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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kugelhahn zum wahlweisen Schließen oder Öffnen eines Durchflusses zum Absperren einer von einem Medium durchflossenen Leitung.
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Kugelhähne sind allgemein bekannt. Sie werden an von einem Medium durchflossene Leitungen angeschlossen und dienen dazu den Durchfluss des Mediums freizugeben, zu reduzieren oder zu sperren.
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Ein Nachteil der bekannten Kugelhähne sind die Sammelräume für das Medium zwischen dem Gehäuse und der Kugel. Diese Sammelräume werden von dem Medium nicht durchströmt und werden daher häufig auch als Toträume bezeichnet. In diesen Toträumen steht ein kleines Volumen des Mediums in den Endstellungen der Kugel, ohne ausgetauscht zu werden. Dies kann dazu führen, dass eine Ablagerung von Verschmutzungen, Schadstoffen oder Ähnlichem und/oder eine Vermehrung von Bakterien, Viren oder Ähnlichem in diesen Toträumen erfolgt. Dies ist jedoch unerwünscht, insbesondere wenn Kugelhähne im Bereich der Lebensmittelindustrie oder im Bereich der Trinkwasserversorgung eingesetzt werden.
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Darüber hinaus besteht das Bedürfnis einer ökonomischen Fertigung von Kugelhähnen. Üblicherweise wird das Gehäuse, welches eine Sperrkugel zum Absperren des Kugelhahnes in sich aufnimmt und Zu- und Ablauföffnungen ausbildet, durch ein einteiliges Gussteil gebildet. In diesem Gußteil kann konzentrisch zu einer Schwenkachse der Sperrkugel eine Ausnehmung ausgespart sein. Es besteht die Möglichkeit, diese Aussparung so groß auszubilden, dass die Sperrkugel durch die Öffnung in das Gehäuse eingebracht und montiert werden kann. Diese Montage ist indes aufwendig und bedingt eine relativ große Kappe, die die Aussparung endseitig abdeckt und eine Stellwelle der Speerkugel dichtend in sich aufnimmt. Die Herstellung eines solchen Kugelhahnes ist relativ aufwendig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Kugelhahn bereitzustellen, der die oben diskutierten Probleme ganz oder teilweise behebt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung ein Kugelhahn mit den Merkmalen von Anspruch 1 angegeben.
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Der erfindungsgemäße Kugelhahn hat in an sich bekannter Weise ein Gehäuse, welches einen inneren Kanal umgibt und Zu- und Ablauföffnungen ausbildet. Zwischen diesen Öffnungen ist eine Sperrkugel verschwenkbar angeordnet, die eine Durchgangsbohrung aufweist. Die Durchgangsbohrung bildet dabei einen Strömungskanal durch die Sperrkugel aus, die in einer Offenstellung des Kugelhahnes mit dem Kanal innerhalb des Gehäuses kommuniziert und dementsprechend einen Strömungsdurchgang durch den Kugelhahn erlaubt, wohingegen in einer Verschlussstellung des Kugelhahnes sich die Durchgangsbohrung üblicherweise quer zu der Längserstreckung des Kanals innerhalb des Gehäuses erstreckt, so dass der Kanal nicht mit dem Strömungsdurchgang durch die Sperrkugel kommuniziert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kugelhahn ist ferner am Außenumfang der Sperrkugel ein Flächensegment vorgesehen. Dieses Flächensegment läuft in Umfangsrichtung um. Dabei ist es nicht erforderlich, dass das Flächensegement vollumfänglich um die Sperrkugel umläuft. Es reicht aus, dass sich das Flächensegment lediglich teilumfänglich um die Außenumfangsfläche der Sperrkugel herum, allerdings in deren Umfangsrichtung erstreckt. Der Radius des Flächensegmentes ist dabei kleiner als der Radius der Kugeloberfläche der Sperrkugel. Dabei muss das Flächensegment sich nicht lediglich mit nur einem einzigen Radius beschreiben lassen. Das Flächensegment liegt aber grundsätzlich unterhalb einer Hüllfläche, d. h. ist nicht Bestandteil der Hüllfläche, die die Kugeloberfläche der Sperrkugel enthält und durch diese definiert ist. Unterhalb und innerhalb dieser Hüllfläche befinden sich üblicherweise auch Kugelöffnungen, die durch die Durchgangsbohrung durch die Sperrkugel gebildet sind und über welche die Strömung des Mediums in den Strömungsdurchgang durch die Sperrkugel gelangt bzw. aus diesem austritt.
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Das umlaufende Flächensegment des erfindungsgemäßen Kugelhahnes ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sich die Kugel in ein einteiliges, im Wesentlichen rohrförmiges Gehäuseelement einsetzen lässt. Eine konzentrisch zu einer Stellwelle der Sperrkugel in dem Gehäuse ausgesparte Bohrung zum Einsetzen der Sperrkugel in das Gehäuse ist danach nicht erforderlich. Mit Blick darauf ist das Flächensegment üblicherweise zylindrisch ausgebildet, wobei üblicherweise die Kugelöffnungen innerhalb der Ebene einer im Grunde vollumfänglich um die Sperrkugel in Umfangsrichtung umlaufenden zylindrischen Ausformung des Flächensegmentes liegen. In Umfangsrichtung wechseln sich dabei üblicherweise zylindrische Flächensegmente mit den jeweiligen Kugelöffnungen ab.
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Die Kugelöffnungen liegen üblicherweise radial innerhalb des das zylindrische Flächensegment umschreibenden Radius. Das Flächensegment und insbesondere auch das zylindrische Flächensegment erstrecken sich bevorzugt in Erstreckungsrichtung der Durchgangsbohrung. So kann die Sperrkugel bei einer Ausrichtung quer zur Längserstreckung des Kanals entsprechend der Verschlussstellung in den Kanal von außen eingeführt werden. Diese Art der Montage ist deshalb möglich, da das in Umfangsrichtung umlaufende Flächensegment im Radius kleiner als der Radius der Kugeloberfläche ist.
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Des Weiteren bietet die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, dass abhängig von der Stellung der Sperrkugel das in Umfangsrichtung umlaufende Flächensegment mit kleinerem Radius üblicherweise an der Außenumfangsfläche der Sperrkugel mit dem Kanal kommuniziert, wenn sich die Sperrkugel in der Offenstellung befindet. So kann Fluid nicht nur durch den Strömungsdurchgang der Sperrkugel hindurchfließen, sondern auch entlang des Außenumfangs der Sperrkugel in einem Zwischenraum zwischen der Sperrkugel und dem Gehäuse. Das Flächensegment begrenzt dementsprechend regelmäßig in der Offenstellung einen Bypasskanal, der einen am Außenumfang der Sperrkugel mitunter vorgesehenen Totraum mit dem Kanal verbindet, so dass der Totraum durchspült und verhindert wird, dass beispielsweise Wasser in einem Trinkwasserversorgungssystem längere Zeit in diesem Totraum stehen kann, wodurch die Gefahr einer Verunreinigung bzw. Verkeimung des Trinkwassers wächst.
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Mit Blick auf eine möglichst einfache Herstellung des erfindungsgemäßen Kugelhahnes wird mit einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, das Gehäuse durch ein einteiliges, im Wesentlichen rohrförmiges Gehäuseelement auszubilden, welches eine in den Kanal hineinragende Ringschulter hat. Diese durch das einteilige Gehäuseelement ausgebildete Ringschulter ist zur dichtenden Anlage der Sperrkugel ausgeformt. So ragt die Ringschulter radial in den Kanal des Gehäuses herein. Die Ringschulter begrenzt einseitig einen Kugelaufnahmeraum, in welchem die Sperrkugel aufgenommen ist. Die Sperrkugel kann dabei unter Zwischenlage eines Dichtringes gegen die Ringschulter anliegen.
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Auf diese Weise kann die Sperrkugel einfach einseitig innerhalb des einteiligen Gehäuses abgedichtet werden. Auf der der Ringschulter gegenüberliegenden Seite des Kugelaufnahmeraumes ist vorzugsweise ein Muffenring vorgesehen. Dieser ist in das Innere des Gehäuseelementes eingesetzt und mit diesem üblicherweise verbunden. Die Verbindung kann dabei beispielsweise durch ein Innengewinde erfolgen, welches in dem Kanal ausgespart ist, wobei der Muffenring das zugehörige Außengewinde ausbildet. Es versteht sich, dass der Muffenring zumindest eine Funktionsfläche zum Angriff eines Werkzeuges haben sollte, welches durch den Kanal zusammen mit dem Muffenring eingebracht wird, um den Muffenring gegen die Sperrkugel zu verschrauben.
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Dabei ist der Muffenring bevorzugt gegenüber dem Gehäuseelement abgedichtet, beispielsweise durch einen zwischen dem Außenumfang des Muffenrings und dem Gehäuse vorgesehenen Dichtungsring. Im Übrigen befindet sich zwischen dem Muffenring und der daran anliegenden Oberfläche der Sperrkugel bevorzugt ein Dichtring. Dieser Dichtring ist mit dem Muffenring üblicherweise vormontiert und wird mit dem Muffenring in das Gehäuse eingebracht. So ist die Sperrkugel vorzugsweise zwischen den beiden Dichtringen einerseits gegen die Ringschulter und andererseits gegen den Muffenring angelegt. Die Abdichtung erfolgt dabei üblicherweise nur in der Verschlussstellung, wohingegen in der Offenstellung aufgrund des Flächensegmentes zwischen dem Dichtring und der Außenumfangsfläche der Sperrkugel ein Spalt verbleibt, der den Eintritt in den Bypasskanal bildet. Dabei ist vorzugsweise ein Bypasskanal zwischen der Außenumfangsfläche der Sperrkugel und einem von der Stellwelle durchsetzten Flächenbereich des Gehäuses einerseits und zwischen der Außenumfangsfläche und der der Stellwelle gegenüberliegenden Umfangsfläche des Gehäuses andererseits ausgeformt. Durch angepasste Ausbildung des Flächensegmentes kann ferner dafür Sorge getragen werden, dass der durch den Kanal hindurchgeleiteten Strömung auf Höhe der Sperrkugel auch eine Strömung quer zu der Längserstreckung der Durchgangsbohrung aufgeprägt wird, um die Kugel möglichst umfänglich und in Richtung der Schwenkachse der Stellwelle zu umspülen. So kann das Flächensegment in einer Umfangsrichtung, die sich im Grunde parallel zu der Richtung der Durchgangsbohrung erstreckt, durchbrochen sein, wodurch auch der Bypass in Längserstreckung des Gehäuses unterbrochen ist und der Strömung ein Weg in Umfangsrichtung und quer zur Längserstreckung der Durchgangsbohrung aufgezwungen wird. Diese Bypassströmung kann beispielsweise auf einer Seite in einen Zwischenraum zwischen dem Außenumfang der Sperrkugel und dem Gehäuse eintreten und auf Höhe der Sperrkugel in Umfangsrichtung umgelenkt werden, um im Grunde auf der gegenüberliegenden Seite zurück zu dem Kanal zu gelangen. Die hier erwähnte Umfangsrichtung erstreckt sich dabei rechtwinklig zu der Längserstreckung der Durchgangsbohrung der Sperrkugel.
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Zur Vereinfachung der konstruktiven Ausgestaltung wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass das Gehäuse eine von der Stellwelle durchsetzte Bohrung aufweist, die kleiner als die Sperrkugel ist. Mit anderen Worten kann die Sperrkugel nicht durch die Bohrung des Gehäuses eingebaut werden, welche die Stellwelle oder einen die Stellwelle haltenden und mit dem einteiligen Gehäuse verschraubten Gehäusedeckel in sich aufnimmt.
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Schließlich ist die Sperrkugel bevorzugt lediglich um eine Schwenkachse der Stellwelle verschwenkbar gelagert. Die Sperrkugel ist dementsprechend so in das Gehäuse eingebaut, dass sie sich lediglich um die Achse der Stellwelle verschwenken lässt, ansonsten aber fest innerhalb des Gehäuses eingespannt und abgedichtet ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
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1 eine Längsschnittansicht des Ausführungsbeispiels in einer Verschlussstellung des Kugelhahns;
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2 die Schnittdarstellung nach 1 in einer Offenstellung des Kugelhahns;
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3 das Detail E gemäß 2 in vergrößerter Darstellung;
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4 eine perspektivische Ansicht der Sperrkugel des Ausführungsbeispiels, und
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5 eine perspektivische Längsschnittansicht teilweise als Explosionsdarstellung zur Verdeutlichung der Montage des Ausführungsbeispiels.
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In 1 ist eine Schnittansicht eines Kugelhahns 10 mit einem Gehäuse 12 dargestellt. Das Gehäuse 12 ist als einheitliches Gussteil und aus Metall hergestellt und weist eine Zulauföffnung 14 und eine Ablauföffnung 16 auf. Zwischen der Zulauföffnung 14 und der Ablauföffnung 16 ist durch das Gehäuse 12 ein Kanal 18 ausgebildet. Eine Sperrkugel 20 zum Verschließen oder Öffnen des Kugelhahns 10 ist in dem Kanal 18 angeordnet. Die Sperrkugel 20 wird über eine um 90° verschwenkbare Stellwelle 22 in eine Offenstellung oder Schließstellung zum Öffnen oder Schließen des Kugelhahns 10 überführt. Diese Stellwelle 22 ist in einer Bohrung 23, die in dem Gehäuse 12 ausgespart ist, drehbar gelagert und abgedichtet aufgenommen. Die Stellwelle 22 ist verdrehfest mit einem Betätigungselement in Form eines Handgriffs 25 versehen.
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In 1 ist der Kugelhahn 10 in einer Schließstellung der Sperrkugel 20 dargestellt. In dieser Schließstellung erstreckt sich eine in den Figuren mit Bezugszeichen M gekennzeichnete Mittellängsachse der Sperrkugel 20 parallel zu dem Kanal 18. Eine weitere mit Bezugszeichen D gekennzeichnete Mittellängsachse der Sperrkugel 20 verläuft rechtwinklig zu dieser anderen Mittellängsachse M. Der Schnittpunkt der beiden Mittellängsachsen D, M bildet den Mittelpunkt der Sperrkugel. Dieser Mittelpunkt ist der Ursprung eines Radius R, der die kugelförmige Außenumfangsfläche der Sperrkugel 20 definiert.
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Von einer den Kanal 18 umgebenden Innenumfangsfläche des Gehäuses 12 ragt eine Ringschulter 26 ab, die einteilig an dem Gehäuse 12 ausgeformt ist. Die Ringschulter 26 hat einen Innendurchmesser, der in etwa dem Innendurchmesser einer in der Sperrkugel ausgesparten Durchgangsbohrung 28 entspricht (vgl. 3). Die Ringschulter 26 nimmt einen Dichtring 30 in sich auf, dessen Innenumfang bündig mit dem Innenumfang der Ringschulter 26 ist. Durch die Ringschulter 26 und den Dichtring 30 wird ein Kugelaufnahmeraum 32 einseitig begrenzt, der die Sperrkugel dichtend aufnimmt. Hierzu ist auf der der Ringschulter 26 gegenüberliegenden Seite ein Muffenring 34 vorgesehen, der – wie die Ringschulter 26 – auf seiner der Sperrkugel 20 zugewandten Seite einen weiteren Dichtring 36 formschlüssig hält. Der Muffenring 34 steht mit einem in dem Gehäuse 12 ausgebildeten Innengewinde 38 in Gewindeeingriff und ist über einen Dichtungsring 40 gegenüber dem Gehäuse 12 abgedichtet. Der Innendurchmesser des Muffenringes 34 entspricht in etwa dem Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 28. Wie die 2 und 5 erkennen lassen, weist der Muffenring 34 Funktionsflächen 42 zum Eingriff eines Werkzeugs zum Einschrauben des Muffenringes 34 in das Gehäuse 12 auf. Im eingeschraubten Zustand ist die Sperrkugel 20 abgedichtet zwischen den beiden Dichtringen 30, 36 gehalten. Dies gilt jedenfalls für die in 1 gezeigte Verschlussstellung.
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Wie des Weiteren in 1 und 2 zu entnehmen ist, ist der Kugelaufnahmeraum so dimensioniert, dass sich zwischen der Sperrkugel 20 und denjenigen Wandungen, die die Sperrkugel 20 umfänglich umgeben und die Bohrung 23 beinhalten, ein Ringspalt ausgespart, der mit Bezugszeichen 44 angedeutet ist.
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Details der Sperrkugel 20 sind den 4 und 5 zu entnehmen. Die Sperrkugel 20 ist am Außenumfang und in einer Richtung parallel zu der Erstreckungsrichtung der Mittellängsachse M mit einer Kugelnut 32 versehen, die der drehfesten Verbindung zwischen der Stellwelle 22 und der Sperrkugel 20 dient. Die Stellwelle 22 hat an ihrem freien Ende hierzu einen Verriegelungsvorsprung, der in die Kugelnut 32 eingreift. Die Mittellängsachse M wird durchsetzt durch abgeflachte Endflächen 46, die gegenüber einer mit Bezugszeichen 48 gekennzeichneten Kugeloberfläche der Sperrkugel 20 radial nach innen zurückspringen und sich parallel zu der Mittellängsachse D und damit der Durchgangsbohrung 28 erstrecken. Rechtswinklig zu diesen abgeflachten Kugeloberflächen 48 sind an dem Außenumfang der Sperrkugel 20 zwei zylindrische Flächensegmente 50 ausgeformt. Die zylindrischen Flächensegmente 50 gehen von mit Bezugszeichen 52 gekennzeichneten Kugelöffnungen ab, die durch die Durchgangsbohrung 28 an der Kugelaußenfläche 48 gebildet sind. Die Flächensegmente 50 erstrecken sich dementsprechend von einer Kugelöffnung 52 zu der anderen Kugelöffnung 52. Die Flächensegmente 50 bilden eine zylindrische Außenumfangsfläche an der Sperrkugel 20 aus, die lediglich durch die Bereiche der Kugelöffnungen 52 unterbrochen ist und zylindrisch relativ zu der Mittellängsachse M sind. Diese zylindrischen Flächensegmente 50 liegen radial innerhalb einer Hülllfläche, die die Kugeloberfläche 48 enthält und radial außerhalb zu den Endflächen 46, den Kugelöffnungen 52 und den besagten Flächensegmenten 50 verläuft. Das der Stellwelle 22 zugewandte, nachfolgend als oberes Flächensegment 50.1 bezeichnete Flächensegment wird von der Kugelnut 32 durchsetzt.
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Aufgrund dieser Ausgestaltung hat die Sperrkugel 20 einen kleineren Radius r um den Mittelpunkt der Kugel in einer Ebene, die die Mittellängsachse D enthält und sich rechtwinklig zu der Mittellängsachse M erstreckt. Der entsprechende Radius r ist kleiner als der Radius R der Kugel, d. h. der Radius der Kugeloberfläche 48 um den Mittelpunkt. Dabei springt in der besagten Ebene kein anderes Körperteil der Sperrkugel 20 über den kleinen Radius radial nach außen vor. Anders verhält es sich in einer Ebene, die die Mittellängsachse M enthält und sich rechtwinklig zu der Mittellängsachse D erstreckt. Diese hat zwar in Umfangsrichtung jeweils Anteile der beiden Flächensegmente 50.1 und 50.2, wobei mit Bezugszeichen 50.2 das untere Flächensegment gekennzeichnet ist. Der überwiegende Teil der Außenumfangsfläche in dieser Ebene ist indes durch den Radius der Kugel und damit den größsten Radius der Sperrkugel 20 bestimmt.
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Aufgrund dieser spezifischen Geometrie kann die Sperrkugel 20 in der in 5 angedeuteten Weise in das Gehäuse 12 eingeführt werden. Sie wird dazu mit ihrer Mittellängsachse M parallel und konzentrisch zu der Mittellängsachse des Kanals 18 ausgerichtet und in das Gehäuse 12 eingebracht, bis die Sperrkugel 20 gegen den der Ringschulter 26 zugeordneten Dichtring 30 stößt. Danach wird der Muffenring 34 in das Gehäuse 12 eingebracht und mit dem Innengewinde 38 verschraubt, so dass der Muffenring 34 mit dem zugehörigen Dichtungsring 36 zur Anlage gegen die Sperrkugel 20 gelangt. Die Stellwelle 22 kann vormontiert sein. Bei der in 5 gezeigten Ausrichtung gleitet der an der Stellwelle 22 ausgebildete Verriegelungsvorsprung in die Kugelnut 32 ein, so dass sich zwangsläufig eine verdrehfeste Verbindung zwischen der Sperrkugel 20 und der Stellwelle 22 ergibt.
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Aufgrund der Flächensegmente 50.1, 50.2 ergibt sich in der in 2 gezeigten Offenstellung zwischen der Außenumfangsfläche der Sperrkugel 20 und den den Kugelaufnahmeraum 32 umgebenden Wandungen des Gehäuses 12 ein Bypasskanal, der in 3 zu erkennen und dort mit Bezugszeichen 54 gekennzeichnet ist. So kann die Strömung durch den Kugelhahn 10 nicht nur den Bereich der Kugelaufnahme 32 durch die Durchgangsbohrung 28 passieren, sondern auch als Bypassströmung P entlang des Außenumfangs der Sperrkugel 20. Hierdurch ergibt sich eine Durchspülung des Kugelaufnahmeraumes 32. Darin enthaltenes Fluid, beispielsweise kaltes oder warmes Trinkwasser, wird ausgetauscht. Der durch den Kugelaufnahmeraum 32 gebildete Totraum wird bei jedem Öffnen des Kugelhahnes durchspült.
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Wie ersichtlich bietet das gezeigte Ausführungsbeispiel Vorteile. So lässt sich die Ausführungsform leichter montieren, da die Sperrkugel 20 durch den Kanal 18 in das Gehäuse 12 eingebracht wird und dort dichtend verschraubt werden kann. Wird der erfindungsgemäße Kugelhahn für die Trinkwasserversorgung eingesetzt, so ergibt sich eine verbesserte Wasserqualität, da mit jedem Öffnen des Kugelhahnes 10 ein Totraum im Bereich des Kugelaufnahmeraumes 32 gespült wird, und zwar durch eine Strömung durch den Bypasskanal 52, die an der Außenumfangsfläche der Sperrkugel 20 vorbeistreicht.
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In 4 ist mit B die Breite des Flächensegmentes 50 abgetragen, d. h. die Erstreckung des zylindrischen Flächensegmentes 50 in Erstreckung der Mittellängsachse M. Der Radius R der Kugeloberfläche 48 ist in den 1 und 2 abgetragen. Die Breite B des Flächensegmentes 50 beträgt vorliegend etwa 70% des Radius R der Kugeloberfläche 48.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kugelhahn
- 12
- Gehäuse
- 14
- Zulauföffnung
- 16
- Ablauföffnung
- 18
- Kanal
- 20
- Sperrkugel
- 22
- Stellwelle
- 23
- Bohrung
- 25
- Handgriff
- 26
- Ringschulter
- 28
- Durchgangsbohrung
- 30
- Dichtring
- 32
- Kugelaufnahmeraum
- 34
- Muffenring
- 36
- Dichtring
- 38
- Innengewinde
- 40
- Dichtungsring
- 42
- Funktionsfläche
- 44
- Ringspalt
- 46
- Endfläche
- 48
- Kugeloberfläche
- 50
- Flächensegment
- 50.1
- Oberes Flächensegment
- 50.2
- Unteres Flächensegment
- 52
- Kugelöffnung
- 54
- Bypasskanal
- D
- Mittellängsachse
- E
- Detail
- M
- Mittellängsachse
- A
- Richtung Zusammenbau
- B
- Breite
- R
- Radius der Kugeloberfläche 48
- P
- Bypassströmung
- r
- Radius des Flächensegmentes
