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Die
Erfindung betrifft eine Absperrkugel eines Kugelhahns mit einem
Durchlasskanal, der zur Ausbildung einer Fluidverbindung zwischen
einem Einlass- und einem Auslasskanal eines Kugelhahns in einer
ersten, geöffneten Stellung der Absperrkugel dient sowie
mit einer Wandung zur Unterbrechung dieser Fluidverbindung des Kugelhahns
in einer zweiten, geschlossenen Stellung der Absperrkugel. Die Erfindung
betrifft weiterhin einen Kugelhahn mit einem mindestens einen Einlasskanal
und einen Auslasskanal aufweisenden Gehäuse mit einer in dem
Gehäuse angeordneten, zwischen einer geschlossenen und
einer geöffneten Stellung in dem Gehäuse verdrehbaren
Absperrkugel, welche mindestens einen Durchlasskanal aufweist, der
in der geöffneten Stellung der Absperrkugel eine Fluidverbindung
zwischen Ein- und Auslasskanal bildet und in der geschlossenen Stellung
die Fluidverbindung zwischen Ein- und Auslasskanal unterbricht,
und mit einem Betätigungsmittel zum Verschwenken der Absperrkugel
aus der geschlossenen in die geöffnete Stellung und zurück.
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Kugelhähne
und Absperrkugeln der vorbezeichneten Art sind in verschiedenen
konstruktiven Ausgestaltungen bekannt. So zeigt
DE 202 04 546 U1 einen
Kugelhahn mit einer verbesserten Konstruktion zur Durchströmung
des Totraums zwischen Absperrkugel und Kugelhahngehäuse.
DE 202 11 356 U1 offenbart
einen Drei-Wege-Kugelhahn mit einer Absperrkugel, die mindestens
zwei, im Winkel von 120° zueinander verlaufende in Fluidverbindung stehende
Sackbohrungen in einer Ebene und einen senkrecht dazu verlaufenden
zu diesen in Fluidverbindung stehenden Einlasskanal aufweist.
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Die
Absperrkugeln von Kugelhähnen werden aus Messing, Rotguss
oder Edelstahl, mit mindestens einem, meist zylindrischen Durchlasskanal
als Gussteile, Schmiedeteile oder vollständig oder teilweise
durch Zerspanung hergestellte Bauteile ausgeführt. Nachteilig
an dieser Ausführungsform ist, dass mit steigender Abmessung
des Kugelhahns das Gewicht der Absperrkugel ansteigt, insbesondere
im Vergleich zum Gehäusegewicht überproportional
ansteigt. Aufgrund des damit steigenden Trägheitsmoments
nimmt die Trägheit der Absperrkugel gegenüber Änderungen
in der Drehgeschwindigkeit zu. Dies ist insbesondere von Nachteil,
wenn schnelle Schaltvorgänge gefordert sind, bei denen
die Absperrkugel aus einer ruhenden Position heraus durch Drehung um
die eigene Achse schnell in eine zweite Position verdreht und dazu
kurzfristig beschleunigt und wieder abgebremst werden muss. Außerdem
sind die zur Herstellung der Absperrkugeln eingesetzten Werkstoffe
teuer, was hohe Fertigungskosten zur Folge hat.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermindern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Absperrkugel
eines Kugelhahns gelöst, bei der eine Hohlkugelform aus
einem ersten Material bereitgestellt wird, deren Wandung zumindest
zwei Öffnungen aufweist und die mit einem zweiten Material
ausgekleidet wird, so dass zwischen den zumindest zwei Öffnungen
der Hohlkugelform ein Durchlasskanal entsteht.
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Die
Absperrkugel kann insbesondere in ihrer Außenwand Mittel
zur Drehmomentübertragung, wie beispielsweise eine Quer-
oder Keilnut aufweisen, die zur drehmomentstarren Kopplung einem
Betätigungsmittel zum Verschwenken der Absperrkugel aus
einer geschlossenen in eine geöffnete Stellung und zurück
dienen. Mit Hohlkugelform wird im Folgenden inbesondere ein Bauteil
mit einer im Wesentlichen kugelförmigen äußeren
Oberfläche und einer ebenfalls im Wesentlichen kugelförmigen
inneren Oberfläche bezeichnet, wobei die Mittelpunkte beider kugelförmigen
Oberflächen vorzugsweise zusammenfallen und der Radius
der inneren kugelförmigen Oberfläche kleiner ist
als der Radius der äußeren kugelförmigen
Oberfläche, so dass zwischen der inneren und äußeren
kugelförmigen Oberfläche eine im Vergleich zum
Kugeldurchmesser dünne Wandung besteht.
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Kugelhähne
werden an fluiddurchflossene Leitungen angeschlossen und dienen
dazu, den Durchfluss des Fluids zu dosieren, freizugeben oder zu
sperren. Dazu besitzt der Kugelhahn ein Gehäuse, in dem
ein Einlasskanal und ein Auslasskanal ausgebildet ist, die einen
Durchlasskanal zwischen einer Einlass- und einer Auslassöffnung
bilden. Die im Kugelhahngehäuse angeordnete Absperrkugel weist
zumindest einen Durchlasskanal auf, durch den das Fluid vom Einlass-
in den Auslasskanal fließen kann. Dieser Durchlasskanal
wird in der vorliegenden Erfindung hergestellt, indem in den inneren,
hohlen Bereich der Hohlkugelform ein weiteres, vom Material der
Hohlkugelform verschiedenes Material eingebracht wird.
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Die
Erfindung ermöglicht es, durch eine geschickte Wahl der
Materialien für die Hohlkugelform und deren innere Auskleidung
das Gesamtgewicht der Kugel sowie die Kosten der eingesetzten Werkstoffe
im Vergleich zu einer Ausführung in nur einem Material
zu reduzieren. Vorzugsweise wird als erstes Material für
die Hohlkugelform ein Metall, insbesondere Messing, Rotguss oder
Edelstahl, und für das zweite Material zum Auskleiden der
Hohlkugelform ein Material mit geringerer spezifischer Dichte als
das erste Material eingesetzt, beispielweise ein Thermoplast, insbesondere
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Polyoxymethylen (POM). In
dieser Ausführungsform ist das genannte zweite Material
sowohl leichter als auch preislich günstiger als das genannte erste
Material, so dass Gewicht und Herstellungskosten gegenüber
einer Ausführung ganz aus Metall reduziert werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch die beschriebene
Ausführungsform mit einer Hohlkugelform aus den üblicherweise
in der Herstellung von Ab sperrkugeln eingesetzten Materialien, insbesondere
Messing, Rotguss oder Edelstahl, die für die Funktion und
konstruktive Ausgestaltung des Kugelhahns wichtigen äußeren
Oberflächeneigenschaften, wie Härte, Reibungswert,
Verschleißfestigkeit, der Absperrkugel erhalten bleiben.
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Eine
bevorzugte Erfindungsfortbildung sieht vor, dass die Bereitstellung
der Hohlkugelform die folgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellen
eines Rohrabschnitts aus einem ersten Material,
- – Umformen des Rohrabschnitts zu der im Wesentlichen
kugelförmigen Hohlkugelform.
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Diese
Erfindungsfortbildung beschreibt eine vorteilhafte Hohlkugelform,
hergestellt durch Verformen eines entsprechend abgelängten
Metallrohres.
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In
zwei weiteren Fortbildungsvarianten kann der Rohrabschnitt entweder
durch Pressen oder durch Innenhochdruckumformen zu einer im Wesentlichen
kugelförmigen Hohlkugelform umgeformt werden. In der genannten
ersten Variante wird das Rohrteil durch Druckumformen von außen
mittels Kalt- oder Warm-Konturpressen umgeformt. In der genannten
zweiten Variante kommt als Umformverfahren das Innenhochdruckumformen
(IHU, auch bekannt unter dem englischen Begriff Hydroforming), zum
Einsatz. Hierbei wird ein rohrförmiges Werkstück
durch Innendruck aufgeweitet und gfs. gleichzeitig durch eine Axialkraft
gestaucht. Der Innendruck wird durch Wasser oder schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeiten
auf Wasserbasis (sog. HFA-Flüssigkeiten), wie Wasser-Öl-Emulsionen,
als Wirkmedium übertragen. Die Einleitung der Axialkraft erfolgt über
zwei Dichtstempel an den Rohrenden.
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Alternativ
werden in einer Fortbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens Wirkmedien, die Wachs und/oder hochviskose Flüssigkeiten,
insbesondere Polymerschmelzen wie Polyurethan (PUR) enthalten, zum
Innenhochdruckumformen eingesetzt. Beim Innenhochdruckumformen können
hohe Drücke von ca. 300 bis über 4.000 bar zum
Einsatz kommen. Insbesondere bei hohen Drücken können die
alternativen Wirkmedien, deren Viskosität temperaturabhängig
gesteuert werden kann, Abdichtungsproblemen im Fluidsystem entgegenwirken.
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Eine
weitere Fortbildungsform sieht vor, dass die zumindest zwei Öffnungen
in der Wandung der Hohlkugelform ineinander übergehen.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Zu- und Abflussleitung
des Kugelhahns in spitzem Winkel zueinander verlaufen und ihre Querschnitte
im Bereich der Absperrkugel ineinander übergehen. Die zwei
ineinander übergehenden Öffnungen in der Wandung
der Hohlkugelform können in diesem Fall als Vertiefung in
der Absperrkugel ausgebildet sein.
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Eine
weitere bevorzugte Fortbildungsform sieht vor, dass sich die zumindest
zwei Öffnungen der Hohlkugelform gegenüberliegen.
Diese Fortbildungsform ist insbesondere dann zu bevorzugen, wenn
die Absperrkugel für einen Kugelhahn verwendet wird, dessen
Zu- und Abflussleitung in einer Linie angeordnet sind.
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Eine
weitere Fortbildungsform sieht vor, dass die zumindest zwei Öffnungen
einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und zwischen
ihnen durch das Auskleiden der Hohlkugelform mit dem zweiten Material
ein zumindest abschnittsweise zylindrischer Durchlasskanal entsteht.
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Die
Erfindung kann weiter dadurch fortgebildet werden, dass das zweite
Material im Spritzgießverfahren auf die Innenfläche
der Wandung der Hohlkugelform aufgebracht wird. Das Spritzgießverfahren wird
insbesondere vorteilhaft eingesetzt, wenn das zweite Material ein
Thermoplast, insbesondere Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder
Polyoxymethylen (POM) ist.
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In
einer weitere Fortbildung umfasst die Erfindung einen Maldanierungsschritt
nach dem Auskleidungsvorgang mit dem zweiten Material. Insbesondere
durch die Abkühlung des während des Spritzgießvorgangs
erwärmten zweiten Materials kann die Auskleidung schrumpfen.
Dadurch können Hohlräume zwischen der Innenfläche
der Hohlkugelform und der Auskleidung entstehen. Mit dem genannten
Maldanierungssschritt ist es möglich, diese Hohlräume
zu füllen.
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Der
Maldanierungsschritt dient dazu, Hohlräume im ersten oder
zweiten Material oder zwischen Hohlkugelform und Auskleidung zu
reduzieren oder vollständig zu schließen. Unter
einem Maldanierungsschritt soll hierbei eine Abfolge von Prozesschritten
verstanden werden, umfassend
- – Beaufschlagen
der Absperrkugel mit einem Unterdruck in einem geschlossenen Behälter,
- – Hinzugeben eines flüssigen, aushärtbaren
Materials, insbesondere eines Kunststoffs in den Behälter,
- – Entfernen des Unterdrucks und
- – Aushärten des flüssigen Materials.
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Im
Moment der Entfernung des Unterdrucks wird das flüssige
Material in Poren und Spalten eingezogen und dichtet diese ab. Hierdurch
kann die Dichtigkeit und mechanische Festigkeit der Absperrkugel
verbessert werden.
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Eine
weitere Fortbildungsform sieht vor, dass das zweite Material einen
Klebstoff enthält, der eine adhäsive Verbindung
des zweiten Materials mit der Innenfläche der Wandung der
Hohlkugelform herstellt. Dadurch wird gewährleistet, dass
das auf die innere Seite der Hohlkugelform aufgebrachte zweite Material
fest mit der Hohlkugelform verbunden wird.
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Eine
adhäsive Verbindung zwischen erstem und zweitem Material
kann in einer weiteren Verfahrensfortbildung auch dadurch hergestellt
werden, dass die innere Wandung der Hohlkugelform zumindest teilweise
mit Klebstoff beschichtet wird, bevor das zweite Material aufgebracht
wird. In dieser Fortbildungsform ist der Klebstoff nicht mit dem
zweiten Material vermischt, sondern lediglich im Verbindungsbereich
zwischen erstem und zweitem Material angeordnet.
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Eine
nach den Ansprüchen 4 bis 7 fortgebildete erfindungsgemäße
Absperrkugel wird bevorzugt in einem Drei-Wege-Kugelhahn eingesetzt.
Eine Absperrkugel für den Einsatz in einem Drei-Wege-Kugelhahn
weist einen oder mehrere Durchlasskanäle auf, die in einer
geöffneten Stellung eine Fluidverbindung zwischen einem
oder beiden der mindestens zwei in einer Ebene liegenden Auslasskanäle
und einem senkrecht dazu angeordneten Einlasskanal bilden und in
einer geschlossenen Stellung die Fluidverbindung zwischen dem Einlasskanal
und den Auslasskanälen unterbrechen.
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Alle
genannten Aspekte der Erfindung können in Kugelhähnen
verschiedenster Ausgestaltungen zum Einsatz kommen, wie ein Fachmann
erkennen kann. Die Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung
sind nicht durch die beschriebenen Einsatzmöglichkeiten
begrenzt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird beispielhaft
anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Absperrkugel,
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2:
eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Absperrkugel
nach 1,
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3:
eine in der Schnittebene E-E in 2 geschnittene
Frontalansicht der Absperrkugel nach 1, und
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4:
eine in der Schnittebene D-D in 2 geschnittene
Seitenansicht der Absperrkugel gemäß 1.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Absperrkugel 10,
die eine Hohlkugelform 11 aus Messing (CuZn40Pb2) umfasst,
mit einer ersten Öffnung 21 und einer zweiten,
der ersten Öffnung gegenüberliegenden Öffnung
(nicht dargestellt), mit einer durch den Mittelpunkt der ersten Öffnung
verlaufenden Längsachse 41 und einer Quernut 30 zur
Aufnahme eines Betätigungsmittels (nicht dargestellt) zum
Verschwenken der Absperrkugel.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Absperrkugel
aus 1. Die Quernut 30 ist quer zur Längsachse 41 eines
Durchlasskanals 50 zwischen den Öffnungen 21 und 22 eingebracht. D-D
und E-E kennzeichnen die Schnittebenen für 3 und 4.
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3 stellt
die erfindungsgemäße Absperrkugel aus 1 und 2 im
Querschnitt der Ebene E-E von 2 dar. Die
quer zum Durchlasskanal 50 eingebrachte Quernut 30 kann
erkannt werden. Die Absperrkugel 10 umfasst eine im Wesentlichen
kugelförmige Hohlkugelform 11 aus Messing mit
einer inneren Seite 13 der Wandung. Auf diese innere Seite 13 der
Wandung der Hohlkugelform 11 wird eine Füllung 12 aus
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)/Polyoxymethylen (POM) aufgebracht,
die den Durchlasskanal 50 begrenzt. Der Durchlasskanal 50 hat
einen kreisförmigen Durchmesser.
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Die
Dicke der Wandung der Hohlkugelform 11 beträgt
beispielsweise 2,5 mm, der Außendurchmesser der Hohlkugelform 11 beträgt
beispielsweise 62,5 mm, der Durchmesser der Öffnungen 21 und 22 und
des Durchlasskanals 50 beträgt 40 mm.
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4 ist
ein weiterer Querschnitt der erfindungsgemäßen
Absperrkugel nach 1 und 2 in der
Schnittebene D-D nach 2. Die Absperrkugel 10 umfasst
eine im Wesentlichen kugelförmige Hohlkugelform 11 aus
Messing mit einer inneren Seite 13 der Wandung, auf die
eine Füllung 12 aus ABS/POM aufgebracht ist, so
dass zwischen den beiden kreisförmigen, sich gegenüberliegenden Öffnungen 21 und 22 ein
zylindrischer Durchlasskanal 50 entsteht. Die durch die
Mittelpunkte der kreisförmigen Öffnungen 21 und 22 verlaufende
Achsen 41 fällt mit der Längsachse des
zylindrischen Durchlasskanals 50 zusammen. Um einen stoffschlüssigen
Verbund zwischen der Füllung 12 und der Hohlkugelform 11 herzustellen,
wird auf die Innenseite 13 der Hohlkugelform 11 ein
Klebstoff aufgebracht, bevor die Füllung 12 aufgebracht
wird. Alternativ dazu kann das Material der Füllung 12 einen
Klebstoff enthalten.
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Die
vorstehende Ausführungsform, insbesondere die genannten
Materialien und Abmessungen, sind lediglich beispielhaft zu verstehen
und sind nicht als die vorliegende Erfindung begrenzend auszulegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 20204546
U1 [0002]
- - DE 20211356 U1 [0002]