-
Die
Erfindung betrifft einen Kugelhahn mit einem drehbar in einem Gehäuseblock
mit zumindest zwei Anschlussbohrungen gelagerten, wenigstens eine
Durchtrittsbohrung aufweisenden Stellorgan und mit einer zumindest
einer Anschlussbohrung zugeordneten Dichtungsanordnung, umfassend
jeweils ein an der Mantelfläche
des Stellorgans mittels eines Vorspannelements unter Vorspannung
anliegenden, ringförmigen
Dichtelement.
-
Ein
derartiger Kugelhahn ist beispielsweise in
DE 101 61 457 C2 beschrieben.
Der in diesem Dokument beschriebene Kugelhahn verfügt über ein
kugelartig ausgebildetes Stellorgan, welches in diesem Dokument
als Absperrorgan bezeichnet ist. Das Stellorgan weist eine T-Bohrung
auf. Das Stellorgan ist in einem Gehäuseblock gelagert und über eine Schaltwelle
in ihre unterschiedlichen Schaltstellungen drehbar. In dem Gehäuseblock
sind mehrere Anschlussbohrungen zum Anschließen von Zu- und Ableitungen
eingebracht. Zum Abdichten der Mantelfläche des Stellorgans gegenüber den
Anschlussbohrungen befindet sich in jeder Anschlussbohrung eine Dichtungsanordnung.
Die Dichtungsanordnung umfasst ein ringförmiges, als Dichtschale ausgebildetes Dichtelement
aus Kunststoff, das sich an seiner von der Mantelfläche des
Stellorgans wegweisenden Seite an einem Vorspannelement abstützt. Als
Vorspannelement dient ein elastischer Dichtring. Als Widerlager
für den
Dichtring dient ein in eine solche Anschlussbohrung eingeschraubter
Einsatz, durch den der Dichtring gegen die Rückseite der Dichtschale gepresst
und somit die Dichtschale mit ihrer zur Mantelfläche des Stellorgans weisenden
Dichtfläche
gegen dieselbe unter Vorspannung gestellt wird.
-
Derartige
Kugelhähne
eignen sich zum Einbau in flüssigkeits-
oder gasführende
Installationen. Derartige Installationen werden mitunter auch benötigt, um
tiefgekühlte
Gase, die die Installation dann als Flüssigkeit durchströmen, zu
leiten. Stickstoff wird beispielsweise bei einer Temperatur von –200°C in seinem
flüssigen
Zustand gehalten und muss beispielsweise zum Abfüllen durch derartige Installationen
hindurchgeleitet werden. Die zu dem vorstehend beschriebenen Kugelhahn
gehörenden
Dichtungsan- Ordnungen
eignen sich jedoch nicht, damit der Kugelhahn in eine Installation
eingebaut werden kann, die von tiefgekühlten Fluiden durchströmt werden
sollen. Bei diesen tiefen Temperaturen verfügt der als Vorspannelement
dienende elastische Dichtring nicht mehr über materialelastische Eigenschaften,
um den gewünschten
Anpressdruck der Dichtschale auf der Mantelfläche des Stellorgans bereitzustellen.
Aufgrund der bei hohen Temperaturdifferenzen eintretenden Materialverformung,
insbesondere unterschiedlichen Materialverformungsraten zwischen
der Dichtschale aus Kunststoff und den übrigen Metallbestandteilen
eines solchen Kugelhahnes eignet sich ein solcher Dichtring nicht,
um den benötigten
Stellhub allein aufgrund seiner Materialelastizität bereitzustellen.
-
Ausgehend
von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher
die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten, gattungsgemäßen Kugelhahn
dergestalt weiterzubilden, dass sich dieser ebenfalls für einen
Einbau in Installationen eignet, die von tiefgekühlten Fluiden durchströmt werden
sollen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
eingangs genannten, gattungsgemäßen Kugelhahn
gelöst,
bei dem das auf das Dichtelement wirkende Vorspannelement ein nach
Art eines Wellrohres ausgebildeter Abschnitt als Teil eines in eine Anschlussbohrung
des Gehäuseblockes
eingesetzten und an dem Gehäuseblock
festgelegten Einsatzes ist, wobei das Vorspannelement materialelastische
Eigenschaften aufweist und das Vorspannelement gestaucht ist, wenn
der Einsatz am Gehäuseblock
festgelegt ist, welcher Einsatz zudem über einen Anschlussabschnitt
verfügt,
in welchem der Einsatz gegenüber
dem Gehäuseblock
abgedichtet ist.
-
Bei
diesem Kugelhahn ist vorgesehen, dass zumindest einer der Anschlussbohrungen
mit einer kälteunempflindlichen
und vor allem gegen hohe Temperaturschwankungen unempfindlichen
Dichtungsanordnung ausgestattet ist. Typischerweise handelt es sich
bei dieser Anschlussbohrung um den Zulauf. Zweckmäßigerweise
sind jedoch alle Anschlussbohrungen des Kugelhahns mit einer solchen Dichtungsanordnung
ausgerüstet.
Eine solche Dichtungsanordnung umfasst ein Vorspannelement, das nach
Art eines Wellrohres ausgebildet ist. Das Vorspannelement ist Teil
eines Einsatzes, und zwar zweckmäßigerweise
an diesem angeformt.
-
Somit
ist der Einsatz mit seinem Wellrohrabschnitt zweckmäßigerweise
aus einem einzigen Werkstück
gefertigt. Der Einsatz ist in die Anschlussbohrung des Gehäuseblockes
eingesetzt und darin festgelegt, beispielsweise in die Anschlussbohrung eingeschraubt.
Das Vorspannelement ist Teil des Einsatzes und wird durch den Vorgang
des Einsetzens und Festlegens innerhalb der Anschlussbohrung gestaucht,
da sich dieses mit seinem vorderen freien Endabschnitt an dem Dichtelement
und dieses wiederum an der Mantelfläche des Stellorgans abstützt. Hierdurch
wird die gewünschte
Vorspannung zwischen dem Dichtelement und der Mantelfläche des
Stellorgans bereitgestellt. Um dieses zu erreichen, weist das nicht
vorgespannte Vorspannelement eine entsprechend größere axiale
Erstreckung auf als in seiner gestauchten Stellung. Die eigentliche Vorspannkraft
resultiert aus der Materialelastizität des Vorspannelementes, wobei
die gewählte
Wellrohrform des vorgespannten Spannelementes das Maß der Materialelastizität vorgibt.
Dieses erfolgt in Abhängigkeit
von der Höhe
der einzelnen Wellabschnitte des Vorspannelementes. Diese Ausbildung gewährleistet,
dass die Vorspannung, mit dem der Dichtring auf die Mantelfläche des
Stellorgans wirkt, auch bei großen
Temperaturschwankungen aufrechterhalten bleibt. Ein solches Vorspannelement
kann unter Beibehaltung einer ausreichenden Vorspannung auch größere Längenänderungen
kompensieren. Hier wirkt das Vorspannelement nach Art einer sich
entspannenden Ziehharmonika.
-
Der
Einsatz verfügt
neben dem Vorspannelement über
einen Anschlussabschnitt, mit dem der Einsatz gegenüber dem
Gehäuseblock
bzw. der Innenwand der Anschlussbohrung abgedichtet ist. Eine Längenänderung
in axialer Richtung bezüglich
des Stauchgrades des Vorspannelements erfolgt unabhängig von
der äußeren Abdichtung
des Einsatzes gegenüber
der Innenwand der Anschlussbohrung. Typischerweise verfügt der Anschlussabschnitt
des Einsatzes über
Mittel zum Anschließen
einer Leitung, insbesondere einer medienbeaufschlagten Leitung. Der
Anschluss der Leitung braucht dann lediglich gegenüber dem
Anschlussabschnitt des Einsatzes und nicht gegenüber weiteren Elementen, beispielsweise dem
Gehäuseblock
abgedichtet zu sein.
-
Das
Vorspannelement ist zweckmäßigerweise
aus einem Metallwerkstoff hergestellt, wobei Werkstoffe wie etwa
Bronze oder Edelmetall bevorzugt sind. Diese Werkstoffe weisen nicht
nur die notwendige Gasdichtheit auf, sondern bleiben auch innerhalb
der zu betrachtenden Temperatur ausreichend materialelastisch.
-
Zum
Herbeiführen
der Abdichtung des Einsatzes gegenüber der Innenwand der Anschlussbohrung
sind gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ein oder mehrere Stufen vorgesehen. Durch diese ist der Durchmesser
in Richtung zum Stellorgan hin jeweils verjüngt. Jede Stufe dient als Anlagefläche für einen
Dichtring. Auch wenn grundsätzlich eine
Abdichtung mit einer oder nur im Bereich einer Stufe ausreichend
ist, wird man typischerweise aus Redundanzgründen zwei oder mehrere Stufen
mit jeweils einem Dichtring vorsehen.
-
Nachfolgend
ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügte 1 beschrieben. 1 zeigt
einen schematisierten Querschnitt durch einen Kugelhahn 1, der
als 2/2-Wege-Kugelhahn
ausgebildet ist. Der Kugelhahn 1 verfügt über einen Gehäuseblock 2,
in dem einen nach Art einer Kugel ausgebildeten Stellorgan 3 um
die Achse der an das Stellorgan 3 angeschlossenen Schaltwelle 4 drehbar
gelagert ist. Zum Betätigen
der Schaltwelle 4 verfügt
diese an ihrem aus dem Gehäuseblock 2 heraustretenden
Ende über
einen Vierkantkopf 5. Auf diesem kann ein Stellhebel zum
Drehen der Schaltwelle 4 aufgesetzt werden. Das Stellorgan 3 weist
eine das Stellorgan 3 querende Bohrung 6 auf.
-
In
den Gehäuseblock 2 sind
zwei Anschlussbohrungen 7, 8 eingebracht. Die
Anschlussbohrungen 7, 8 dienen zur Aufnahme jeweils
eines Einsatzes 9, 10, an den die Installation,
beispielsweise die Rohrleitungen angeschlossen werden. Die Einsätze 9, 10 weisen
jeweils einen der Längserstreckung
der Anschlussbohrungen 7 bzw. 8 folgenden zentralen Kanal 11, 12 auf. 1 zeigt
die Schaltwelle 4 bzw. das Stellorgan 3 in Durchflussstellung.
Der Kanal 11 des Einsatzes 9 fluchtet mit der
Bohrung 6 des Stellorgans 3 und diese wiederum
mit dem Kanal 12 des Einsatzes 10.
-
Der
in die Anschlussbohrung 7 eingebrachte Einsatz 9 verfügt über einen
Anschlussabschnitt 13. Der Anschlussabschnitt 13 trägt im Bereich
eines Teils seiner äußeren Mantelfläche ein
Außengewinde 14,
welches in der in
-
1 gezeigten
montierten Stellung des Einsatzes 9 in ein komplementäres Innengewinde der
Anschlussbohrung 7 eingreift. Der Anschlussabschnitt 13 und
komplementär
hierzu ebenfalls die Innenwandung der Anschlussbohrung 7 sind
gestuft ausgebildet, wobei eine der Stufen dem Zweck dient, zwischen
der Stufe des Einsatzes 9 und derjenigen der Anschlussbohrung 7 einen
Dichtring 15 anzuordnen. Der Dichtring 15 dient
zum Abdichten des Einsatzes 9 gegenüber der Innenwandung der Anschlussbohrung 7.
Der sich an das Außengewinde 14 des
Einsatzes 9 nach außen
hin anschließende
Abschnitt, der in 1 mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet
ist, dient zum Anschließen
des Einsatzes 9 an eine Installation. Die Verbindungsmittel
zum Herstellen der Verbindung zwischen dem Einsatz 9 und
der Installation sind der Einfachheit halber in 1 nicht
dargestellt.
-
Teil
des Einsatzes 9 ist ferner ein wellrohrförmiger Abschnitt,
der das Vorspannelement 17 für eine von dem Einsatz 9 gehaltene
Dichtschale ist. Die Dichtschale stützt sich mit ihrer einen Seite
an der Mantelfläche
des Stellorgans 3 ab. Die Abstützanordnung der Dichtschale 18 auf
der Mantelfläche des
Stellorgans 3 steht unter Vorspannung, die von dem Vorspannelement 17 bereitgestellt
wird. In dem in 1 gezeigten montierten Zustand
des Einsatzes 9 ist das Vorspannelement 17 in
längsaxialer Richtung
etwas gestaucht, was aufgrund der wellrohrförmigen Ausbildung des Vorspannelementes 17 und
seiner materialelastischen Eigenschaft ohne Weiteres möglich ist.
Da das Vorspannelement 17 materialelastische Eigenschaften
aufweist, liegt die Dichtschale 18 unter Vorspannung stehend
an der Mantelfläche
des Stellorgans 3 an. Der Einsatz 9 des dargestellten
Ausführungsbeispiels
ist aus Edelstahl hergestellt. Dieses Material ist nicht nur gasdicht, sondern
weist auch eine hinreichende Materialelastizität bei sehr tiefen Temperaturen
auf.
-
Der
Einsatz 10 ist ebenso aufgebaut wie der Einsatz 9.
Der Kugelhahn 1 eignet sich aufgrund der Ausgestaltung
seiner Einsätze
vor allem zum Einbau in Installationen, die von unter Druck stehenden
tiefgekühlten
Fluiden durchströmt
werden sollen, wie beispielsweise tiefgekühlte Gase.
-
Im
Hinblick auf die bei einem solchen Einsatz erheblichen Temperaturdifferenzen
zwischen Umgebungstemperatur und den Temperaturen, wenn der Kugelhahn 1 von
tiefgekühltem
Gas durchströmt
ist, bedingt dieses nicht unbeträchtliche
Längenänderungen
der zumindest in unmittelbarem Kontakt mit dem tiefgekühlten Fluid
stehenden Elemente, wie beispielsweise die Einsätze und die Dichtschalen. Die Längenänderungen
sind ungleichmäßig, da
die aus Kunststoff gefertigte Dichtschale 18 ein anderes Temperaturverhalten
zeigt als der aus Edelstahl hergestellte Einsatz 9 mit
seinem Vorspannelement 17.
-
Durch
Ausbilden des Vorspannelementes 17 als Teil des Einsatzes 9 wird
keine zusätzliche
axiale Dichtung bei eintretenden Längenänderungen benötigt. Die
durch den Dichtring 15 erfolgende Außenabdichtung ist von einer
eintretenden Längenänderung infolge
Temperaturschwankungen unbeeinflusst. Unabhängig von der Ausdehnung oder
dem Stauchen des Vorspannelementes 17 in längsaxialer
Richtung des Einsatzes 9 ist regelmäßig eine bestimmungsgemäße Außenabdichtung
gegeben.
-
In
einem weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
ist ein Kugelhahn vorgesehen, der grundsätzlich aufgebaut ist wie der
in 1 gezeigte Kugelhahn 1. Im Unterschied
zu diesem verfügt
dieser Kugelhahn nur an seiner medienbeaufschlagten Anschlussseite – der Druckseite – einen
in die diesbezügliche
Anschlussbohrung eingeschraubten Einsatz, der entsprechend dem Einsatz 9 bzw. 10 ausgebildet
ist. In die andere Anschlussbohrung des Gehäuseblockes ist ein anderer
Einsatz eingeschraubt, und zwar ein solcher, der nur eine äußere Abdichtung
gegenüber
der Innenwandung der Anschlussbohrung aufweist und nicht auch über ein
an der Mantelfläche
des Stellorgans anliegendes Dichtelement.
-
- 1
- Kugelhahn
- 2
- Gehäuseblock
- 3
- Stellorgan
- 4
- Schaltwelle
- 5
- Vierkantkopf
- 6
- Bohrung
- 7
- Anschlussbohrung
- 8
- Anschlussbohrung
- 9
- Einsatz
- 10
- Einsatz
- 11
- Kanal
- 12
- Kanal
- 13
- Anschlussabschnitt
- 14
- Außengewinde
- 15
- Dichtring
- 16
- Abschnitt
- 17
- Vorspannelement
- 18
- Dichtschale