DE19605528C1 - Kugel für einen Kugelhahn als Bestandteil eines Absperrorgans für Fluidleitungen, insbesondere Gasrohrleitungen, aus Kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kugel für einen Kugelhahn als Bestandteil eines Absperrorgans für Fluidlei­ tungen, insbesondere Gasrohrleitungen, aus Kunststoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die lediglich beispielhaft genannte DE 35 19 532 C1 zeigt und beschreibt ein Absperrorgan aus Kunststoff für Fluidleitungen mit einem Kugelhahn und einer Kugel als Ven­ tilkörper. Das Absperrorgan besteht insgesamt aus Kunst­ stoff, insbesondere aus Polyethylen. Die Kugel ist von ei­ ner zentralen Bohrung diametral durchsetzt, deren Durchmes­ ser in der Regel dem Innendurchmesser der Fluidleitung ent­ spricht, die von der Kugel abgesperrt werden kann. Folglich bildet die Kugel im Querschnitt eine Kreisabschnittsform aus, die nur an einer Seite von einer quer zur Achse der Bohrung laufenden tangentialen Mitnahmenut für den Betäti­ gungsansatz einer Schaltwelle durchsetzt ist.

Üblicherweise werden solche Kugeln spanabhebend herge­ stellt. Das Halbzeug ist meist ein extrudiertes Rohr mit einem der Kugelbohrung entsprechenden Innendurchmesser und einem Außendurchmesser, der gleich dem Kugeldurchmesser oder geringfügig größer ist.

Absperrorgane mit Kugelhähnen und folglich auch die dazu verwendeten Kugeln als Ventilkörper sind für Gas-, Wasser- und andere Fluidleitungen häufig sehr groß dimen­ sioniert; es handelt sich auch bei der Kugel also um einen relativ großen Körper, der mit der Problematik sehr un­ gleichförmiger Wandstärken des Materials behaftet ist.

Bei der spanabhebenden Bearbeitung, für die bevorzugt Halbzeug aus Kunststoff eingesetzt wird, fällt in nachtei­ liger Weise viel Abfall an, und die Herstellung der Kugel ist relativ kostenaufwendig.

Es liegt deshalb grundsätzlich die Überlegung nahe, die Kugel aus thermoplastischem Kunststoffmaterial zu spritzen. Dabei zeigt sich aber, daß die Kugel nach dem Ab­ spritzen und Tempern noch unter erheblicher innerer Span­ nung steht, so daß die vorgegebenen Maße nicht, jedenfalls nicht ohne aufwendige Nacharbeit, einzuhalten sind. Dies bezieht sich insbesondere auch auf die Tangentialnut, die sich nach dem Spritzgießen noch deutlich in nicht reprodu­ zierbarem Maß zusammenziehen kann. Dies kann im Absperrkör­ per zu Klemmerscheinungen führen, die nicht hinnehmbar sind.

Hier setzt die Erfindung ein. Ihr liegt im wesentli­ chen die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen zur Schaf­ fung einer Kugel für einen Kugelhahn nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1, die hochgradig maßhaltig ist und aufgrund ihrer Ausgestaltung den Einsatz besonders ver­ schleißfester Kunststoffe ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 und ist insbesondere dadurch gekennzeich­ net, daß die Kugel aus zwei sich an korrespondierenden Ku­ gelflächen berührenden Körpern, einem Innenkörper und einem Außenkörper, zusammengesetzt ist, derart, daß der Innenkör­ per die Form eines diametral von einer Bohrung durchsetzten Kugelkörpers aufweist, dessen achsparalleler Querschnitt im wesentlichen einen Kreisflächenabschnitt definiert und der Außenkörper auf dem Innenkörper eine Hülle in der Form ei­ ner Kugelschale ist, die in Flucht zu der Bohrung des Innenkör­ pers mit Öffnungen übereinstimmenden Durchmessers versehen ist.

Zufolge der Erfindung besteht also die Kugel aus zwei zusammengesetzten Körpern, dem Innenkörper und dem Außen­ körper. Die Raumform des Innenkörpers entspricht im Prinzip der Raumform der bisherigen gesamten Kugel, allerdings mit Ausnahme der Tangentialnut. Der Innenkörper bildet für die als Kugelschale ausgestaltete Hülle einen Stützkörper oder Stützkern aus. Diese "Innenkugel" ist jedoch - bei gleicher Absperrorgan-Nenngröße - kleiner als die bekannte Kugel insgesamt und kann aufgrund ihrer Zweckbestimmung aus einem relativ einfachen Material insbesondere im Spritzgießver­ fahren abfallfrei hergestellt werden.

Als Ventilkörper dient der Außenkörper dieser Anord­ nung, der als Hülle auf dem Stützkörper ruht. Die Auswahl des Kunststoffmaterials für diese Hülle kann man an den An­ forderungen orientieren, die an einen beweglich gelagerten Dichtkörper gestellt werden, denn die Außenfläche der Hülle bildet die Dichtflächen aus. Wesentlich ist, daß - abgese­ hen vom Bereich der Tangentialnut - die Wand- bzw. Materi­ alstärke des als Hülle auf dem Innenkörper sitzenden Außen­ körpers überall im wesentlichen gleich ist. Der Außenkörper steht folglich nicht unter innerer Spannung, welche hauptsächlich für die nachteiligen Verzugserscheinungen ver­ antwortlich ist. Es hat sich gezeigt, daß eine Kugel mit den Merkmalen der Erfindung ungeheuer maßhaltig ist und nach ihrer - gegenüber dem Stand der Technik vereinfachten - Herstellung praktisch keiner Nachbearbeitung mehr bedarf.

Zum Stand der Technik wird noch die AT E 56 079 B genannt, aus der es grundsätzlich bekannt ist, ein Ventilglied, das innerhalb des Ventilkörpers positioniert ist, im Kunststoff einzukapseln. Zusätzlich ist bei diesem Ventil aber auch das Ventilbohrloch im Kunststoff eingekapselt. Sinn und Zweck dieser sich vom Grundaufbau der der Erfindung zugrundeliegen­ den Kugel unterscheidenden Anordnung besteht nicht darin, die Maßhaltigkeit einer insbesondere großbauenden Ventilkugel eines Kugelventils zu verbessern, sondern das Ventilglied selbst mit Kunststoff zu verkleiden, um es gegen korrosive und andere beeinflussende Medien zu schützen. Deshalb hat die AT E 56 079 B mit der vorliegenden Erfindung sachlich kaum Berührungspunkte.

Der Innenkörper ist vorzugsweise vom Außenkörper um­ spritzt. Man gibt dazu den Innenkörper als Kern in eine Spritzgießform und entnimmt dieser das zweiteilige, gleich­ wohl einstückig funktionierende, Kugelgebilde.

Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung besteht darin, daß die einander berührenden Flächen von Innenkörper und Außenkörper kraftschlüssig, insbesondere durch Anschmelzen beim Umspritzen, miteinander verbunden sind. Dies ist dann in geeigneter Weise möglich, wenn für den Innenkörper und den Außenkörper Kunststoffmaterialien verwendet werden, die sich auf diese Weise ohne weiteres miteinander verschweißen lassen. Eine bevorzugte Werkstoffpaarung hierfür könnte Polyethylen der Qualität PE-HD für den Kern und UHMW-PE für den Außenkörper sein. Dieses Material besitzt eine sehr hohe Verschleißfestigkeit und hat hervorragende Gleiteigen­ schaften; beides Vorzüge, die für die Kugeln von Kugelhäh­ nen sehr wünschenswert sind.

Fällt die Wahl für die Kugelschale des Außenkörpers auf einen nicht oder nicht ohne weiteres hitzeverschweißba­ ren Werkstoff, wie beispielsweise POM, kann man für den In­ nenkörper dennoch einen wesentlich preiswerteren Kunst­ stoff, z. B. wiederum PE-HD, verwenden, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung die Kugel entsprechend der Erfindung Innenkörper und Außenkörper, eine Relativbewegung aus­ schließend, formschlüssig miteinander verbunden sind.

Die zum Eingriff eines Schaltgliedes erforderliche Tangentialnut des Außenkörpers kann, gleichgültig nach wel­ cher Konstruktion der Kugelkörper ausgeführt ist, spange­ bend etwa durch Einfräsen erzeugt werden oder auch formbil­ dend beim Umspritzen des Innenkörpers mit dem Material des Außenkörpers in der Spritzgießform.

Im übrigen versteht sich die Erfindung am besten an­ hand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen, die auch auf den Stand der Technik Bezug neh­ men, zeigen:

Fig. 1 eine erste, aus einem Innenkörper und einem Außen­ körper aufgebaute Kugel für einen Kugelhahn im Axi­ alschnitt, wobei die Körper durch Verschmelzen ih­ rer Kontakt-Kugelflächen beim Umspritzen des Innen­ körpers mit dem Material des Außenkörpers kraft­ schlüssig verbunden sind,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Kugelkörper entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Kugel mit Innen­ körper und Außenkörper, die jedoch formschlüssig ineinander gehalten sind,

Fig. 4 einen Querschnitt durch diesen Kugelkörper entlang der Schnittlinie IV-IV in Fig. 3, und

Fig. 5 und 6 zum einen im Längsschnitt und zum anderen im Querschnitt eine einteilige Kugel entsprechend dem Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht.

Bevor die Erfindung im einzelnen erläutert wird, soll zum besseren Verständnis zunächst der Stand der Technik an­ hand der Fig. 5 und 6 beschrieben werden. Danach besteht die bekannte Kugel 100 als Absperrorgan eines Kugelhahns für Gas- und andere Fluidleitungen aus einem einteiligen und einstückigen Kugelkörper 101 mit Außendurchmesser 102. Der Kugelkörper 101 ist diametral durchsetzt von einer Boh­ rung 103 mit Bohrungsdurchmesser 104. Dieser Bohrungsdurch­ messer 104 entspricht in der Regel dem Innendurchmesser der Fluidleitung, in die das Absperrorgan mit der Kugel 100 eingesetzt ist. Bei vollständig geöffnetem Hahn fällt die mit 105 bezeichnete Längsmittelachse der Bohrung 104 mit der Strömungsrichtung des Fluids in der Leitung zusammen.

In Fig. 5 ist weiterhin angedeutet, daß das Einbringen der Bohrung 103 in eine gestrichelt angedeutete Vollkugel 107 zum Abschneiden der Kugelkappen 108 führt und dem Ku­ gelkörper 101 die charakteristische Querschnittsform eines Kreisflächenabschnitts 106 verleiht. Die mit 106 bezeich­ nete Fläche ist - in räumlich-goemetrischer Hinsicht - die Rotationsfläche, die bei ihrer Rotation um die Achse 105 die Kugel erzeugt. Lediglich an einer Seite weist die Kugel eine nach außen offene Nut 107 auf, die als Tangentialnut zum Eingriff des Mitnehmers eines Schaltgliedes dient.

Bezogen auf einen Querschnitt durch eine auf der Achse 105 senkrechte stehende Ebene weist die Kugel, abgesehen vom Anordnungsbereich der Tangentialnut 107, überall einen Kreisringquerschnitt auf, der jedoch im Bereich der Quer­ achse 108 am größten ist und von dort aus nach beiden Sei­ ten kontinuierlich abnimmt bis zu sehr schmalen kreisring­ förmigen Stirnbereichen, die in Fig. 5 mit 109 angedeutet sind und als Anfasungen bezeichnet werden können.

Üblicherweise werden derartige Kugeln 100 aus Stangen- oder aus Rohrmaterial als Halbzeug gefertigt. In letzterem Fall weist das Rohr als Halbzeug den Innendurchmesser 104 auf und den Außendurchmesser 102 oder etwas größer, und die Kugel 100 wird durch spangebende Formung daraus erhalten, also insbesondere durch Abtrag beträchtlicher Anteile des Rohrmantels. Dies ist aufwendig und hat einen hohen Anteil an Abfallmaterial zur Folge.

Das an sich wünschenswertere Spritzgießen einer Kugel aus thermoplastischem Kunststoff mit der bekannten Raum­ form, wie sie in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, führt im Spritzgießkörper aufgrund der sehr unterschiedlichen Wand­ stärken zu Lunkerbildungen und zu starken inneren Spannun­ gen, die ihrerseits zu einem Verzug des Kugelkörpers 101, vor allem aber auch der Tangentialnut 107 führen. Die Maß­ haltigkeit solcher Kugeln 100 wäre nur dann befriedigend, wenn man ein spezielles Material verwenden würde, welches sich durch hohe Maßhaltigkeit auszeichnet, z. B. eine Melamin-Formmasse, die aber sehr teuer ist und deshalb kaum in Frage kommt.

Die Erfindung verläßt nun das Prinzip der einteiligen und einstückigen Kugel. Die in Fig. 1 gezeichnete und ins­ gesamt mit 10 bezeichnete Kugel besteht aus zwei Teilen, und zwar aus einem Innenkörper 11 und einem Außenkörper 12.

Der Innenkörper 11 besitzt im Prinzip dieselbe Raum­ form wie die Kugel 100 mit einer zentralen Bohrung 13 und auch - übereinstimmende Absperrorgan-Nenngröße vorausge­ setzt - mit einem Innendurchmesser 14, der dem Innendurch­ messer 104 der bekannten Kugel 100 entspricht. Der Innen­ körper 11 weist jedoch keine Tangentialnut auf und hat einen deutlich geringeren Außendurchmesser 15 als der Ku­ gelkörper 101 bekannter Ausführung.

Auf dem Innenkörper 11, der an jeder Stelle seines Rotationsquerschnitts entsprechend Fig. 1 eine Kreisflä­ chenabschnittsform aufweist, ruht der Außenkörper 12 als Hülle. Diese Hülle hat die Form einer Kugelschale mit im wesentlichen überall gleicher Wandstärke. Dies gilt für beide Schnitte, also für den Längsschnitt nach Fig. 1 und den Querschnitt nach Fig. 2. Einzige Ausnahme ist der Anordnungsbereich der Tangentialnut 16, die in diesen Außenkörper 12 eingebracht ist. Der Außendurchmesser 17 des Außenkörpers 12, also der Durchmesser der wirksamen Kugeloberfläche 18 entspricht - gleiche Absperrorgan-Nenn­ größe vorausgesetzt - genau dem Außendurchmesser 102 der bekannten Kugel 100. Die seitlichen bzw. Stirnöffnungen 21 der Kugelschale des Außenkörpers 12 weisen denselben Durch­ messer 1 4 auf wie die Bohrung 1 des Innenkörpers 11.

Der Innenkörper 11 dient hier als Stützkörper für den das Funktionsteil "Kugel" darstellenden Außenkörper 12, und es können unterschiedliche Kunststoffmaterialen für diese beiden Körper 11 und 12 verwendet werden. Vornehmlich soll für den Stützkörper 11 ein besonders preiswertes Material wie z. B. PE, verwendet werden, für den Außenkörper 12 je­ doch ein spezielles Material mit insbesondere hoher Ver­ schleißfestigkeit und hervorragenden Gleiteigenschaften, z. B. modifiziertes, hochmolekulares PE.

Bei dem in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel ist daran gedacht, den Innenkörper 11 als Kern in die Kunststoffspritzform einzulegen und ihn mit dem Material für den Außenkörper 12 zu umspritzen. Bei einer Materialpaarung von z. B. PE-HD für den Innenkörper 11 und UHMW-PE für den Außenkörper 12 findet beim Umspritzen des Außenmantels 19 aufgrund der Plastifizierung des Innenkör­ pers 11 eine kraftschlüssige Verbindung der äußeren Kugel­ fläche 19 des Innenkörpers 11 mit der korrespondierenden Kugelinnenfläche 20 des Außenkörpers 12 statt.

Verwendet man unterschiedliche Materialien, die nicht miteinander hitzeverschweißbar sind, dann kommt eine formschlüssige Verbindung in Betracht. Ein solche ist bei dem in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel realisiert. Allerdings ist auch hier der Innenkörper 11 mit dem Außenkörper 12 umspritzt. Eine unverschiebliche Verbindung zwischen den beiden Teilen 12 und 13 wird durch formschlüssig wirkende Mittel gewährleistet, wie z. B. durch eine umlaufende Nut-Feder-Anordnung 22 und/oder korrespondierende Fasungen 23 im Bereich der beiden Stirnenden des Innenkörpers 11.

Claims (5)

1. Kugel (10) für einen Kugelhahn als Bestandteil ei­ nes Absperrorgans für Fluidleitungen, insbesondere Gasrohr­ leitungen, aus Kunststoff, in der Form eines diametral von einer Bohrung (13) durchsetzten Kugelkörpers, dessen achsparalleler Querschnitt im wesentlichen einen Kreisflä­ chenabschnitt definiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (10) aus zwei sich an korrespondierenden Kugelflächen (19, 20) berührenden Körpern, einem Innenkörper (11) und einem Außenkörper (12), zusammengesetzt ist, derart, daß der Innenkörper (11) die Form eines diametral von einer Bohrung (13) durchsetzten Kugelkörpers aufweist, dessen achsparalleler Querschnitt im wesentlichen einen Kreisflä­ chenabschnitt definiert und der Außenkörper (12) auf dem Innenkörper (11) eine Hülle in der Form einer Kugelschale ist, die in Flucht zu der Bohrung (13) des Innenkörpers (11) mit Öffnungen (21) angepaßten Durchmessers versehen ist.

2. Kugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelschale (12), mit Ausnahme des Anordnungsbereichs einer Tangentialnut (16) zum Eingriff eines Schaltgliedes, an jeder Stelle ihres Querschnitts im wesentlichen dieselbe Wandstärke aufweist.

3. Kugel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Innenkörper (11) vom Außenkörper (12) um­ spritzt ist.

4. Kugel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die einander berührenden Flächen (19, 20) von Innenkörper (11) und Außenkörper (12) kraftschlüssig, insbesondere durch Anschmelzen beim Umspritzen, miteinander verbunden sind.

5. Kugel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Innenkörper (11) und Außenkörper (12), eine Relativbewegung ausschließend, formschlüssig miteinan­ der verbunden sind.