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Die Erfindung betrifft einen Kugelhahn mit regelbarer Durohflussmenge
und automatischer Regelung.
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Bekanntlich besitzt ein Kugelhahn ein Verschlussglied, welches durch:
einen sphärischen Teil gebildet wird, welcher einen Diametralkanal enthält und zwischen
zwei nachgiebigen Dichtungsringen um eine zu der Achse des Kanals senkrechte Achse
drehbar ist.
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Ein derartiger Hahn, welcher infolge der grossen Einfachheit seiner
Herstellung und seines Zusammenbaus sehr vorteilhaft ist, besitzt den Nachteil,
nur zwei in senkrechten Ebenen liegende Arbeitsstellungen zu besitzen. Eine derselben.
entspricht
der Schliessung und die andere der vollständigen Öffnung. Die Zwischenstellungen
zerstören nämlich schnell die Sitze des sphärischen Teils.
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Dieser Nachteil wurde-dadurch überwunden, dass der sphärische Teil
zwischen zwei nachgiebigen Metalldichtungen angeordnet wurde. Die Besonderheiten
dieser Ausführung sind in dem deutschen Patent ..... {Patentanmeldung Nr. G 50.548
%II/47g vom 4. Juli 1967)A des Aasmelders beschrieben. ' Eine Ausführung gemäss
dieser Patentschrift gestattet ferner die Herstellung eines derartigen Hahns, welcher
eine regelbare Öffnung hat und tadellos dicht ist, wobei die grosse Leichtigkeit
seines Zusammenbaus und Auseinanderbaus beibehalten bleibt.
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Bei einer anderen Ausführung wird eine Regelung der Durchflussmenge
des Kugelhahns dadurch erzielt, dass er mit einer Regelklappe versehen ist, welche
in dem Diametralkanal des sphärischen Teils schwenkbar ist und durch einen in der
Betätigungswelle dieses sphärischen Teils untergebrachten Stab betätigt wird. Auf
diese Weise ist bei--Uberf'ührung des sphärischen Yerschlussgliedes in die Öffnungsstellung
die Durchflussmenge des Hahns durch die Drehklappe bestimmt. Die Besonderheiten
dieses Systeme sind in der-am 29. April 1966
mit dem Titel "Robinet ä Boule de debit reglable" des Aasmelders eingereichten französischen
Patentschrift Nr. 1.498.325 beschrieben, welche ausserdem eine-selbsttätige Steuerung
der-Regelung der Durchflussmenge mittels einer hydraulischen, pneumatischen, elektropneumatischen
oder elektrischen Vorrichtung.vorsieht.
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Die Erfindung bezweckt, die Regelmöglichkeiten der Kugelhähne dadurch
zu vergrössern, dass sie insbes. ihre
automatische Betätigung durch
einen Stellmotor zur Erzielung einer Regelung der Durchflussmeng;e gestatten.
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Der erfindungsgemässe-Kugelhahn mit regelbarer Durchflussmenge und
selbsttätiger Regelung mit einem Körper, welcher das sphärische Verschlussgliedenthält
und die Regelvorrichtung trägt, ist dadurch gekennzeichnet,- dass diese Vorrichtung
in an sich bekannter Weise einen pneumatischen Topf mit einer elastischen Membran
aufweist, welche unter der Wirkung eines Betätigungsdruckmittels die Verschiebung
eines Druckstücks bewirkt, welches in einer Buchse gleitet, welche fest mit dem
Betätigungsstab zur Verdrehung' ein es Verschlussorgans verbunden ist, wobei eine
schraubenförmige Verbindung zwischeaä dem Druckstück und dem Betätigungsstab des
Verschlussorgans hergestellt ist. Die Verschiebung-der Membran kann so in eine Drehung
des Verschlussorgans umgewandelt- werden.
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' Die Vorrichtung zur automatischen Steuerung der Durchflussmenge
des so ausgebildeten Kugelhahns ist dadurch bemerkenswert' dass die geradlinige
Bewegung geringer Amplitude des Druckstücks genügt, um das Verschlussorgan aus der
Schliessungestellung in die Stellung der vollständigen Öffnung überzuführen, oder
umgekehrt:. Diese geradlinige Bewegung, welche innig `an die Verstellungen der Membran
des pneumatischen Topfs gebunden ist, passt die D.urchflussmenge jederzeit dem Bedarf
an.
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Die schraubenförmige Verbindung zwischen dem Druckstück und dem Stab
zur Verdrehung des gersehlussorgans Weist vorzugsweise Stifte auf, welche von dem
Druckstück getragen werden und in schraubenförmige Kurvenbahnen der Buchse eingreifen,
weiche an dem Betätigungsstab des Verschlussorgans lÖsbar befestimt ist.
Man
kann so eine Buchse anbringen, welche den;-Betriebsbedingungen des Hahns angepasste
Kurvenbahnen trägt-, - welche z.B. eine langsame stetige Öffnung oder im Gegenteil
eine schnelle Öffnung erzeugen.
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Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das-Verschlusäorgan
unmittelbar durch den sphärischen Teil des Hahns gebildet. Bei einer zweiten Ausführung
ist das- Ver-. Schlussorgan eine =in diesem sphärischen Teil untergebrachte Drehklappe,
was die Herstellung eines
mit zwei unabhängigen Betätigungen. .gestattet, von denen die eine für .die Offnüng
oder die Schliessung und die andere für die Regelung der Durchflussmenge bestimmt
ist.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber
erläutert. -Fig. 1 ist eine axial geschnittene Seitenansicht des erfindungsgemässen-Kugelhahns
mit einfacher Betätigung. Fix. 2 ,ist eine teilweise geschnittene auseinandergezogene
Ansicht des Verbindungssystems zwischen dem Druckstück und der Buchse in grösserem-Maßstab.
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- Fig. 3 ist eine der Fig. 1 entsprechende axial geschnittene Teilansicht
eines Kugelhahns mit doppelter Betätigung.
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. Fig. ¢ ist eine teilweise längs der Linie IV-If der Fig. 3 geschnittene
Seitenansicht des Arbeitszylinders zur automatischen Betätigung des sphärischen
Verschlussgliedes.
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Fig. 5 ist'-eine längs der Linie V-V der Pig. 3 geschnittene Draufsicht
der Verschlussglieder.
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Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten ersten . AusfUhrungsförm des
Kugelhahns besitzt dieser eine einfache
Betätigung, wobei das sphärische
Verschlussorgan so eingebaut ist, dass es eine beliebige Stellung zwischen der Öffnung
und der Schliessung einnehmen kann.
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- In Fig. 1 und 2 sieht man den zylindrischen Körper 1 des Hahns,
welcher mit einem Verbindungsstück 2 vorsehen ist, an welchem ein Gestell 3 mit
zwei Ständern 2:0 befestigt ist, über welchen ein pneumatischer Topf -4 liegt.
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Der zwischen den beiden Planschen 30 der Zeitung 31 eingespannte zylindrische
Körper 1 enthält ein sphärisches Verschlussglied 5 mit einem Durchmesserkanal 28.
Das Verschlussglied 5 wird sehwebend zwischen zwei ringförmigen Metalldichtungen
29 gehalten, welche ggfs. mit einem selbstschmierenden Werkstoff überzogen und-in
seitliche Ausnehmungen des Körpers 1 eingelassen sind, wobei sie sich auch an den
Planschon 30 gemäss einer in der genannten deutschen Patentschrift beschriebenen
Ausbildung abstützen.
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Die Vorrichtung zur Betätigung des sphärischen Verschlussgliedes 5
wird durch einen Betätigungsstab 6 gebildet, welcher durch eine Achse 7 verlängert
und fest mit einem Ring 8 und einer Buchse 9 mittels einer Überwurfmutter 10 verbunden.
ist. Der Betätigungsstab 6, welcher unten mit einer in einen Schlitz 27 des Verschlussgliedes
5 eingreifenden leiste 26 vorsehen ist, tritt durch den Körper 1 und sein Verbindungsstück
2 in einem Dichtungsring 38, welcher mitUs einer Stopfbuchse 25
festgezogen
ist und in eine Platte 24 ausläuft. Die Achse 7 besitzt an ihrem unteren mit Gewinde
versehenen Ende eine Nut 23, in welche die Platte 24 des Betätigungsstabes 6 eingreift.
Ah ihrem oberen Ende trägt die Achse 7 eine mit Gewinde versehene Verdickung
16 und ist zwischen Ringen 21' in,ei4em Bügel
17 drehbar
gelagert, welcher zwischen der mit Gewinde versehenen Verdickung 16 und- dien Muttern
22 angeordnet ist. Der =Bügel 17 ist mit dem Gestell 3 mittels seiner beiden Gewindebolzen
18
verbunden, welche je in eine hohle Achse 19 mit einer Gewindebohrung eingeschraubt
sind, welche von den Ständern 20 des . Gestells 3 getragen wird. Der Bügel 17 dient
gleichzeitig zum Halten und zur FÜhrung der Achse 7 zur Herstellung einer guten
Verbindung der Betätigungsvorrichtung des Verschlussgliedes mit dem oberen mit dem
pneumatischen Topf 4 verbundenen Teil. Die Einstellung der Achse 7 erfolgt durch
Querverschiebung des Bügels 17 mittels der hohlen Achsen 19.
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Die Buchse 9 ist mittels ihres Bundes 14 (Fig. 2) zwischen dem auf
dem Ende 15 der Achse 7 zentrierten Ring 8 und der auf die mit Gewinde versehene
Verdickung 16 der Achse 7 aufgeschraubten Mutter 10 eingespannt. Zur drehfesten
Verbindung der Achse 7 mit der Buchse 9 haben das Ende 15 und die innere Öffnung
des Ringes 8 einen quadratischen Querschnitt, ebenso wie der zwischen dem Bund 14
und dem Ring 8 liegende Abschnitt der Buchse . An ihrem oberen Teil trägt die Buchse
9 zwei Kurvenbahnen 13, welche auf gleichsinnigen Schrauben gleicher Ganghöhe verlaufen,
welche um eine halbe Ganghöhe
versetzt sind.
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. Die Drehbewegung der-Betätigungsvorrichtung des sphärischen Verschlussgliedes
5 wird durch die geradlinige Längsverschiebung des Druckstücks 11 des pneumatischen
Topfs 4 erzeugte welche die-Drehung der Buchse 9 infolge der von dein Druckstück
11 getragenen Stifte 12 bewirkt, welche in.die schraubenförmigen Kurvenbahnen 13
der Buchse 9 nach Art eines Bajonettverschlusses eingreifen.
Bei
der betrachteten Ausführung beträgt die Ganghöhe der schraubenförmigen Kurbenbahnen
13 das Vierfache der,Zänge der grössten Verschiebung des Druckstücks 11, wobei sich
diese Kurvenbahnen 13 auf der Seitenfläche der Buchse 9 so erstrecken, dass bei
der grössten Verschiebung'des Druckstücks 11 die Buchse um 90o verdreht wird. -Der
pneumatische Topf 4 ist in: an sich bekannter Weise in zwei dichte Kammern 32 und
33.durch yeine elastische Membran 34 unterteilt, welche einerseits unter der Einwirkung
einer Rückholfeder 35 und andererseits unter dem Gegendruck eines geeigneten Betätigungsdruckmittels
steht, welches d°---ch eine nicht dargestellte an einen Stutzen 80 angeschraubte
Zeitung zugefUhrt wird. Die Membran 34 ermöglicht die geradlinige Verschiebung des
Druckstücks 11--mittels eines an diesem befestigten Keils 36; Welcher in einer Muffe
81 des Gestells 3 gleitet.
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Das Arbeiten. cles Kugelhahns wird durchIdie Verschiebung der Membran
34-des pneumatischen Topfs 4 bestimmt, welche dem ver'änd-erlidhen Gegendruck des
an dem oberen Teil des Topfs 4 zugeführten Betätigungsdruckmittels ausgesetzt ist:
Das-Betätigungsdruckmittel ist vorzugsweise Druckluft.
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Bei dem kleinsten Wert des Gegendrucks wird . die Membran 34 des pneumatischen
Topfs 4 nicht verformt. Das Druckstück 11 wird durch die Wirkung der Rückholfeder
35 engehoben. In dieser Stellung ist z.B. das sphärische Verschlussglied.
5 vollständig geschlossen. Bei einer Zunahme des Wertes o des Gegendrucks verformt
sich die Membran 34, und das Druckstück 11 verschiebt eich nach unten, wobei es
dank der vorgesehenen schraubenförmigen Verbindung die Drehung der Buchse 9 und
somit die des sphärischen Verschlusegliedes 5 bewirkt,-welches sich
allmählich
öffnet. Die vollständige ƒffnung desselben ist hergestellt, wenn der Gegendruck
die grösste Verformung der Membran bewirkt hat.
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Die Öffnung des sphärisohen Verschlussgliedes 5 hängt also von dem
Gegendruck des Betätigungsdruckmittels ab und wird automatisch jederzeit durch die
Veränderung dieses Gegendrucks eingestellt.
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Gemäss einer bevorzugten Ausführung schwankt .der Gegendruck des Betätigungsdrugkmittels
zwischen 4-00 und 1200 g/cm2.
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Oben-war angenommen, dass das sphärische Verschlussglied 5 verschlossen
ist, wenn das Druckstück 11 angehoben ist. Man kann von dieser Stellung der Schliessung
bei fehlendem , Druck leicht auf die umgekehrte Stellung übergehen, d.h. die Öffnung
des Verschlussgliedes 5 bei fehlendem Druck, indem man die Mutter 10 löst,
die Buchse in Bezug auf die Achse 7 um 900 verdreht und hierauf die Mutter
10 wieder festzieht.
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Der Drehsinn der Buchse 9 ist-durch die Krümmung der Kurvenbahnen
13 bestimmt. Dieser Drehsinn wird umgekehrt, wenn man die Buchse 9 durch eine neue
Buchse ersetzt, welche mit Kurvenbahnen entgegengesetzter Krümmung versehen ist,
d.h. mit schraubenförmigen Kurvenbahnen mit Linksgewinde, wenn die vorhergehenden
Rechtsgewinde hatten.
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Die Kurvenbahnen 13 werden nicht unbedingt durch eine reine
Schraube gebildet. Ihr Profil kann gemäse einer beliebigen schraubenförmigen Kurve
entsprechend dem für den Hahn gewünschten Regelgesetz abgeändert werden. So kann
z.B4. diese Kurvenbahn zu Beginn fast lotrecht verlaufen und anschliessend schräger
werden, wenn eine zu Beginn sehr langsame Öffnung gewünscht wird.
Der
Kugelhahn, welcher vollständig dicht ist, ist sehr einfach herzustellen und einzubauen,
wobei der Einbau an einer beliebigen selbst schwer zugänglichen Stelle der-Zeitung
erfolgen kann.
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Hinsichtlich der Herstellung wird die automatische=Regelung durch
eine Vorrichtung mit kleinen Abmessungen erzielt, da nur ein geringer Hubdes Druckstücks
11 erforderlich ist,-um das sphärische Verschlussglied 5 aus der Schliessungsstellung
in die grösste Öffnungsstellung überzuführen, und umgekehrt. Ferner kann ein pneumatischer
Topf bestimmter Abmessungen infolge des gezngen Reibungskoeffizienten der,Kugel
5 in den Dichtungen 29"'in Hähne mit, verschiedenen Durchmessern eingebaut werden.
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Bei einer praktischen Ausführung der Erfindung konnte ein pneumatischer
Topf von 280 mm mit einem Hub des Druckstücks von etwa 20 mm in Hähne eingebaut
werden, deren Durchmesser zwischen 30 und 100 mm lagen.
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Die schraubenförmige Verbindung zwischen dem Stab 7 und dem Druckstück
11 ist vorgesehen, um den schnellen Ersatz der Buchse 9 zu ermöglichen, :z :B. zur
Änderung der Regelkennl.ine. Hierfür wird bei angehobenem Druckstück 11 die
Mutter 10 losgeschraubt und nach oben gleichzeitig mit der Buchse 9 verschoben.
Hierdurch kommt der Ring 8 von dem Ende 15 der Achse 7 frei und kann entfernt werden.
Nach Entfernung der Stifte 12 des Druckstücks 11 wird die Buchse 9 nach unten verschoben,
um durch eine neue Buchse ersetzt zu werden, welche dann dadurch befestigt wird,
dass der Ring 8 wieder eingesetzt und die Mutter 10 wieder festgezogen wird. Auf
diese Weise kann man jederzeit äusserst schnell die Buchse 9 durch eine andere ersetzen.,
welche
entsprechend den Betriebsbedingungen des Hahns eine gleiche
entgegengesetzte Krümmung oder eine andere Krümmung hat.
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Bei der zweiten in Pig.-3-bis 5 dargestellten Ausführungsform wird
der mit einer doppelten Regelung versehene Kugelhahn durch. einen dichten zylindrischen
Körper 41 gebildet, welcher zwischen zwei radial an diesem Körper 41 überstehenden
Flanschen 4? eingespannt ist.
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Der Körper 41 enthält ein -sphärisches Ver= schlussglied 43, welches
schwebend durch z.B. aus Polytetrafluoräthylen bestehende, in seitliche Ringe 50
eingelassene Dichtungen 49 gehalten wird. Das Verschlussglied 43 kann dann. nur
zwei Stellungen-(Öffnung-Schliessung) einnehmen. Es enthält einen Dtametralkanal-48,
in welchem in seinem mittleren Abschnitt eine Drehklappe angeordnet ist, welche
durch eine Scheibe 44 gebildet wird, welche in dem Kanal 48 frei drehbar ist und,
wenn sie senkrecht zu der Achse dieses Kanals liegt, praktisch mit den.Wänden desselben
in Berührung kommt.
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Ein pneumatischer Arbeitszylinder 60 bekannter Bauart (Fig: 4), welcher
an dem Verbindungsstück 42 des zylindrischen Körpers 41 durch durch Zwischenstücke
51 tretende Bolzen 52 befest=igt ist, ist zwischen diesem Verbindungsstück 42 und
dem den pneumatischen Topf 4 der vorhergehenden AusfÜhrung tragenden Gestell: 3
angeordnet.-Die Betätigung des sphärischen Versehlussgliedes 43 erfolgt durch die
Verstellung des Betätigungskolbens 61 des Arbeitszylinders 60 und seiner als Zahnstange
ausgebildeten Stange 62, welche die Drehung eines Zahnrades 63 bewirkt, welches
durch einen Keil 82 fest mit einer in dem Verbindungsstück 42 drehbar gelagerten
hohlen Antriebswelle 45 verbunden ist. Die
hohle Antriebswelle
45 besitzt an ihrem unteren Ende zwei Nuten 53, in welche zwei von dem sphärischen
Verschlussglied 43 getragene Zapfen 54 eingreifen. Die Welle 45 tritt durch den
Körper 41 und sein Verbindungsstück 42 in mittels der Stopfbuchse 57 festgezogenen
Dichtungsringen 55 und 56 und hierauf in den Körper des Arbeitszylinders 60, wo
sie das mit der Zahnstange 62 des Betätigungskolbens 61 in Eingriff stehende Zahnrad
63, aufnimmt und in einem von einem
dem Körperdes Arbeitszylinders 60 angehörenden Deckel 59 getragenen Zager
58 drehbar gelagert ist. _ Die Drehbewegung der Drehklappe 44 zur Regelung der Durchflussmenge
erfolgt durch den in der Welle 45 gleichachsig zu dieser angeordneten Betätigungsstab
46. Der Stab 46 ist mit der Achse 7, der Buchse 9 Und dem Druckstück 11 wie
bei der vorhergehenden Ausführung verbunden.
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Der Betätigungsstab 46 ist in drei durch Kunst= stoffmuffen gebildeten
Lagern 64, 65, 66 drehbar gelagert: Die Zager 64 und 65 sind in dem sphärischen
Verschlussglied 43 angeordnet. Das Zager 66 dient auch als Dichtung und wird durch
eine -Stopfbuchse 67 festgespannt. Der Betätigungsstab 46 ist-oben mit einer Leißte
68 versehen, welche in die Nut 23 der Achse 7 eingreift.
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Die Arbeitsweise des obigen
der der vorhergehenden AusfÜhrung hinsichtlich der Betätigung der die Durchflussmenge
in der Zeitung verändernden Drehklappe 44 identisch. Je nach der getroffenen Anordnung
ist die Drehklappe geschlossen oder offen, wenn der auf die Membran des pneumatiechen
Topfs 4 ausgeübte Gegendruck am kleinsten ist, während sie sich bei einer Änderung
des Gegendrucke allmählich öffnet oder schliesst.
Der pneumatische
Arbeitszylinder 60 bewirkt -entweder die Öffnung des sphärischen Verschlussgliedes
43, wenn die Drucklu tt den Betätigungskolben 61' verstellt, welcher die Drehung
des Zahnrades 63 und somit der Welle 45 bewirkt, oder seine Schliessung,
wenn die eingeführte Druckluft abgelassen wird, oder aufeinanderfolgend die entgegengesetzten
Bewegungen.
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Der pneumatische Arbeitszylinder 60 hat also die alleinige Wirkung,
das sphärische Verschlussglied 43 zu öffnen oder zu schliessen. Die Auf-Zu-Regelung
und die stetige Regelung sind so vollständig voneinander getrennt.
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Gemäss einer besonderen Ausführung wird eine Verbindung für das aufeinander
abgestimmte-Arbeiten des pneumatischen Arbeitszylinders 60 und des pneumatischen
Topfs 4 durch ein elektrisches Relais hergestellt, welches die Schliessung des sphärischen
Verschlussgliedes bewirkt, wenn die Drehklappe 44 geschlossen ist.
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In dieser Stellung ist der Hahn vollkommen dicht.
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Die-obige zweite Ausführung der Erfindung bietet die gleichen Vorteile
der Einfachheit der Herstellung und des Einbaus wie die erste, und ihr Platzbedarf
ist gering.