DE2022579A1

DE2022579A1 - Ventil

Info

Publication number: DE2022579A1
Application number: DE19702022579
Authority: DE
Inventors: Koch Ulrich Hubert; Stephen Matousek
Original assignee: WHITEY RESEARCH TOOL CO
Current assignee: WHITEY RESEARCH TOOL CO
Priority date: 1969-05-07
Filing date: 1970-05-08
Publication date: 1970-11-12
Also published as: NL7006651A; CA943524A; BE750122A; ES379407A1; FR2047437A5; GB1308648A; US3623699A

Description

Dr. Ing. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte/ Köln

»Anlage. Aktenzeichen

zur Eingabe vom 6, Mai 197 ο Wi. Name d. Anm. Whitey Res ear ch Tool Co.

Ventil

Die Verwendung von weichen Ringen am Ende eines Ventilstößels,, um damit eine Abdichtung am Sitz des Ventiles zu bilden, ist nicht unüblich. Die erfolgreiche Anwendung einer solchen Vorrichtung bei hohen Drucken ist Jedoch schwierig.

Das in dieser Hinsicht maßgebende Problem ergibt sich aus der Tatsache, daß beim Schließen eines Ventiles bei hohen Strömungs- | mitteldrucken ein sehr beträchtlicher Druckabfall von z. B.

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bis zu 35o kp/cm auf der Oberfläche des weichen Ringes lastet. Der auf der Druckseite herrschende Druck kann den Ring,falls dieser porös ist, durchdringen. Falls der Ring nicht porös ist, wird er deformiert und das Strömungsmittel wandert über ihn hinüber. Bei einer plötzlichen Druckentlastung, z, B. beim öffnen des Ventils , erzeugt das unter Druck stehende Strömungsmittel, das sich hinter dem Ring aufgebaut hat, unausgeglichene Kräfte, die den Ring aus dessen tage herausdrücken.

Es hat sich gezeigt, daß bestimmte Beschränkungen in den Abmessungen, die Härte des Materialsund sogenannte Scher strömungs- .'.* charakteristika für das Versagen dieses Dichtungsringes ent- scheidend sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung ein Ventil in einer Leitung vor, wobei dieses Ventil einen Einlaß und einen Auslaß aufweist. In den Durchgang zwischen Einlaß und Auslaß ragt ein Ventilstößel hinein und dieser Ventilstößel sitzt in einer Schraubkappe, in der Dichtmittel angeordnet sind. Am unteren oder inneren Ende des Ventilstößels ist eine Fläche mit einem Ring aus einem weichen Material vorgesehen. In dem Durchgang zwischen Einlaß und Auslaß liegt etwas erhöht ein Ventilsitz., an den sich der Ring anlegt. Das· weiche Material des Dichtringes ist so in die Bäche des Ventil- « _ΏΜ 003846/134?

BAD ORlGlNAU «

stößeis eingesetzt und der ringförmig angehobene Flächenabschnitt des Ventilsitzes ist so bemessen, daß der Sitz etwas weniger als die gesamte freiliegende Oberfläche des Ringes berührt. Gemessen in der Achsrichtung des Stößels hat der angehobene Sitz eine Höhe,, die geringer als die Dicke dös Ringes ist. .

Die Erfindung betrifft nun die Ausbildung eines Ventlies mit einem Ventilstößel, in dem ©in weicher Ring eingebettet ist, der an dem angehobenen Sitz anliegt. Die spezielle Aufgabe der Erfindung liegt nun in einer solchen Ausbildung des weichen Dichtringes, daß er bei schnellen Druckänderungen seine Lage nicht mehr so schnell wie bei bekannten Ventilen verändert.

Eine weitere Aufgabe der ERfindung liegt in der Ausbildung eines Ventilstößels mit einem weichen Ring an seiner Dichtfläche, der Verformungen weniger stark ausgesetzt und gegenüber dem Druckmittel weniger durchlässig als die Ringe bekannter Ventile ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Ausbildung eines Verfahrens zum Einbau eines Ringes von überlegenen physikalischen Eigenschaften in eine Ausnehmung am Ende eines Ventilstößels.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient die folgende Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführüngsformen. In der Zeichnung ist;

Figur 1 eine Seitenansicht, teilweise im

Schnitt, eines erfindungsgemäßen Ventils,

Figur 2 eine vergrößerte Seitenansicht, teil

weise im Schnitt, des Ventilsitzes und des auf diesem aufliegenden Endes des Ventilstößels,

¥ 52/k _2-

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Figur 3 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt,

einer abgeänderten Ausführungsform des Ventilstößels,

Figur 'Jl eine Seitenansicht des Ventilstößels und

Figur 5 in vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht,

teilweise im Schnitt, des unteren Endes des Ventilstößels vor dem Einsetzen des welchen Dichtringes.

Figur 1 zeigt ein Ventil 8, mit einem Ventilkörper Io mit einem Durchgang 12, der zwischen einem Einlaß 14 und einem Auslaß " 16 verläuft. In erhöhter Lage ist ein ringförmiger Sitz 18 vorgesehen. Er liegt in dem Durchgangskanal 12. In einer Bohrung 2o des Ventilkörpers Io liegt ein Ventilstößel 22, der von oben in den Durchgangskanal 12 hineinragt. Der Ventilstößel wird von einer Schraubkappe 24 gehalten, die in dem Ventilgehäuse Io durch eine überwurfkappe 26 gehalten wird, die ihrerseits auf das Gewinde 28 des Ventilgehäuses Io aufgeschraubt 1st. Die Schraubkappe 24 weist auf ihrer Außenseite Gewindegänge 3o auf, auf die eine Kontermutter 32 aufgeschraubt 1st. Mit dieser Kontermutter 32 läßt sich das gesamte Ventil an einer Platte oder einem anderen Maschinenteil befestigen.

Auf dem Außengewinde.3o sitzt weiter noch eine Schraubkappe 34, die die Auswärtsbewegung des Ventilstößels 22 begrenzt. Sie hält weiter die in'der Bohrung 38 angeordnete Abdichtpackung fest. Die unteren Enden der Hülse 24 und des Stößels 22 weisen gegensinnige Gewinde ¹Jo auf· Hit diesen Gewinden wird die Stellung der Abdichtfläche des Ventilstößels gegenüber dem Ventilsitz 18 eingestellt. Zum Verschieben des Ventilstößels 1st auf dessen Außenende Hoch ein Handgriff 42 aufgesetzt, der mit einer Schraube 43 gehalten wird. Diese Schraube 43 dringt bis in eine Bohrung 44 im Stößel 22 ein.

Figur 5 zeigt das untere Ende des Ventilstößels im Schnitt vor W 52/4 -3-

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dem Einsetzen des weichen oder halbharten Dichtungsringes .46. Eine ringförmige Ausnehmung 48 ist in der Stirnseite des vergrößerten unteren Endes 5o des Ventilstößels 22 vorgesehen. Die Aussparung 48 und ein zentrisches Sackloch 52 begrenzen zwei koaxiale ringförmige Schultern 54 und 56 , die im folgenden die innere und die äußere Schulter genannt werden.

Figur 2 zeigt, daß das untere Ende des Ventilstößels unter Bildung des vergrößerten Kopfes. 5o auseinandergeht. An der Übergangsstelle zwischen dem vergrößerten Kopf 5o und dem Schaft des Stößels 22 entsteht eine Schulter 58. Der Durchmesser dieser Schulter 58 ist größer als der Durchmesser der Bohrung 38 in der Hülse 24. Bei £ voller öffnung des Ventils liegt die Schulter 58 dichtend an einer Anschlagfläche 60 am unteren Ende der Hülse 24 an. Die Schulter 58 und die Anschlagfläche 60 bilden gemeinsam eine Abdichtung, die in bestimmten Zeitpunkten das Eindringen von Strömungsmittel in die Gewindeflächen verhindert. Der Hauptzwweck dieser Dichtung liegt jedoch darin, bei einem Ausfall der Dichtung 36 ein übermäßiges Durchlecken durch die Gewindegänge 4o zu verhindern, bis eine Reparatur möglich ist. Abhängig von der Ventileinstellung vermindert diese Dichtung weiter eine Verschmutzung des Gewindes.

Figur 3 zeigt eine Abänderung des unteren Endes des Ventilstößels. Diese Ausfuhrungsform wird verwandt, wenn der Durchtritt des Strömungsmittels reguliert werden soll. In der gezeigten Ausführung "ist die Verdickung 5o in έ Axial-richtung etwas herabgesetzt, so daß ein freier Raum zu Aufnahme einer langgestreckten Nase oder Steuerzapfens 62 entsteht, der an das Innenende des Stößels angesetzt ist und einen sich verjüngenden Durchmesser aufweist. Dieser Steuerzapfen ragt in den Durchgang 12 hinein. Mit dem Durchgang 12 bildet er einen HingSpält von o,o25 oder o,o5o mm. Damit werden sowohl ein Verkleben wie auch große Saugdrucke verhindert. An Figur 3 erkennt man sofort, daß die Menge der durch das Ventil durchtretenden Strömung von der Eindringtiefe des Steuerzapfens 62 in den Durchgang 12 abhängt.

W 52/4 -2}..

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BAD

Bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, daß es eine Anzahl von Entwurfsgrößen gibt, die einen beträchtlichen Einfluß auf das Ventilverhalten ausüben. Ganz entscheidend ist zum Beispiel der Charakter des weichen Ringes, sowohl was dessen Form wie auch was dessen Material angeht. Bei einer Herstellung des Ringes aus z. B. Polytetrafluoräthylen oder Monochlortrlfluoräthylen (diese Werkstoffe eignen sich sehr gut für die Verwendung in einem Ventil) ermöglichen die Scherflußeigenschaften dieser Werkstoffe bei Druckbelastung, daß sich der erhöhte Ventilsitz durch den Ring des bis zum Boden der Aussparung 48 einschneidet. Dies ist offensichtlich ä von Nachteil und führt zu einem Versagen des Ventils.

Bei einem zu dünnen Ring wird seine Biegsamkeit zu groß. Der Ring kann nicht mehr den Kräften widerstehen, die ihn aus seinem Sitz hinausdrücken. Die in der Längsrichtung des Ventilstößels gemessene Stärke des Ringes sollte daher ausreichend groß sein, um ein Durchschneiden des Ringes zu verhindern und um sicherzustellen, daß er nicht zu flexibel wird.Bei Versuchen hat sich gezeigt, daß die Wirksamkeit der Ventilabdichtung über lange Zeitabschnitte umso besser wird, je stärker die Dicke des Ringes 46 in bezug auf die Höhe des angehobenen Ventilsitzes 18 ist. Ebenso trifft es jedoch auch zu, daß bei einem dickeren Ring auch die ihn aufnehmende Aussparung tiefer " sein muß. Eine tiefere Aussparung ist allerdings schwieriger herzustellen. Aus diesem Grunde wird man den Ring so dünn wählen, wie es unter Beachtung anderer Betriebseigenschaften möglich ist.

Bei Versuchen hat sich gezeigt, daß der Ventilstößel normalerweise zufriedenstellend arbeitet, so ü lange wie die Höhe des angehobenen Ventilsitzes die Dicke des weichen Ringes nicht übersteigt. Infolge von Tolerarizbegrerizürigen und der Schwierigkeit, tiefe Aussparungen zu fertigen, hat sich eine Höhe des angehobenen Ventilsitzes 18 bei Ventilen mit kleineren Querschnitteh von etwa Oj8 mm als güristig herausgestellt. Die Dicke des Ringes 46 sollte diesen Wert im allgemeinen etwas überschreiten;

W B2/4 -5-

00Si£Ü6/i 34? BADORlGlNAt v^:

Verschiedene Werkstoffe sind zum Herstellen des Ringes 46 verwandt worden und es sind ausgedehnte Studien durchgeführt worden, um diejenigen Werkstoffe zu ermitteln, die für die vorliegende Anwendung die besten physikalischen Eigenschaften zeigen. Eine große Anzahl von Werkstoffen ist im allgemeinen brauchbar, sofern sie zweckentsprechend angewendet werden. Zu diesen Werkstoffen gehören Kautschuk, Tetrafluoräthylen, Monochlortrifluoräthylen und bestimmte weiche Metalle, wie Kupfer und Blei. Der im folgenden verwandte Ausdruck "weiche metallische Substanzen" soll sich auf diese weichen Metall wie auch auf Legierungen daraus beziehen. Bei der Herstellung der Ringe aus Kautschuk sollte dieser Kautschuk eine Durometerhärte von mindestens 9o aufweisen. Bei einer Fertigung aus unplastifiziertan Monochlortrifluoräthylen sollte die spezifische Dichte bei mindestens 2,15 liegen.

Es ist bekannt, daß die Mehrzahl der auf dem Markt befindlichen Teflon-Werkstoffe porös sind. Wegen der bei bestimmten Ventilanwendungen auftretenden hohen Drucke führt diese Porösität dazu, daß das Strömungsmittel von der Hochdruckseite des Ventiles in den Ring eindringt. Dies führt wiederum dazu, daß sich hinter dem Ring eine Hochdrucktasche bildet. Beim öffnen des Ventiles werden durch den in dieser Tasche herrschenden Druck Kräfte erzeugt, da der Druck auf der Außenseite des Ringes 46 rasch abnimmt, und der Ring wird aus seiner Aussparung am Stößelende herausgedrückt. Aus diesem Grunde muß man die Porosität von Teflon, das für Ringe in Hochdruckventilen verwandt werden sollherabsetzen. Versuche haben gezeigt, daß eine Verdichtung des Teflon bis auf eine spezifische Dichte von mindestens etwa 2,15 zu einer ausreichenden HiekfcÄlMSHeNicht-Porosität führt.

Ein weiterer wichtiger Faktor liegt in der Gestalt der konzentrischen Schultern 54 und 56, die auf den Ring 46 einwirken. Falls man diese Schultern* radial gesehen, zu dünn ausbildet j zersplittern sie bei einem Aufdrücken auf die Kanten des Ringes. Auf der anderen Seite müssen die Schultern stark genüg sein* üiü den Ring 46 zu halten, und gleichzeitig bildsam genug, um öhrte Zörsplitfcerü W 52/H -(J-

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von der in Figur 5 gezeigten Form auf die inFigur 2 gezeigte Form überzugehen, bei der sie sich unter dem Ring nach innen gebogen haben. Bei vielen Anwendungen durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß sich bei einer Dicke der Schultern in der Größenordnung von etwa 0,630 mm bis etwa o,75o mm gute Ergebnisse einstellen.

Offensichtlich muß zwischen den umgebogenen Rändern der Schultern 54 und 56 und den Kanten des angehobenen Sitzes 18 ein freier Raum bestehenbleiben, um ein Aneinanderstoßen der Schultern und des Sitzes bei einem Schließen des Ventils zu verhindern. Gleichzeitig muß der Sitz jedoch bei geschlossenem Ventil möglichst den gesamten Ring abdecken, so daß der Ring bei der Einwirkung der hohen Drucke möglichst von allen Seiten vollständig abgestützt wird. Hierdurch wird der Ring vor den bei hohen Drucken auftretenden beträchtlichen Höften geschützt. Eine Deformation des Ringes und Kaltfließen des Materials werden herabgesetzt. Hierdurch wird die Beständigkeit der Abdichtung erhöht. Bei einigen Anwendungen hat sich ein Abstand von etwa o,18ο ram zwischen den Kanten der Schultern und den entsprechenden Kanten des angehobenen Sitzes als günstig herausgestellt.

Zum ERzielen einer guten Betriebsweise des Ventilstößels 22 muß man ein bestimmtes Verfahren zum Einsetzen des weichen Ringes 46 in die Stirnseite des Stößels befolgen. Der erste Schritt liegt darin, in der Abdichtfläche des Stößels zwei konzentrische Ringe 54 und 56 auszubilden. Hierzu wird man entweder zuerst die zentrische Ausnehmung 52 ausbohren oder auf andere Weise herstellen, dann die ringförmige Ausnehmung 48 ausbilden, oder auch die Reihenfolge dieser Arbeltsgänge umkehren oder schließlich das Ausbohren und Ausdrehen oder dergleichen gleichzeitig bewirken. Man kann jeden dieser Verfahrensschritte anwenden, solange wie die richtige Ringdicke erreicht wird und solange wie die Schultern eine gleichförmige Festigkeit" erhalten. Veiter muß dafür gesorgt werden, daß eine zufällige Verformung der Schultern verhindert wird. Die Aussparung 48 sollte,die für die Aufnähme des weichen Ringes 46« ;-W 52/4 ■:■■■- /.; > V:-. >■:=,? ■&*:-£; -„ .r_;.:.....-■ Λ -■ ;^; - ' -7- :. ^- - ^:

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BADORIQtNAL -

' erforderliche Tiefe aufweisen und ermöglichen, daß die Ränder der Schultern über dem Ring abgebogen werden können. Zur. Erläuterung sei angegeben, daß bei einem angehobenen Sitz von 0,800 mm eine Tiefe der Aussparung von etwa 2,35 mm und eine Schulterdicke von etwa 1,57 mm gute Ergebnisse gebracht haben.

Nach dem Einsetzen des Ringes in die Aussparung werden die Schultern um einen Winkel von etwa H5 abgebogen. Hierdurch werden die Ränder der Schultern über den Rand des Ringes k6 gelegt. Anschließend müssen die umgebogenen Ränder der Schultern noch ganz an den weichen Ring angedrückt werden. Hierzu sollte man mit einer flachen Platte oder dergleichen plötzlich einen starken Druck ausüben. Hierbei werden die umgebogenen Ränder W der Schultern in den weichen Ring eingedrückt und es findet ein gewisses Kaltfließen des Ringes statt. Es ist hierbei wichtig, daß die Schultern genügend fest und eng um die Kanten des Ringes 48 umgebogen werden sollten, um damit einen dichten Sitz des Ringes in der Aussparung zu erhalten. Anderenfalls kann unter Druck stehendes Strömungsmittel in den Raum hinter dem Ring eindringen und zu den beschriebenen unerwünschten Polgen führen,

Patentansprüche:

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8AD

Claims

Dr. Ing. E. BERKENFELD ■ Dipping.H. BERKENFELP, Patentanwälte, KdIn Anlage _ Akfertteichen zur Eingabe vom 6, Mal . 197« Wl. Name d. Anm. WhIt ey Research Tool GO.■ Pat e η ta η s ρ ,r ü c h e

1) ■ Ventil mit einem Ventilgehäuse mit einem Durchgang zwischen einem Einlaß und einem Auslaß, einer Bohrung in dem Ventilgehäuse, zur Aufnahme eines Ventilstößels, mit einer Ventilbetätigungsvorrichtung am Außenende des Ventilstößels und mit einer Stirnseite am Innenende des Ventilstößels, und mit einem Ventilsitz in dem Durchgang, der mit der Stirnfläche | unter Bildung einer Dichtfläche zusammenarbeitet,· dadurch gekennzeichnet, '-."

daß der Sitz einen ringförmigen angehobenen Abschnitt (l8j aufweist, die Stirnfläche des Ventilstößel^ (22) und der Sitz senkrecht zur Achse des Ventilstößels (22) liegen, die Stirnfläche eine ringförmige Ausnehmung (48) aufweist, die zwischen konzentrischen ringförmigen Schultern (54, 56) auf der Stirnfläche liegt, ein.halbharter Ring (46) in der Ausnehmung angeordnet ist, und mindestens eine der Schultern (44,46) über den Kanten des Ringes (46) auf den Ring niedergedrückt ist. .:.:' ■.. ' ..._ - ' ; - - ν'". - ^; ■' '■; .:

2) Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, * daß der Stößel (22) in einer Verdickung (5o) ausläuft, diese Verdickung die Stirnfläche enthält, &an derdem Handgriff

(42) zugewandten Seite der Verdiekung eine Schulter (58) vorgesehen ist, die einen sich radial in Richtung auf die Stirnfläche vergrößernden Durchmesser aufweist, die Oberfläche der ^-Verdickung (5o) radial außerhalb der Achse zwischen der Stirnfläche und der Schulter (58) eine t Zylinderfläche bildet, deren Achse koaxial zu der Achse des Stößels (22) liegt und in der Bohrung eine Schraubhül3e (24) angeordnet ist, die eine nach innen gerichtete ringförmige Anschlagfläche aufweist, die zur Bildung einer Dichtung (6o) mit der Schulter (58) zusammenwirkt,

^{w 52/if} 009846/ 1347 -9-

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3) Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige angehobene Abschnitt (18) eine den DurchgangC12) umschließende ringförmige Kante aufweist, die konzentrisch zu dem Stößel (22) liegt, und diese Kante eine radiale Stärke aufweist, um den Ring (46) ohne gleichzeitige Berührung einer der beiden Schultern (54)(56) zu berühren.

4) Ventil nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Erstreckung des Ringes (46) größer als die lineare Erstreckung der Kante (18) ist, gemssen parallel zu der Achse des Stößels .

5) Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Erstreckung der Kante (18) mindestens etwa o,793 mm beträgt. .

6) Ventil nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet _} daß der Ring (46) aus Polytetrafluoräthylen, Polyrnnnochlortrifluoräthylen, weichem Metall oder Kautschuk besteht»

7) Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (46) aus Kautschuk mit einer Durometerhärte von mindestens 9o besteht.

8) Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (46) aus Polytetrafluoräthylen mit einer spezifischen Dichte von nicht¹ weniger als etwa 2,15 besteht.

9) Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (46) aus unplastifiziertem Polymonochlortrlfluoräthylen besteht.

10) Ventil nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (22) eine Nase (62) aufweist, die über die Stirnfläche des Stößels hinaus in den Durchgang (12) hinein-W 52/4 -lo-

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. " ragt.

11) Ventil nach Anspruch 1 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Stärke der Schultern (54,56) nicht größer als etwa o,764 mm ist.

12) Verfahren zum Einbau eines Dichtringes in die Stirnseite eines Stößels bei einem Ventil gemäß den Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensstufen:

1) Einschneiden einer ringförmigen Ausnehmung in die Stirnseite

des Stößels mit einer Tiefe von mehr als etwa o,793 mm; |

2) Ausbilden von konzentrischen Schultern (54,56) auf der Stirnseite mit einer radialen Stärke von nicht mehr als etwa o,764 mm, b wobei je eine Schulter auf jeder Seite der Aussparung vorhanden ist;

3) Einsetzen eines Ringes mit einer axialen Dicke von mehr als etwa o,793 mm in die Aussparung;

4) Verformen der Kanten der Schultern in Richtung aufeinander um einen Winkel von etwa 45° inbezug auf die Stirnseite und

5) Andrücken der Schultern mit einem flachen Werkzeug und Ein- · drücken der Kanten der Schultern in das Material des Ringes,

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