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Die Erfindung betrifft ein Stellventil, das ein Sitzelement mit einem Sitzelementgehäuse und mit einem Einsatz, an dem ein Ventilsitz ausgebildet ist, und einen gegenüber dem Ventilsitz verstellbaren Ventilkörper umfasst, wobei ein Dichtelement zwischen dem Sitzelementgehäuse und dem Einsatz angeordnet ist.
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Ventile zur Hochdruckentspannung und für aggressive Medien benötigen einen Einsatz als Auskleidung. Da der Einsatz auch den Ventilsitz beinhaltet, wird, um auch diesen besonders belasteten Bereich zu schützen, eine Abdichtung zwischen dem Einsatz und dem umgebenden Sitzelementgehäuse zur Erlangung der inneren Dichtigkeit benötigt. Eine ausreichende Abdichtung könnte mit Weichdichtungen erreicht werden, wobei sich jedoch das Problem ergibt, dass Weichdichtungen hohe Druckdifferenzen und dadurch resultierende Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums nicht ausreichend aushalten.
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Die
DE 37 02 386 A1 offenbart einen Kugelhahn mit mindestens je einem Ein- und Auslass für ein fließfähiges Medium und mit einem drehbar in einem Gehäuse gelagerten Kugelküken, dass mit einem aus dem Kugelhahn herausgeführten Betätigungselement verbunden ist, wobei zur Lagerung des Kugelkükens zentrisch zu seiner Drehachse koaxial zu dieser angeordneten Lagerbuchsen oder -flansche vorgesehen sind und längs der (des) Strömungswege(s) des Mediums vor und hinter dem Kugelküken an dieses angrenzend jeweils ein Ringkolben angeordnet ist, der auf der Einlassseite gegenüber dem Kugelküken abgedichtet ist. Auf der Auslassseite sind Graphitringe als Weichdichtungen zwischen den Ringkolben und dem Kugelküken vorgesehen. Alle von dem Medium angeströmten Bereiche bestehen aus Keramik, wobei die Keramikteile in gegen äußere Druckkräfte gesicherter Weise eingekapselt sind. Die Weichdichtungen bei diesem Kugelhahn sind nicht ausreichend beständig gegenüber den Druck- und Strömungs-Bedingungen bei erhöhtem Druck oder Hochdruck in dem Medium.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zur Hochdruckentspannung und für aggressive Medien breit zu stellen, das hohe Druckdifferenzen und dadurch resultierende Strömungsgeschwindigkeiten aushalten kann und dabei die Vorteile einer Weichdichtung beibehält.
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Dazu ist ein Stellventil umfassend ein Sitzelement mit einem Sitzelementgehäuse, in dem ein Einsatz mit einem Ventilsitz angeordnet ist, und einen gegenüber dem Ventilsitz verstellbaren Ventilkörper, wobei ein Dichtelement zwischen dem Sitzelementgehäuse und den Einsatz angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement einen Kern und in Richtung der Klemmdruckbelastung des Dichtelements axial außen liegende Weichdichtungsbeläge aufweist, wobei der Kern, der auch als harter Kern bezeichnet wird, wenigstens an der in Strömungsrichtung des an strömenden Mediums stromaufliegenden Seite des Dichtelements und an der stromabliegenden Seite des Dichtelements aus einem härteren Material als die Weichdichtungsbeläge besteht, sodass der Kern eine entsprechende Form- und Verschleißfestigkeit erhält. Durch die Ausbildung des Dichtelements wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Belastung des Dichtelements durch das anströmende Medium von dem harten Kern aufgenommen wird, während die Weichdichtungsbeläge, die für die Abdichtung sorgen, entsprechend weniger beansprucht werden, sodass das Dichtelement eine längere Lebensdauer hat. Ein Vorteil der Dichtung in dem erfindungsgemäßen Stellventil liegt darin, dass unter bestimmten Grundbedingungen eine einstufige Entspannung bei Differenzdrücken von bis zu Δp = 250bar erreicht werden kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kern des Dichtelements auf der Höhe eines Spalts zwischen dem Sitzelementgehäuse und dem Einsatz vorzugsweise mittig dazu angeordnet. Dadurch prallt das Medium zunächst auf den harten Kern des Dichtelements, wird dann umgelenkt, und nur ein Teil des Mediums gelangt unter Entspannung durch die engen Spalte zwischen dem Dichtelement und dem Sitzelementgehäuse bzw. dem Einsatz zu den Weichdichtungsbelägen des Dichtelements, die die Abdichtung bewirken.
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Vorteilhafterweise ist der Kern des Dichtelements aus dem gleichen Material wie der Einsatz, insbesondere aus Keramik, Stellit, Hartmetall oder dergleichen. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Weichdichtungsbeläge aus Elastomeren, Graphit, PTFE, PEEK oder PCTFE bestehen. Es handelt sich dabei um vorteilhafte Materialwahlen im Hinblick auf die Herstellung und die Lebensdauer des Stellventils bzw. des Dichtelements.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verlaufen Konturen zwischen dem Kern und den Weichdichtungsbelägen wellenförmig, kammförmig, spiralförmig oder labyrinthartig, um die Strömung noch mehr umzulenken, wobei die Dichtigkeit weiter verbessert wird. Das Material der Weichdichtungsbeläge hat gegenüber dem Kern eine größere Oberfläche und die Verbindung aufgrund einer Wellen-, Kamm-, Spiral- oder Labyrinth-Kontur wird verstärkt.
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Bevorzugt ist das Dichtelement in einer, insbesondere passgenau zum Kern ausgestalteten, Nut im Sitzelementgehäuse aufgenommen. Dadurch kann eine Verkippung beziehungsweise Verformung des Dichtelements verhindert werden. Ferner ermöglicht diese Art der Verbindung eine einfachere Montage, da das Dichtelement gemeinsam mit dem Sitzelementgehäuse in das Stelleventil eingebaut werden kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Kern des Dichtelements aus einer Komposit-Anordnung, bei der verschleißfeste, harte Schichten abwechselnd mit Weichdichtungsschichten angeordnet sind, wobei an der in Strömungsrichtung des an strömenden Mediums stromaufliegenden Seite und an der stromabliegenden Seite des Dichtelements jeweils harte Schichten angeordnet sind, wobei vorzugsweise die harten Schichten aus Stahl, insbesondere Federstahl, und die Weichdichtungsschichten aus Graphit oder PTFE bestehen. Diese Ausführung des Kerns des dicht Elements hat den Vorteil einer verbesserten Federwirkung, die sich vorteilhaft in Richtung auf eine zusätzliche Dichtwirkung auswirkt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement in einer Nut in dem Einsatz und in einer Nut in dem Sitzelementgehäuse angeordnet, wobei die Breite der Nut für das Dichtelement in dem Einsatz größer ist als die Breite des Dichtelements, wobei in eingebautem Zustand das Dichtelement von beiden Wandungen der Nut in dem Einsatz beabstandet ist. Damit kann eine Beschädigung des Einsatzes, der eine empfindliche Auskleidung darstellt, durch den Kern in dem Dichtelement insbesondere bei der Montage vermieden werden. Auch soll der Kern des Dichtelements bei Druckspitzen oder Wärmedehnungen den Einsatz nicht berühren, um Beschädigungen an dem Einsatz zu vermeiden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Ventilkörper ein Drosselzapfen angeordnet, der mit einer Drosselbohrung in dem Einsatz zur Bildung einer Drosselstelle zusammenwirkt, wobei durch die Abdichtung bei dem erfindungsgemäßen Stellventil erreicht wird, dass sich das Stellventil besonders für sehr hohe Druckbelastungen und Geschwindigkeiten des Mediums eignet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
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1 eine Schnittdarstellung von einem Ventilgehäuse und einem Teil eines Antriebsgehäuses eines Stellventils nach einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine vergrößerte Schnittdarstellung von einem Teil des Ventilgehäuses des Stellventils nach 1, wobei ein Sitzelementgehäuse mit einem Einsatz, der den Ventilsitz umfasst und mit einem Ventilkörper zusammenwirkt, gezeigt ist,
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3 eine vergrößerte Schnittdarstellung als Detailansicht des Dichtelements; und
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4 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform des Dichtelements.
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1 ist eine Schnittdarstellung eines Stellventils nach einer Ausführungsform der Erfindung, wobei das Stellventil ein Ventilgehäuse 2 und ein teilweise dargestelltes Antriebsgehäuse 4 umfasst, das mit dem Ventilgehäuse 2 verbunden ist. Das Ventilgehäuse 2 hat einen eintrittsseitigen Anschlussflansch 6 und einen austrittsseitigen Anschlussflansch 8, wobei die Flansche 6, 8 eine Eintrittsmündung 10 bzw. eine Austrittsmündung 12 enthalten. Das Innere des Ventilgehäuses 2 ist durch eine Trennwand 14 in eine Eintrittskammer 16 und eine Austrittskammer 18 unterteilt. In die Trennwand 14 ist ein Sitzelementgehäuse 20 über eine Gewindeverbindung 22 eingeschraubt.
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Das Sitzelementgehäuse 20 enthält einen Einsatz 24 als Auskleidung mit einen Ventilsitz 26 an dem Einsatz 24, siehe 2. An dem der Austrittskammer 18 zugewandten Ende des Ventilsitzgehäuses 20 ist ein Diffusor 28 angeordnet, der sich in die Austrittskammer 18 öffnet. Der Einsatz 24 und der Diffusor 28 sind über eine Schraubverbindung 30 mit dem Sitzelementgehäuse 20 verschraubt. Das Sitzelementgehäuse 20 und der Einsatz 24 bilden zusammen einen Sitzelement 32.
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Das erfindungsgemäße Stellventil 2 wird durch einen Ventilkörper 34 vervollständigt, der über eine Ventilstange 36 gegenüber dem Ventilsitz 26 verstellbar ist und mit diesem zusammenwirkt. Die Ventilstange 36 ist in dem Antriebsgehäuse 4 und an dem Sitzelementgehäuse 20 gelagert. An dem Ventilkörper 34 ist ein Drosselzapfen 38 vorgesehen, der mit einer Drosselbohrung 40 in dem Einsatz 24 zusammenwirkt, sodass der Ventilkörper 34 mit dem Drosselzapfen 38 zusammen mit der Drosselbohrung 40 einer Drosselstelle für den Volumenstrom bildet.
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Wie in 2 gezeigt ist, ist zwischen dem Sitzelementgehäuse 20 und dem Einsatz 24 ein Dichtelement 42 vorgesehen, das für die innere Abdichtung zwischen dem Sitzelementgehäuse 20 und dem Einsatz 24 sorgt und das insbesondere bei hohen Druckwerten, die bei Hochdruckventilen auftreten, eine sichere Abdichtung zwischen dem Sitzelementgehäuse 20 und dem Einsatz 24 liefert.
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Das Dichtelement 42 hat einen Kern 44 aus verschleißfestem Material und in Richtung der Klemmdruckbelastung des Dichtelements 42 axial außen liegende Weichdichtungsbeläge 46, 48, wobei der Kern 44 des Dichtelements 42 aus dem gleichen Material besteht wie der Einsatz. Der Kern 44 des Dichtelements 32 und der Einsatz 24 bestehen aus Keramik, Stellit, Hartmetall oder dergleichen. Die Weichdichtungsbeläge 46, 48 bestehen aus Elastomeren, Graphit, PTFE, PEEK oder PCTFE oder dergleichen.
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Wie in 3 gezeigt ist, verlaufen die Konturen zwischen dem Kern 44 und den Weichdichtungsbelägen 46, 48 wellenförmig, kammförmig, spiralförmig oder labyrinthartig, um die Kontaktfläche zwischen dem Kern 44 zu vergrößern und damit den Verbund des Kerns 44 mit den Weichdichtungsbelägen 46, 48 zu verstärken. Die Weichdichtungsbeläge 46, 48 und der Kern 44 des Dichtelements 42 können zum Einbau auf einander gelegt und so verbaut werden. Alternative können die Weichdichtungsbeläge 46, 48 und der Kern 44 des Dichtelements 42 miteinander verklebt oder aufeinander vulkanisiert werden und dann in diesem zusammengebauten Zustand verbaut werden.
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Wie insbesondere in 3 zu erkennen ist, ist das Dichtelement 42 in einer Nut 50 in dem Einsatz 24 und einer Nut 52 in dem Sitzelementgehäuse 20 angeordnet, wobei die Mittellinien der Nuten 50, 52 zusammenfallen. Die Breite der Nut 50 für das Dichtelement 42 in dem Einsatz 24 ist größer als die Breite des Dichtelements 42, wobei in eingebautem Zustand das Dichtelement 42 von beiden Wandungen 54, 56 der Nut 50 in dem Einsatz 24 beabstandet ist. Durch diese Anordnung sind die Seitenwände 54, 56 der Nut 50 von dem Dichtelement 42 so weit beabstandet, dass im Betrieb ein Kontakt des Dichtelements 42 mit dem Einsatz 24 vermieden wird. Ferner sind die Tiefendimensionen der Nuten 50, 52 so gewählt, dass der Kern 44 des Dichtelements 42 im eingebauten Zustand auf der Höhe des Spalts 58 zwischen dem Sitzelementgehäuse 20 und dem Einsatz 24 zu liegen kommt. Vorzugsweise sollte der Spalt 58 etwa mittig zu dem Kern 44 liegen, wodurch sichergestellt wird, dass das ankommende Medium auf dem Kern 44 des Dichtelements 42 auftrifft.
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4 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Dichtelements 60 nach einer alternativen Ausführungsform. Gleiche Teile wie bei der Ausführungsform nach 3 tragen die gleichen Bezugszeichen, wie sie in 3 verwendet sind, und werden daher nicht mehr im Einzelnen beschrieben.
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Das Dichtelement 60 ist in einer Nut 50 in dem Einsatz 24 und einer Nut 52 in dem Sitzelementgehäuse 20 angeordnet. Das Dichtelement 60 umfasst einen Kern 62 und in Richtung der Klemmdruckbelastung des Dichtelements 60 axial außen liegende Weichdichtungsbeläge 64, 66. Der Kern 62 des Dichtelements 60 besteht aus einer Komposit-Anordnung, bei der abwechselnd verschleißfeste, harte Schichten 68 mit Weichdichtungsschichten 70 angeordnet sind, wobei die Schichten 68, 70 quer zu dem Spalt 58 ausgerichtet sind. Die harten Schichten 68 haben gerade Enden 72, 74 und dazwischen eine Ausbuchtung 76, wobei die Ausbuchtung 76 an der in Strömungsrichtung des an strömenden Mediums stromaufliegenden Seite des Dichtelements 60 in Strömungsrichtung ausgebuchtet ist. Die Weichdichtungsschichten 70 haben ebenfalls gerade Enden 78, 80 und dazwischen eine Ausbuchtung 82, wobei die Ausbuchtung 82 an der in Strömungsrichtung des an strömenden Mediums stromaufliegenden Seite des Dichtelements 60 in Strömungsrichtung ausgebuchtet ist. An der stromabliegenden Seite des Dichtelements 60 sind jeweils harte Schichten 68 angeordnet, sodass das anströmende Medium nicht unmittelbar auf die Weichdichtungsschichten 70 auftrifft. Die harten Schichten 68 bestehen vorzugsweise aus Stahl, insbesondere Federstahl. Die Weichdichtungsschichten 70 bestehen vorzugsweise aus Graphit oder PTFE.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Ventilgehäuse
- 4
- Antriebsgehäuse
- 6
- Anschlussflansch
- 8
- Anschlussflansch
- 10
- Eintrittsmündung
- 12
- Austrittsmündung
- 14
- Trennwand
- 16
- Eintrittskammer
- 18
- Austrittskammer
- 20
- Sitzelementgehäuse
- 22
- Gewindeverbindung
- 24
- Einsatz
- 26
- Ventilsitz
- 28
- Diffusor
- 30
- Schraubverbindung
- 32
- Sitzelement
- 34
- Ventilkörper
- 36
- Ventilstange
- 38
- Drosselzapfen
- 40
- Drosselbohrung
- 42
- Dichtelement
- 44
- Kern
- 46
- Weichdichtungsbelag
- 48
- Weichdichtungsbelag
- 50
- Nut
- 52
- Nut
- 54
- Wandung
- 56
- Wandung
- 58
- Spalt
- 60
- Dichtelement
- 62
- Kern
- 64
- Weichdichtungsbelag
- 66
- Weichdichtungsbelag
- 68
- harte Schicht
- 70
- Weichdichtungsschicht
- 72
- gerades Ende
- 74
- gerades Ende
- 76
- Ausbuchtung
- 78
- gerades Ende
- 80
- gerades Ende
- 82
- Ausbuchtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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