
dem Gehäuse und dem frei drehbaren Küken eine Dichtungspackung und außerdem weitere
Maßnahmen zur Verstärkung der Dichtwirkung vorgesehen sind.
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Derartige Hähne sind an sich beispielsweise aus der französischen
Patentschrift 1095 281 bekannt, nach welcher eine Dichtung aus plastischem Material,
z. B. Kautschuk, verwendet wird. Diese Dichtung hat verschiedene Wulste, die sich
an die glatte Wand der Hahnbohrung anlegen. In der USA.-Patentschrift 2 604 293
werden als Dichtungspackung die bekannten G-Ringe aus beliebigem elastischem Material
beschrieben, die in Nuten rund um die Bohrung des Kükens eingelassen sind und an
der glatten Hahnwandung anliegen. Diese Konstruktionen. haben den Nachteil, daß
sich die Packung sehr leicht verschiebt und das Küken stets unter beträchtlichem
Druck gehalten werden muß.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist in der USA.-Patentschrift 2 728
550 vorgeschlagen, an der Dichtfläche Bereiche mit verschiedenen Dichtungsdrücken
zu erzeugen, wobei die Bereiche mit hohem Dichtungsdruck um die Durchflußleitungen
des Gehäuses und des Kükens vorgesehen sind. Die zwischen Hahn und Küken befindliche
Packung wird der Form des Gehäuses und des Kükens entsprechend gegossen oder passend
zurechtgefräst. Derartige Packungen, die bereits vorher der Form des Gehäuses bzw.
des Kükens angepaßt sind, haben jedoch erheblicheNachteile. So ist beispielsweise
der Sitz oft ungenau und die Belastbarkeit mit höherem Druck gering. Auch läßt die
Dichtwirkung bei der geringsten Abnutzung nach, und bei Temperaturschwankungen arbeiten
derartige Hähne ungenau.
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Es wurde nun gefunden, daß man alle diese Nachteile vermeiden kann,
wenn man bei Absperrhähnen mit frei drehbarem Küken, bei welchen an der Dichtungsfläche
Bereiche mit verschieden großen Dichtungsdrücken vorgesehen sind, eine Packung aus
orientierbarem Material verwendet, welches in den Bereichen mit großem Dichtungsdruck
über die elastischen Grenzen des orientierten Werkstoffes zusammengepreßt ist. In
einem orientierten Material richten sich die Moleküle oder Kristalle bei Änderung
der üblichen Parameter entsprechend aus, d. h., sie orientieren sich. Die hierbei
erzielten Änderungen der physikalischen Eigenschaften können durch besondere Herstellungsverfahren
und durch die Fabrikation noch verbessert werden.
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Derartige Packungen lassen sich besonders vorteilhaft bei Absperrhähnen
verwenden, die an der Innenwand der Gehäusebohrung oder an der Außenwand des Kükens
Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweisen, von denen die ersteren Bereiche geringeren
Dichtungsdruckes und die letzteren Bereiche größeren Dichtungsdruckes bilden. Hierbei
können die Vertiefungen am Gehäuse bzw. am Küken teilweise mit dem Packungsmaterial
ausgefüllt sein.
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Die Vertiefungen und Erhöhungen werden zweckmäßig so angeordnet, daß
die Bereiche hohen Dichtungsdruckes, in denen der Werkstoff der Packung über seine
elastischen Grenzen hinaus zusammengepreßt ist, die Öffnungen der Durchflußleitungen
umgeben. Bei der Herstellung eines Absperrhahnes nach der Erfindung wird die Packung
vor ihrem Einbau zunächst zur teilweisen Orientierung des Werkstoffes zusammengepreßt
und anschließend zwischen Gehäuse und Küken eingesetzt, worauf durch einen weiteren
Preßvorgang die Bereiche höherer Orientierung erzeugt werden. Hierbei entstehen
die Bereiche höhererOrientierung in denBereichen hohenDruckes, während die Bereiche
niederen Druckes eine geringere Orientierung des Werkstoffes hervorrufen.
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Das Einpressen der Packung wird vorteilhaft so durchgeführt, daß der
Werkstoff nicht vollständig in die Vertiefungen des Gehäuses bzw. des Kükens hineingepreßt
wird, so daß die Packung beim Ausdehnen oder Zusammenziehen diese Vertiefungen noch
ausfüllen kann.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
an einem Hahn als Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Draufsicht
auf den Hahn nach der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig.
1, Fig. 3 eine Ansicht gemäß Fig. 1, wobei jedoch das Küken, die Packung, die Membran,
die Abdeckplatte und die Stopfbüchse entfernt sind,
| Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 von Fig. 3, |
| Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 von Fig. 4, |
| Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 von Fig. 4, |
| Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 von Fig. 4, |
| Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie 8-8 von Fig. 4, |
| Fig. 9 einen Schnitt durch eine vorgeformte Dich- |
tungspackung aus orientierbarem Material, Fig. 10 einen Schnitt längs der Linie
10-10 von Fig. 9, Fig. 11 einen Schnitt ähnlich wie Fig. 9, jedoch nachdem das Packungsmaterial
kalt geprägt wurde, wobei die Richtung der Orientierungs- und Schichtbildung des
Werkstoffes erkennbar ist, Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie 12-12 von Fig.
11, Fig. 13 eine Wiedergabe der Fig. 9 und 11 in übereinandergelegter Darstellung,
um einen deutlichen Vergleich der relativen Größen und Formen zu verdeutlichen,
Fig. 14 einen Schnitt längs der Linie 14-14 von Fig. 13, Fig. 15 eine Teilansicht
des in Fig.7 gezeigten Gehäuses, wobei die Packung von Fig. 11 und 12 anfänglich
eingesetzt ist, Fig. 16 einen Schnitt entsprechend Fig. 15 mit der Packung nach
dem Formungsvorgang, Fig. 17 eine vergrößerte Darstellung einer der in Fig. 16 abgebildeten
Rippen mit der dazugehörigen Packung, wobei die Hochdruckbezirke mit größerer Orientierung
und die Bezirke unter verringertem Druck mit geringerer Orientierung wiedergegeben
sind, Fig.18 eine vergrößerte schematische Ansicht, welche die kristalline Struktur
eines Werkstückes wiedergibt, welches vorzugsweise für die Packung verwendet wird,
Fig. 19 eine vergrößerte Ansicht, welche die fasrige Struktur des in Fig. 18 wiedergegebenen
Werkstoffes in orientierter Lage wiedergibt, Fig. 20 eine perspektivische Ansicht
einer Packung, wobei die Bereiche der maximalen Orientierung und Zwischenbereiche
geringerer Orientierung wiedergegeben sind, und Fig. 21 einen Schnitt, welcher die
Art und Weise wiedergibt, in welcher ein Absperrhahn erfindungsgemäß hergestellt
werden kann.
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Der Hahn 30 besteht aus einem Gehäuse 32 mit Durchflußbohrungen 34
und ist mit einer zylindrischen oder konischen Bohrung 36 versehen, welche die Bohrungen
34 schneidet. Mit 38 ist ein Küken bezeichnet, welches vorzugsweise aber nicht unbedingt
stumpfkonisch ausgebildet ist und die Bohrung 40 hat. Am Spindelschaft 42 sind Flächen
44 zum Anbringen eines Bedienungshebels 46 vorgesehen. Eine Packung 50 aus orientierbarem
Werkstoff ist zwischen den benachbarten Flächen des Kükens 38 und der Bohrung 36
des Gehäuses angebracht. Eine Dichtmembran 52 liegt zwischen dem Gehäuse 32 und
einer Abdeckplatte 54, die am Gehäuse mittels Bolzen 56 und Muttern 58 befestigt
ist. Eine Stopfbüchse 60 ist in die Abdeckplatte 54 eingeschraubt.
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Die vorliegende Erfindung ist verständlicherweise jedoch nicht auf
eine derartige Ausführungsform eines Hahnes beschränkt, noch bezieht sie sich auf
die besonderen Ausbildungsformen der Dichtmembran, der Abdeckplatte und der Stopfbüchse
60; diese Anordnungen sind nur beispielsweise wiedergegeben.
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In den Fig. 4, 5 und 7 sind durchgehende Rippen mit 62 bezeichnet,
welche die Durchflußbohrungen 34 vollständig umgeben. Weitere Rippen 64 und 64a
erstrecken sich oberhalb und unterhalb der Durchflußbohrungen zwischen den Rippen
62.
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Mit dem Bezugszeichen 66 sind die Verbindungsbereiche der Rippen 62
und 64 und mit 66a diejenigen der Rippen 62 und 64 a bezeichnet. Mit 68 und 68a
sind senkrechte Rippen gekennzeichnet, welche eine weitere Sperrung der Packung
50 gegen Drehung bewirken und welche ein Verkanten des Kükens gegenüber dem Gehäuse
verhindern.
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Vorsprünge 70 und 72 erstrecken sich vom Boden der Bohrung des Halingehäuses
nach innen und oben und bilden einen Sitz für das Küken.
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Mit den Bezugszeichen 74 und 74a sind Vertiefungen bezeichnet, welche
oberhalb der Rippe 64 und unterhalb der Rippe 64 a liegen. Eine weitere Vertiefung
76 liegt zwischen den Rippen 62, 64 und 64 a. Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform
der Erfindung sind die inneren Enden der Durchflußbohrungen 34 mit Bereichen vergrößerten
Durchmessers versehen, welche in den Fig. 4, 5, 7, 15, 16 und 17 mit den Bezugszeichen
78 versehen und beispielsweise abgeschrägt sind.
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Die Packung 50 soll aus Material, das eine selbstschmierende Wirkung
zeigt, bestehen. Es soll aber auch federnd und elastisch wie Gummi sein, wenn es
unter Belastung deformiert wird, damit es bei einer Kaltbearbeitung einen Verfestigungseffekt
oder eine Orientierung in den Bereichen zeigt, wo eine derartige Verfestigung erwünscht
ist. Das verwendete Material soll weiterhin einen geringen Reibungskoeffizient aufweisen.
Bei Verwendung des Absperrhahnes in Lösungsmittel und andere Chemikalien führenden
Leitungen ist es zweckmäßig, daß das Packungsmaterial widerstandsfähig ist und nicht
korrodiert. Weiterhin soll der Werkstoff, aus dem die Packung hergestellt wird,
innerhalb eines großen Bereiches temperatur-und druckbeständig sein.
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Als Packungsmaterial werden vorzugsweise Polyäthylene und insbesondere
halogenierte Äthylene verwendet, welche eine hervorragende Widerstandsfähigkeit
gegenüber korrodierenden Stoffen und Lösungsmitteln aufweisen und welche einen besonders
niedrigen Reibungskoeffizienten haben.
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Polytetrafluoräthylen (Teflon) ist beispielsweise ein zweckmäßiger
Werkstoff. Es hat jedoch einen verhältnismäßig großen linearen Wärmeausdehnungskoeffizient.
Außerdem erleidet es bei großen Drücken eine ständige Deformation. Aus diesem Grunde
ist es erwünscht, die Vertiefungen 74, 74a, 78 und 76 vorzusehen, in welche es sich
ausdehnen kann, wenn Temperatur- und/oder Druckwechsel auftreten.
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Teflon ist jedoch einer der zahlreichen plastischen Werkstoffe, die
zu dem orientierbaren Material gehören. Durch Kaltbearbeitung wird die Widerstandsfähigkeit
gegen Kaltfließen unter Druck erheblich verstärkt. Außerdem haben orientierbare
Werkstoffe ein »plastisches Erinnerungsvermögen«, das bedeutet,
daß
ein Werkstoff nach seiner Verformung das Bestreben hat, seine ursprüngliche Gestalt
wieder anzunehmen.
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Diese Eigenschaften des Teflons werden bei der Packung nach der Erfindung
ausgenutzt. Die Packung 50 hat anfangs die in Fig. 9 und 10 gezeigte Form. Die Packung
wird durch Erwärmen auf 375° C, welches 3 Stunden durchgeführt wird, gesintert oder
gehärtet. Danach läßt man das Material abkühlen. Anschließend erfolgt eine Kaltverformung,
um den Außendurchmesser zu verringern und um den Querschnittsbereich um etwa 30
bis 5011/o bei entsprechender Längenzunahme zu verkleinern (Fig. 11 und 12). In
diesem Zustand ist die Packung so bemessen, daß noch eine wesentliche, zusätzliche
Querschnittsverringerung notwendig ist, wenn man sie, wie in Fig. 15 gezeigt, in
das Gehäuse des Hahns hineinpreßt. Eine nachfolgende Vergrößerung des inneren und
äußeren Durchmessers wird mittels eines Verformungsstößels durchgeführt. Dieser
Arbeitsvorgang bewirkt eine zusätzliche Orientierung in den Rippenbereichen Q, wie
es in den Fig. 16 und 17 wiedergegeben ist, indem der Querschnitt dieser Bereiche
wiederum um etwa 25% verringert wird. Dieser Vorgang bewirkt ebenfalls, daß die
Zwischenbereiche R sich ausdehnen und mit den Kanten der Rippen 62, 64, 64
a, 66, 66 a, 68 und 68 a in Sperreingriff gelangen. Eine derartige
Ausdehnung füllt jedoch die Vertiefungen nicht vollständig, wie es bei 76 in den
Fig. 15, 16 und 17 gezeichnet ist. Wird ein derart ausgebildeter Hahn erwärmt oder
abgekühlt, so bewirken diese Sperrbezirke der Pakkung eine weitere Dichtung durch
Ausdehnen oder Zusammenziehen gegen die Kanten der Rippen.
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In Fig. 20 ist eine orientierte Packung wiedergegeben, wie sie in
einem Absperrhahn vorhanden ist. Der übersichtlichkeit wegen sind die verschiedenen
aufeinanderpassenden Bereiche der Packung mit Bezugszeichen versehen, die um die
Nummer 100 größer sind als die Bezugszeichen, welche die entsprechenden passenden
Teile des Gehäuses bezeichnen. Die stark komprimierten Bezirke 162, 164, 164a,
166, 166a,
168 und 168a sind Gebiete mit verhältnismäßig großer
Orientierung, während die Bezirke 174, 174a,
176 und der abgeschrägte Bereich
178 eine verhältnismäßig kleine Orientierung aufweist.
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Zum besseren Verständnis der durch die Erfindung gelösten Aufgabe
dienen die folgenden Ausführungen über die Eigenschaften von Teflon: Teflon wird
als trockenes, flockiges Pulver geliefert. Es kann unverschnitten oder mit Füller,
wie beispielsweise Glasfaser, verwendet werden, welche die natürlichen physikalischen
Eigenschaften des Teflon verbessern. Das normale Verfahren zum Formen von Teflonteilen
besteht darin, daß das Pulver kalt in Metallformen zusammengepreßt wird, Das Werkstück
wird dann aus der Form genommen und für bestimmte Zeitdauer bei etwa 375° C erwärmt.
Die Erwärmungszeit hängt von der Größe und Form des gewünschten Werkstückes ab.
Die aus dem Ofen entfernten, heißgesinterten Teile können langsam bei Zimmertemperatur
abgekühlt werden; sie können aber auch schnell in Wasser oder einem anderen zweckmäßigen
Mittel abgeschreckt werden. Weiterhin können sie in der Vorverformungsform heiß
geprägt werden. Werkstücke, welche langsam abkühlen, haben eine verhältnismäßig
grobkörnige kristalline Struktur. Abgeschreckte Werkstücke sind dagegen sehr viel
feinkörniger. Wenn man derartige Teile in einer kalten Metallform heiß prägt, so
entsteht an der Oberfläche der kalten Metallform ein Abschrecken. Die Werkstücke
können zur genauen Maßgebung entweder durch Heißprägen nachbearbeitet werden, sie
können aber auch in der Prägeform langsam abkühlen und anschließend kalt geprägt
werden. Während des Prägens ist es manchmal erwünscht, eine Querschnittsverringerung
durchzuführen, um die physikalischen Eigenschaften des Teflons zu verbessern. Teflon,
welches druckverformt wurde, hat die Neigung zu laminaren Strukturen. Die Schichtebenen
verlaufen senkrecht zur Achse der Richtung der Preßkraft. Bei orientiertem, geformten,
reinem Teflon ist die Biegefestigkeit in Richtung der Preßkraft etwa 105 kg/cm2,
während sie in einer um 90° verschobenen Richtung etwa 210 kg/cm2 beträgt.
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Das Orientieren oder Kaltbearbeiten von Teflon ergibt ein Pressen
und Verlängern der Kristalle zu einer fasrigen Struktur, deren Biegefestigkeit in
der Bearbeitungsrichtung erheblich vergrößert wird. Das Material ist also quer zu
der Richtung der Querschnittsverringerung verfestigt. Die Biegefestigkeit kann durch
Kaltbearbeitung bis zu 1050 kg/cm2 gesteigert werden. Außerdem wird die Steifheit
des Materials ebenfalls durch Kaltbearbeitung erhöht.
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Teflon hat ein »plastisches Erinnerungsvermögen» an seine gesinterte,
unbearbeitete Form. Es kann durch aufeinanderfolgende Arbeitsvorgänge oder durch
den Gebrauch innerhalb seiner elastischen Grenzen deformiert werden, um dann immer
noch in seine ursprüngliche gesinterte Form zurückgebracht zu werden, indem man
es bei 375° C noch einmal sintert. Man kann dieses Material auch so behandeln, daß
es nur teilweise in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, wenn man es auf Temperaturen
erhitzt, die niedriger als die Sintertemperatur sind. Die Rückbildung zu gering
orientiertem Teflon (5 bis 15 % Querschnittsverringerung) beginnt bei Temperaturen
oberhalb 230° C. Ein Teflon mit mittlerer Orientierung (15 bis 35% Querschnittsverringerung)
beginnt zwischen 145 und 230° C in seinen alten Zustand zurückzugehen. Gänzlich
orientiertes Teflon hat bei jedem Temperaturanstieg ein gewisses Vermögen, die frühere
Form anzunehmen. Das Ausmaß dieses Rückkehrvermögens ist eine Funktion des Temperaturanstieges
undloder der Zeitdauer, bei welcher das Teflon dieser Temperatur ausgesetzt ist.
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Die Orientierung von Teflon ruft eine Verringerung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
in Richtung der Orientierung bei Erwärmung hervor, während er bei Abkühlung vergrößert
wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung werden die Eigenschaften alle benutzt,
welche durch das Verformen, Abschrecken und Kaltbearbeiten erzielt werden; sie sind
notwendig für die beste Arbeitsweise der Absperrhähne unter den verschiedensten
Arbeitsbedingungen.
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Die Wirkungsweise dieser Bearbeitung ist in den Zeichnungen gezeigt.
In ihnen geben Fig. 9 und 10 Schnitte durch eine vorgeformte Packung 50 wieder,
die für einen einzölligen Absperrhahn benutzt werden kann. Fig. 1.1 und 12 zeigen
Schnitte durch eine kaltbearbeitete Packung für einen einzölligen Absperrhahn, wobei
die Richtung der Orientierung und die Schichtbildung des Teflons wiedergegeben ist.
Fig. 13 und 14 zeigen Schnitte einer vorgeformten und einer geprägten Packung, welche
beide übereinandergelegt gezeichnet sind, um deren relative Größe und Form
zu
verdeutlichen. Offensichtlich ruft das plastische Erinnerungsvermögen der endbearbeiteten
Packung das Bestreben zum Zurückkehren in den ursprünglichen Zustand hervor, wobei
diese Packung kürzer und dicker wird und sich bezüglich ihres äußeren und inneren
Durchmessers ausdehnt.
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Fig. 15 ist ein Schnitt durch einen einzölligen Absperrhahn, welcher
durch die Mittellinie der Durchflußbohrungen gelegt ist, wobei die Packung sich
in ihrer Stellung befindet, jedoch noch nicht nachträglich verformt ist; dies zeigt
Fig. 16, dort ist die Packung durch einen weiteren Verformungsvorgang an ihrem Ort
ausgedehnt worden. Fig. 17 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 16. Fig.
18 ist eine vergrößerte Ansicht der kristallinen Struktur von nicht orientiertem
Teflon, während in Fig. 19 die fasrige Struktur des orientierten Teflons wiedergegeben
ist. Mit G ist die Richtung der Querschnittsverringerung und seit H ist die der
Querschnittsverlängerung bezeichnet.
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Die in Fig. 9 und 10 gezeigte Vorform wird vorzugsweise in einer Form
hergestellt, deren Vertiefung und Stempel beide konisch ausgebildet sind, um eine
seitliche Kompression des Pulvers zu gestatten. Dadurch wird das Werkstück schichtartig
ausgebildet, wobei die Schichten radial von der Mittelachse verlaufen. Werkstücke
aus reinem Teflon werden bei Drücken von 105 bis 210 kg/cm2 vorgeformt. Werkstücke
aus verstärktem Teflon benötigen Drücke bis zu 1050 kg(cm'- oder sogar noch höhere
Drücke, damit nicht poröse Teile mit ungleichmäßiger Dichte erhalten werden. Die
vorzugsweise benutzte Schrägung in der Vorform liegt bei der vorliegenden Erfindung
zwischen 4 und 8° für die Außenflächen und zwischen 2 und 6@ für die Innenflächen.
Die relative Neigung zwischen beiden liegt zwischen 11/Z und 21/2. Andere relative
Neigungen können für endbearbeitete Werkstücke mit unterschiedlichen Neigungen verwendet
werden.
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Nach dem Preßvorgang wird die Vorform aus der Form genommen und 3
Stunden oder länger auf 375° C erwärmt, um dann anschließend von dieser Temperatur
auf Zimmertemperatur abgeschreckt zu werden.
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In Fig. 11 und 12 ist die geprägte Packung vorzugsweise in einer Form
gebildet, welche die Abschrägung der Vorform umkehrt, so daß ein radialer Preßdruck
auf die gesinterte Vorform erhalten wird und damit auf diese Weise die dem Werkstück
innewohnende Rückfederungskraft kompensiert wird. Dadurch wird ein Werkstück erhalten,
welches an der Außenseite zylindrisch ist und an jeder Innenseite eine Neigung von
2-' aufweist.
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Der Außendurchmesser der geprägten Packung ist vorzugsweise etwa 1,3
mm größer als die Bohrung des Hahngehäuses, in welche die Packung eingesetzt wird.
Der Innendurchmesser entspricht vorzugsweise dem Durchmesser des benutzten Kükens
oder er ist etwas geringer.
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In Fig. 15 wird die Packung in. den Körper des Hahns eingepreßt, wobei
sowohl Innen- wie Außendurchmesser verringert wird: hierbei bleibt zwischen dem
Außendurchmesser der Packung und den Vertiefungen im Gehäuse ein Abstand von etwa
1,6 mm.
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In den Fig. 16 und 17 ist die Packung nach ihrem Einsetzen gezeigt.
Dieses Einsetzen erfolgt durch Einpressen eines schräg geformten Formstopfens. Dieser
Stopfen ist nicht abgebildet. Beim Einpressen in die Bohrung preßt er die Packung
auseinander, welche so teilweise die Vertiefungen 76 und die Abschrägung 78 anfüllt.
Dieser Arbeitsgang dient zur weiteren Orientierung der Packung in ihren Bereichen
Q zwischen den Rippen 62 und dem Küken 38. Durch diesen Vorgang wird die Packung
auch in die Abschrägung 78 hineingepreßt und läuft somit um die öffnung 34, so daß
auch hier eine zusätzliche Dichtung um diese bewirkt wird.
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Um zu verstehen, wie derartig geformte Packungen in die Ausdehnungsbereiche
der Absperrhähne hineinpassen, müssen die Eigenschaften des reinen Tef-Ions sowie
des mit Füllstoffen versetzten Teflons genauer beschrieben werden; außerdem muß
erwähnt werden, wie diese Eigenschaften durch das Pressen und Kaltbearbeiten beeinflußt
werden.
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Die Verwendung von reinem Teflon ist gegenüber der von Teflon mit
Füllstoffen aus vielen Gründen erwünscht. Reines Teflon ist innerhalb eines großen
Temperaturbereiches chemisch inert und hat einen äußerst niedrigen Reibungskoeffizienten.
Unorientiertes, reines Teflon hat jedoch einen großen Wärmeausdehnungskoeffizient
und ist gegen Kaltfließen verhältnismäßig wenig widerstandsfähig. Beispielsweise
wird reines Teflon bei 50° C und bei einer statischen Belastung von 84kg/cm2 um
etwa 4 bis 8% anhaltend verformt. Bei. einer Belastung von 1.70 kg/cm2 wird eine
Deformation in einer Größenordnung von etwa 25% erzielt. Diese Deformation wird
jedoch nicht größer, sofern man nicht Temperatur oder Belastung steigert. Somit
kann also ein Werkstück aus Teflon, welches bei einem Druck von 170 kg/em2 orientiert
wurde und eine Querschnittsverringerung von 25% aufweist, ohne weiteres bis zu einem
derartigen Druck verwendet werden, ohne daß weitere Änderungen der Abmessungen zu
befürchten sind.
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Es ist bekannt, gepreßtes Teflon mit Füllstoffen zu verwenden. Dadurch
wird der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient verringert, der Widerstand gegen Kaltfließen
und die Steifheit vergrößert. Die Füllstoffe rufen jedoch noch andere, nicht erwünschte
Eigenschaften hervor. Einmal wird der Reibungskoeffizient vergrößert und zweitens
müssen zur Herstellung dichter, nicht poröser Formkörper erheblich größere Preßdrücke
aufgewandt werden. Außerdem werden viele Füller von Chemikalien angegriffen. Kohlenstoff,
Graphit, Kupferpulver und andere leitende Füllstoffe können eine elektrolytische
Korrosion der aufeinanderliegenden Werkstoffteile erzeugen. In anderen Fällen können
die Füllstoffe selbst die durchlaufende Lösung verunreinigen, indem sie entweder
von der Teflonhauptmasse mechanisch losgelöst oder chemisch angegriffen werden.
Dies ist beispielsweise bei Calciumfluoridfüllem in Gegenwart von Schwefelsäure
der Fall; durch Reaktion beider Stoffe wird Flußsäure in Freiheit gesetzt und in
die durch den Hahn strömende Flüssigkeit abgegeben. Bei Verwendung einiger bevorzugter
Füllstoffe, beispielsweise bei Glasfasern, wird das Preßpulver noch flockiger. Dadurch
wird es aber notwendig, daß erheblich größere Aufgabekammern in den Vorformen benötigt
werden.
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So hat beispielsweise reines Teflon einen Schüttfaktor von 4-1. Das
bedeutet, daß die Aufgabekammer etwa dreimal so groß sein muß wie das fertige Werkstück.
Teflon mit einem Füllstoffanteil von 15010 Glasfasern hat jedoch einen Schüttfaktor
von etwa 7,5-1, so daß deshalb die Aufgabekammer doppelt
so groß
sein muß wie bei reinem Teflon. Dadurch werden die Formen nicht nur kostspieliger,
sondern es wird auch ein längerer Hub des Preßstempels notwendig, um die gleichen
Ergebnisse zu erhalten. Ein derartiges mit Glasfüllstoffen versetztes Teflonpulver
benötigt außerdem eine Kompression von mindestens 100 kg/cm2, um dichte und nicht
poröse Werkstücke zu erhalten. Demzufolge muß man in vielen Fällen eine größer dimensionierte
Presse verwenden, um Werkstücke mit gleichen Abmessungen zu erhalten, die sonst
mit kleineren Pressen bei reinem Teflon hergestellt werden können.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren könnte Teflon mit Füllstoffen
hauptsächlich deswegen benutzt werden, um die Deformation unter Belastung zu verringern
und um den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Teflons zu verkleinern. Die
gleichen Ergebnisse können jedoch praktisch dadurch erzielt werden, daß reines Teflon
einer Orientierung unterworfen wird.
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Das Abdichten gegen einen Flüssigkeitsdurchtritt ist eine Funktion
des Gesamtdruckes auf der gesamten Dichtfläche. Die zum Drehen eines Kükens benötigte
Drehkraft ist eine Funktion des auf die Dichtfläche ausgeübten Druckes und des Reibungskoeffizienten.
Reines Teflon hat einen niedrigen Reibungskoeffizient. Es ist bekannt, daß der Zusatz
von Füllstoffen diesen Reibungskoeffizient erheblich anwachsen läßt, besonders unter
wachsender Belastung. Für -die Verwendung bei niedrigen Drücken und niedrigen Temperaturen
können ausreichende Packungen aus reinem Teflon bei einem Minimum von Kaltbearbeitung
hergestellt werden. Dieses reicht für Absperrhähne aus, welche mit geringer Drehkraft
bedient werden können und bei welchen die Gefahr einer Verunreinigung oder Korrosion
gering-ist. Absperrhähne mit Packungen aus unorientiertem Teflon können bei Drücken
bis zu 10,5 kg/cm2 und in Temperaturbereichen in der Größenordnung von 65° C ohne
Schwierigkeiten benutzt werden.
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Packungen aus unorientiertem Teflon mit 15% Glasfüllern können sogar
in Temperaturbereichen bis zu 90° C benutzt werden. Jedoch benötigen Packungen aus
reinem Teflon, welches durch Querschnittsverringerung von etwa 25 % orientiert ist
und welches bei Temperaturen von 90° C zufriedenstellend benutzt werden kann, erheblich
weniger Drehkraft zur Bedienung des Absperrhahnes, als es etwa bei Packungen mit
Glasfüllern der Fall ist.
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Packungen mit Glasfüllern, die durch 25%ige Querschnittsverringerung
orientiert sind, können sogar in Temperaturbereichen von etwa 120° C benutzt werden.
Reine Teflonpackungen, welche durch eine 50%ige Querschnittsverringerung orientiert
sind, können bei diesen Temperaturen mit erheblich geringer Drehkraft zur Betätigung
des Kükens verwendet werden. Höhere Drücke und Temperaturen können sowohl mit reinem
Teflon wie auch mit Füllstoff versetztem Teflon bewältigt werden, wenn es eine entsprechend
größere Querschnittsverringerung aufweist.
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Im folgenden wird eine Tabelle mit den Abmessungen einer Packung wiedergegeben,
die nach der Erfindung hergestellt wurde. Es handelt sich um eine Teflonpackung,
welche bei einem einzölligen Absperrhahn bei Temperaturen zwischen 15 und 150° C
benutzt werden kann. Die Abmessungen der Packung bei den einzelnen Verfahrensschritten
des Pressens und Einsetzens sind ebenfalls aufgeführt. Absperrhähne, welche Teflon
mit 15% Glasfüllstoffen aufweisen und auf die gleiche Art und Weise hergestellt
worden sind, können in Temperaturbereichen zwischen 15 und 175° C benutzt werden,
benötigen jedoch eine doppelt so große Drehkraft zur Betätigung des Kükens.
| Abmessungen an der Mittellinie der Packung |
| Äußerer Innerer Verringerung Figur Durchmesser Durchmesser
erringerung |
| Wandstärke Länge gegenüber |
| der Vorform |
| in mm in mm in mm in mm in % |
| Vorformen .......... 9,10 I 58,42 I 45,72 I 6,35 I 38,10
I - |
| Abschrecken . . . . . . . . . Abschrecken von 375° C in Wasser |
| Prägen . . . . . . . .. . . . . . 11,12 f 52,07 I 42,67 I 4,70
52,40 33 |
| Einpressen .......... 15 50,80 41,40 4,70 52,78 35 |
| 16, 17 |
| 52,32 42,67 4,85 53,19 31 |
| Nachpressen . . . , . . . , Reliefbereiche 76 |
| 16, 17 50,80 42,67 4,07 53,19 43 |
| Rippen 62 |
Zusammenfassend ist zu sagen, daß einfache und sehr wirksame Mittel geschaffen wurden,
um einen Absperrhahn herzustellen, welcher bei der relativen Bewegung zwischen Küken
und Hahn ein Minimum an Drehkraft erfordert und bei welchem weiterhin Mittel vorhanden
sind, welche innerhalb oder zwischen dem Küken und der Bohrung des Hahngehäuses
vorgesehen sind, um eine festigkeitsdichte Anpassung zu bewirken, und welche innerhalb
eines großen Temperaturbereichs und bei den verschiedensten Drücken und Unterdrücken
wirksam ist. Es muß weiter bemerkt werden, daß die Mittel verwendet wurden, durch
welche ein großer Dichtdruck um die Strömungsmitteldurchflußbohrungen des Absperrhahnes
bewirkt wird und somit die Packung gegenüber dem Küken und Gehäuse an seiner Stelle
hält und sichert.
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Es muß weiterhin bemerkt werden, daß die Pakkung aus der beschriebenen
Vorrichtung ohne weiteres leicht entfernt und ersetzt werden kann, falls sie
beschädigt
wird, ohne daß eine kostspielige weitere Bearbeitung oder ein teures Einschleifen
notwendig ist.
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Der Absperrhahn benötigt keine Schmiermittel oder eine Stopfbüchse,
so daß die Gefahr einer Verunreinigung des durchströmenden Mediums auf ein Minimum
verringert wird.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht nur bei Absperrhähnen
mit geradlinigen Durchflußleitungen oder bei solchen mit nur zwei Leitungen, wie
sie in Fig. 2 wiedergegeben sind, anwendbar. Vielmehr kann sie bei jeder Art von
Absperrhähnen, wie beispielsweise Mehrwegehähnen, vorgesehen werden. Es mag verständlicherweise
in gewissen Fällen erwünscht sein, die Packung an dem einen oder dem anderen aufliegenden
Teil zu befestigen, beispielsweise an dem Küken oder Hahn oder auch an beiden. Dieses
kann durch Anlöten oder mittels Klebstoffen durchgeführt werden. Die Erfindung umfaßt
auch den Gebrauch von Packungen, welche aus Werkstoffen hergestellt sind, die einen
geringeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben als die anliegenden Teile;
genausogut kann der Werkstoff auch einen höheren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
haben.
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Selbstverständlich kann die vorliegende Packung auch am Küken befestigt
sein und von diesem getragen werden, genausogut wie von dem Gehäuse, wie gezeichnet.
Es können auch zwei Packungen benutzt werden, von denen die eine an dem Küken befestigt
ist und mit diesem bewegt wird, während die andere an dem Gehäuse befestigt ist
und von diesem gehalten wird.
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Es muß bemerkt werden, daß das Bezugszeichen 50 in Fig. 21 allgemein
eine Packung bezeichnet, welche so ausgebildet ist, wie die in Fig. 20 gezeigte
Packung. Außerhalb dieser Packung ist in Fig. 21 das Material wiedergegeben, welches
das Gehäuse des Absperrhahns bildet; dieses ist beispielsweise durch Rippen
64 und 64a fest mit der Packung verbunden. Dieses Gehäuse kann aus formbarem
Material bestehen, beispielsweise aus Monochlortrifluoräthylen.
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Selbstverständlich sind zahlreiche Abänderungen und Abwandlungen der
Einzelheiten möglich.