DE2539000A1

DE2539000A1 - Kugelventil

Info

Publication number: DE2539000A1
Application number: DE19752539000
Authority: DE
Inventors: Walter Dean Kirkland
Original assignee: Cutter Laboratories Inc
Current assignee: Bayer Corp
Priority date: 1974-09-04
Filing date: 1975-09-02
Publication date: 1976-04-01
Also published as: JPS5152524A; CA1022917A; DE2539000C3; DE2539000B2; JPS5235889B2; US3943959A

Description

Οΐη..ΙΝ·. M.»C.

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATE NTANWiLTf IN STUTTGART

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29. August 1975

Cutter Laboratories Inc. Berkeley, California, USA

Kugelventil

Die Erfindung betrifft ein Kugelventil mit einem eine Ein- und eine Auslaßöffnung aufweisenden Gehäuse und mit einer in einem Innenraum des Gehäuses auf abdichtenden Lagerflächen zwischen einer Offen- und Schließstellung hin und her verdrehbaren Kugel, die in Offenstellung mittels einer im Körper der Kugel vorgesehenen Durchflußbohrung die Ein- und Auslaßöffnung miteinander verbindet und in Schließstellung diese Verbindung mittels des dicht an seinen Lagerflächen anliegenden Körpers unterbricht.

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Kugelventile besitzen gegenüber anderen Ventilarten bestimmte Vorteile. Sie ermöglichen ein unmittelbares Ein- oder Ausschalten einer Strömung durch eine viertel Umdrehung eines Handgriffes, welcher der Kugel des Ventils zugeordnet ist. Kugelventile sind leckdicht, erfordern keine Schmierung und die ringförmigen Lagerflächen der Ventilkugel können im Gehäuse leicht und rasch ausgewechselt werden. Auch der Kugelkörper selbst ist in einfacher Weise austauschbar. Die Kugelventile bestehen ferner aus einer kleinen Anzahl von Teilen einfacher Konstruktion, sie sind daher ohne besonderen Aufwand in einfacher Weise herstellbar.

Wenn Kugelventile jedoch in Anlagen verwendet werden, in denen selbst eine geringfügige Verunreinigung des durch das Ventil strömenden Mediums nicht geduldet werden kann, besitzt dieser Ventiltypus einen Nachteil. Insbesondere bei der Herstellung von Arzneimitteln, parenteralen Lösungen, Nahrungsmitteln und dergleichen ist eine Vermeidung solcher Verunreinigungen von großer Bedeutung. Die Verunreinigung der Kugelventile kommt meist dadurch zustande, daß der die Kugel umgebende Innenraum des Ventilgehäuses sich mit dem betreffenden Medium füllt, wenn die Ventilkugel in Offen- oder Schließstellung gedreht wird. Wenn das Ventil aus der Schließ- in die Offenstellung überführt wird, verläßt ein kleiner Teil dieses abgesperrten Mediums den Raum und tritt aus dem Ventil aus, während gleichzeitig ein gleicher kleiner Anteil des eingeleiteten Mediums von der Einlaßseite des Ventils her in jenen Raum eintritt. Es wurde gefunden, daß die Masse dieses eingesperrten Mediums in dem.Raum zwischen Kugel und Ventilgehäuse verbleibt und nicht gänzlich entfernt werden kann, ohne daß man das Ventil

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vollständig auseinander baut. Dieses eingeschlossene Medium, insbesondere eine Flüssigkeit, kann nachfolqende Chargen einer Lösung mit Stoffen verunreinigen, die in einer zuvor durchgeleiteten Lösung enthalten waren, falls das Ventil beim Durchfließen dieser nachfolgenden Chargen betätigt wird. Mikroorganismen und Pyrogene, welche sich in diesem eingeschlossenen Medium entwickeln können, lassen sich in einem normalen Spülvorgang nicht entfernen und können infolgedessen auch solche Lösungen verunreinigen, die später durch das Ventil fließen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden und die Ansammlung von Verunreinigungen in einem Kugelventil zu verhindern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper der Kugel eine weiträumige, die Durchflußbohrung mit dem Innenraum des Gehäuses verbindende Ausnehmung aufweist, welche sich in Offenstellung des Ventils zum Gehäuseinnenraum hin öffnet und diesen Raum für eine Spülung mit dem das Ventil durchströmenden Medium zugänglich macht.

In der US-PS 3,148,693 ist eine Kugel beschrieben, an deren Seitenflächen zwei Zapfen befestigt werden müssen, so daß die Kugel mit Hilfe von Haken gegen einen Ventilsitz hochgezogen werden kann. Die Dichtungsfläche bei dieser Kugel ist gegen die Strömungsrichtung gerichtet. Es besteht daher eine größere Wahrscheinlichkeit, daß das Ventil leck wird, wenn bei höheren Drücken gearbeitet wird. Um diese Gefahr minimal zu halten, muß ein mit Schraubengewinde versehener Kragen verwendet und dichter aufgeschraubt werden. Dies wiederum führt zu erhöhter Abnutzung an dem Ventilsitzring. Bei dem erfindungsgemäßen

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Kugelventil entfällt die Notwendigkeit, solche Zapfen zu verwenden. Die Ventilkugel wird in keine bestimmte Richtung gezogen, sondern ist zwischen den Ventilsitzringen lediglich "schwebend oder schwimmend" gehalten, so daß an den die Dichtoder Lagerflächen bildenden Ringen nur eine geringfügige Abnutzung auftritt. Außerdem ist die Dichtfläche der Kugel bei dem erfindungsgemäßen Ventil der Strömungsrichtung abgekehrt, so daß in Schließstellung der Druck des das Ventil durchströmenden Mediums die Kugel abdichtend gegen den an der Ventilauslaßseite angeordneten Lagerring preßt. Hierdurch ist ein besserer Abdichtkontakt zwischen der Kugel und dem ringförmigen Ventilsitz gewährleistet.

In der US-PS 3,333,813 ist zwar eine Kugel mit einer Öffnung beschrieben, die es ermöglicht, daß ein Medium aus einem Mittelkanal in den Raum eines Ventilgehäuses fließt, jedoch ist diese Konstruktion nicht imstande, eine Selbstspülung des Ventils oder einen Mediumstrom in den und aus dem Innenraum des Ventilgehäuses zu vermitteln. Der Zweck jenes Kanals liegt lediglich darin, das von dem Ventil gesteuerte Medium in den Gehäuseinnenraum eintreten zu lassen, um den Druck gegen die Lagerringe auszugleichen. Auch bei dieser Ventilanordnung werden zwei Zapfen benutzt, um die Kugel im Gehäuse in einer stabilen Lage zu halten.

Das erfindungsgemäße Kugelventil hat somit nicht nur einen Aufbau, bei dem sich keine verunreinigbaren Tot- oder Leerräume bilden, sondern vermittelt auch weitere, bisher noch nicht erreichbare Vorteile, die insbesondere bei Arznei- und Nahrungsmitteln sowie Getränken von Bedeutung sind. Im nachstehenden wird die Erfindung anhand eines Zwei-Wege-

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Ventils beschrieben. Die Erfindung ist grundsätzlich jedoch auch auf Mehr-Wege-Kugelventile anwendbar.

Das erfindungsgemäße Kugelventil umfaßt ein Gehäuse mit einer offenen, im Gehäuseinneren gelegenen Kammer mit einander gegenüberliegenden Ein- und Auslaßöffnungen. Mit Öffnungen versehene Kugelsitze in Form von Ventilsitzrinqen sind im Gehäuse an den Ein- und Auslaßöffnungen angeordnet. Die Kugel selbst befindet sich in jener Kammer und ist dort schwimmend oder unabgestützt zwischen den Ventilsitzen, an denen sie z. B. flüssigkeitsdicht anliegt, gehalten. Die Kugel weist in herkömmlicher Weise eine axial verlaufende Durchflußbohrung auf und ist zwischen einer Offen- und Schließstellung hin und her verdrehbar. Erfindungsgemäß ist eine große Bohrung, Öffnung oder Ausnehmung im Körper der Ventilkugel in Form einer seitlich angeordneten Rinne vorgesehen, die mit der axialen Durchflußbohrung und dem Innenraum des Ventilgehäuses in Verbindung ist. Bei der Ausbildung dieser seitlichen Rinne ist im wesentlichen alles massive Material des Kugelkörpers entfernt, mit Ausnahme derjenigen Kugelabschnitte, welche für das Anliegen an den die Lagerflächen bildenden Dichtringen an der Ein- und Auslaßseite des Gehäuses wesentlich sind. Ferner sind diejenigen Teile des Kugelkörpers nicht weggenommen, welche das Schließen des Ventils bewirken und einen Schlitz zur Aufnahme eines an einem Bedienungsgriff vorgesehenen Teils aufweisen. Im Betrieb fließt in Offenstellung des Ventils das Medium durch die axiale Durchflußbohrung der Kugel und weiterhin durch die erwähnte seitliche Rinne, welche die Durchflußbohrung mit dem Innenraum des Gehäuses verbindet. Hierdurch kann das durchströmende Medium

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frei im Ventilgehäuse zirkulieren und diesen Raum zu allen Zeiten, in denen das Ventil offen ist, spülen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung, insbesondere gegenüber der US-PS 3,333,813 liegt darin, daß dann, wenn die Kugel des erfindungsgemäßen Ventils in Schließsteilung ist, irgendein Druckaufbau im Gehäuse, wie er beispielsweise auftreten kann, wenn das Ventil erhitzt wird, um die eingefrorene oder festgefressene Kugel zu lösen, verteilt wird, weil die im Kugelkörper vorgesehene, seitliche Ausnehmung in Verbindung mit einem an die Einlaßöffnung angeschlossenen Zuleitungsrohr ist. Das bekannte Ventil würde bei einem solchen Druckaufbau zerstört werden.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Stirnansicht eines Kugelventils in Schließstellung mit Blickrichtung zur Auslaßseite des Ventils;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Kugelkörpers.

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Ein Kugelventil Io umfaßt ein Gehäuse 12 mit Mittelteil 14 und Stirnplatten 16 und 18, die durch Schraubbolzen 2o am Mittelteil 14 befestigt sind. Der Mittelteil 14 weist eine . innere Kammer oder einen Innenraum 22 auf, der sich durch diesen Teil hindurch erstreckt. Die Stirnplatte 16 v/eist ein mit Innengewinde versehenes Kupplungsstück 2 4 in Form eines von der Platte abstehenden Vorsprunges auf, dessen Basis bei 21 abgeschrägt ist und in eine Einlaßöffnung 28 ausläuft. Die Stirnplatte 18 ist in ähnlicher Weise mit einem Auslaßkupplungsstück 3o versehen, welches ebenfalls ein Innengewinde besitzt und über einen abgeschrägten Abschnitt 32 hinweg mit einer Auslaßöffnung 34 verbunden ist. Mit Öffnungen versehene Kugelsitze oder Ventilsitzringe 36, 38 sind an der Verbindungsstelle des Innenraums 22 mit den öffnungen 28 bzw. 34 im Ventilgehäuse angeordnet. Zwischen den Ringen 36, 38 und den Stirnplatten 16, 18 sind Dichtungsringe 4o, 42 vorgesehen, die zwischen den Stirnplatten und dem Mittelteil eine flüssigkeitsdichte Abdichtung vermitteln. Die Dichtungsringe 4o, 42 sowie die Ventilsitzringe 36, 38 können beispielsweise aus an sich bekanntem, elastischem Kunststoff mit guten Abnutzungs-, Elastizitäts- und Schmiereigenschaften bestehen. Die Innenflächen der Ventilsitzringe 36, 38 sind mit kugelförmig gestalteten Flächenabschnitten 44 von solcher Gestalt versehen, daß sie zu einer zwischen den Ringen 36, angeordneten Kugel 46 komplementär sind.

Der Körper der in Fig. 4 im einzelnen dargestellten Kugel 46 weist eine durchgehende, axial verlaufende Durchflußbohrung auf. Die Kugel kann durch Betätigung eines Handgriffes 5o um 9o° verdreht werden, so daß die Bohrung 48 mit den Ein- und

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Auslaßöffnungen 28 bzw. 34 ausgerichtet ist. Dies ist die Offenstellung des Ventils, in welcher ein Medium durch das Ventil hindurchströmen kann. Um die Verdrehung der Kugel zwischen Offen- und Schließstellung zu ermöglichen, ist an der Außenseite der Kugel eine gekrümmte Ausnehmung 5 2 vorgesehen, in welche ein Teil 54 von komplementärer Gestalt eingreift, der seinerseits am Ende einer Welle 56 vorgesehen ist (vergl. Fig. 2) und vom Gehäuse 12 nach außen ragt. Die Welle umfaßt weiterhin einen Bund oder Kragen 58, der in eine Aussparung 6o eingreift, welche der Umschließung und Drehlagerung der Welle dient. Nach außen hin schließt an den Bund 58 ein zylindrischer Abschnitt 62 an, hierauf ein Hals 6 4 mit reduziertem Durchmesser, ein zylindrisches, mit Gewinde versehenes Teil 66 sowie ein abgeflachter Gewindeschaft 68. Der Halterung der Welle 56 am Gehäuse 12 dienen folgende Teile: eine Unterlegscheibe oder Büchse 7o aus Kunststoff, die den zylindrischen Abschnitt 62 umgibt, Unterlegscheiben 72 sowie eine Mutter 74, die auf den mit Gewinde versehenen Teil 66 aufgeschraubt ist. Der Handgriff 5o greift mittels eines Schlitzes oder dergleichen über den abgeflachten Schaft 6 8 und ist auf diesem mittels einer Mutter 76 gehalten. Am Handgriff 5o sind, wie dargestellt, Anschläge 78 und 8o vorgesehen, die an einem als Gegenanschlag dienenden Vorsprung 82 des Gehäuses 12 anschlagen und die Offen- bzw. Schließstellung des Ventils bestimmen und anzeigen.

Der Körper der Kugel 46 weist neben der Durchflußbohrung 4 8 eine große, weiträumige Ausnehmung 84 in Form einer seitlich gelegenen Rinne auf, die von der Bohrung 48 bis an die Außenseite des Kugelkörpers reicht. Die Ausnehmung 84 stellt

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zwischen der Durchflußbohrung 48 und dem Innenraum 22 des Gehäuses 12 eine Verbindung her. Bei der Ausbildung der Ausnehmung 84 werden alle massiven Teile des Kugelkörpers weggenommen, mit Ausnahme derjenigen Abschnitte, welche für das Aufsitzen der Kugel an den Ventilsitzringen 36, 38 erforderlich

Verschluß

sind, welche den dichten / Dewirken und welche zur Aufnahme des Keiles 54 geschlitzt sind. In der Offenstellung strömt das Medium durch die Durchflußbohrung 48 und in gleicher Weise durch die Ausnehmung 84, welche die Bohrung 48 mit dem Innenraum 22 des Gehäuses verbindet. Hierdurch wird erreicht, daß das Medium frei im Gehäuse zirkuliert und diesen Raum immer dann spült, wenn das Ventil in seiner Offenstellung ist. Die Ausnehmung 84 hat auf der Oberfläche der Kugel, wie aus der Zeichnung hervorgeht, im wesentlichen einen ovalen Umriß. Die Kugel 46 selbst kann aus nicht-korrodierendem Metall oder aus Kunststoff bestehen. Sie läßt sich leicht durch Bearbeitung oder Formen in die gewünschte Form bringen, in welcher sie die oben beschriebene Selbstspül-Eigenschaft hat. Die Ausnehmung 84 läßt sich gegenüber der dargestellten Form und Größe ohne weiteres abwandeln, vorausgesetzt, daß der beschriebene Effekt der Selbstreinigung oder Selbstspülung erhalten bleibt.

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Claims

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Patentansprüche

.. Kugelventil mit einem eine Ein- und eine Auslaßöffnung aufweisenden Gehäuse und mit einer in einem Innenraum des Gehäuses auf abdichtenden Lagerflächen zwischen einer Offen- und Schließstellung hin und her verdrehbaren Kugel, die in Offenstellung mittels einer im Körper der Kugel vorgesehenen Durchflußbohrung die Ein- und Auslaßöffnung miteinander verbindet und in Schließstellung diese Verbindung mittels des dicht an seinen Lagerflächen anliegenden Kugelkörpers unterbricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper der Kugel (46) eine weiträumige, die Durchflußbohrung (48) mit dem Innenraum (42) des Gehäuses (12) verbindende Ausnehmung (84) aufweist, welche sich in Offenstellung des Ventils zum Gehäuseinnenraum (22) hin öffnet und diesen Raum für eine Spülung mit dem das Ventil durchströmenden Medium zugänglich macht.
2. Kugelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (46) schwimmend zwischen den Lagerflächen (36,38) angeordnet und an diesen Flächen flüssigkeitsdicht anliegt.
3. Kugelventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (84) so in der Kugel (46) angeordnet ist, daß auch in Schließstellung des Ventils Medium in das Gehäuse (12) eindringt und die Kugel mit erhöhtem Lager-

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druck gegen die Lagerfläche (38) an der Auslaßseite des Innenraums (22) preßt.
4. Kugelventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (84) in der Kugel (46) eine seitlich von der Achse der Durchganasbohrung (48) angeordnete Rinne ist, die durch Entfernen eines Großteils des Kugelkörpers und durch Beibehaltung folgender Kugelteile ausgebildet ist: die an den Lagerflächen (36, 38) anliegenden Teile; der Kugelteil, welcher das Schließen des Ventils bewirkt und ein weiterer, mit einem Schlitz (52) versehener Teil , in den die Betätigungsmittel (5o, 54, 56) zum Verdrehen der Kugel (46) eingreifen.
5. Kugelventil nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerflächen (36, 38) durch Kugelsitzringe mit sphärisch gestalteten Ausnehmungen gebildet sind, welche zur Kugel komplementär qestaltet und mit der Oberfläche der Kugel (46) in Eingriff sind.
6. Kugelventil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (84) der Kugel

(46) im wesentlichen rechtwinklig zur Achse der Durchflußbohrung (48) verläuft und eine Winkelausdehnung bezogen auf die Achse der Bohrung (48) von mehr als 9o hat.

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7. Kugelventil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (84) der Kugel (46) von zwei im Abstand angeordneten, gekrümmten Brückenteilen seitlich begrenzt ist, welche die Lager- und Abdichtflächen bezüglich der Ventilsitzringe (36, 38) sowie einen Teil der äußeren Ränder der Durchflußbohrung (48) bilden.

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