DE2609446A1 - Kugelventil - Google Patents

Description

(Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der japanischen Voranmeldung Nr. 1975-115882 vom 25. September 1975 in Anspruch genommen.)

Die Erfindung betrifft ein Kugelventil, das aus einem Ventilgehäuse aus zwei oder mehreren Gehäuseteilen, einem Ventilglied, zwei zwischen dem Ventilglied und dem Ventilgehäuse angeordneten und als Ventilsitze dienenden ringförmigen Dichtungen und einer drehbar im Ventilgehäuse geführten Ventilglied-Stellwelle besteht.

Kugelventile dieser Art werden in Rohrleitungen eingebaut, um einen Durchgang für ein Strömungsmittel wahlweise freizugeben oder zu sperren. Das Strömungsmittel kann dabei aus einer ggf. unter einem hydraulischen Druck stehenden Flüssigkeit, einem druckbeaufschlagten Gas oder auch aus Dampf bestehen. Bei sämtlichen Anwendungen muß ein derartiges Kugelventil für langjährigen, leckfreien Einsatz ausgelegt sein und soll sich dabei leicht, d.h. mit geringer Stellkraft in die öffnungs- oder die Schließstellung betätigen lassen. Darüber hinaus sollte ein derartiges Kugelventil in der Lage sein, außergewöhnlich hohen Temperaturen wie z.B. den im Falle eines Brandes möglichen Temperaturen zu widerstehen, ohne daß das das Kugelventil in der Schließstellung seine Dichtigkeit und damit die Schließfunktion infolge des Schmelzens des Ventilsitzes verliert. Zur

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Erfüllung der gestellten Anforderungen sind bereits mehrere unterschiedliche Kugelventile vorgeschlagen worden.

Diesen bekannten Ausführungen gegenüber unterscheidet sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene Kugelventil dadurch, daß es mit geringeren Stellkräften betätigbar ist, auch bei plötzlichen Schwankungen des Innendrucks innerhalb des Ventils kein Leckfluß an der Ventilglied-Stellwelle auftritt und das Ventil auch bei durch extrem hohe Temperaturen verursachten Schäden an den Dichtungen weiterhin einwandfrei schließt.

Die leichtere Betätigbarkeit des Ventils, d.h. eine leichtere Verstellbarkeit des Stellhebels steht im Prinzip der Forderung nach höherer Dichtigkeit entgegen. Zur Verbesserung der Dichtigkeit müssen die als Ventilsitze dienenden und die Dichtungsfunktion ausübenden Dichtungen zwischen dem Ventilgehäuse und dem in diesem befindlichen, verstellbaren kugeligen Ventilglied gegeneinander beaufschlagt sein. Diese Beaufschlagung bedingt jedoch wiederum eine höhere Reibungskraft, welche der von außen her einwirkenden Stellkraft auf das Ventilglied entgegenwirkt und damit eine höhere Stellkraft erforderlich macht. Zur einwandfreien Abdichtung gegen ein Strömungsmittel, in dem ein Druckunterschied im Dichtungsbereich herrscht, kann ein diesem Druckunterschied entsprechender Druck im Dichtbereich erzeugt werden. Quer zum Dichtbereich kann eine Vorrichtung vorgesehen sein, vermittels welcher ein ausreichend hoher Druck erzeugt wird, um unabhängig von der Größe des Dichtbereichs die gewünschte Dichtigkeit zu erzielen. Auf diese Weise läßt sich die Verstellbarkeit des Ventilglieds verbessern, wobei eine hohe Dichtigkeit erhalten wird, wenn diese Vorrichtung in der Weise ausgebildet ist, daß sie die Fläche des Dichtungsbereichs verringert und gleichzeitig den erforderlichen Druck in diesem Bereich erzeugt.

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In der Praxis wirkt jedoch der Druckunterschied des Strömungsmittels nicht nur auf jede einzelne Dichtung, sondern auch auf die gesamte Oberfläche des kugeligen Ventilglieds ein, wobei die auf das Ventilglied einwirkende Kraft im wesentlichen konstant bleibt. Eine Verringerung der Größe der Dichtfläche führt daher zu einem höheren Oberflächendruck an der Dichtfläche, welcher durch den Druck im Strömungsmittel vorgegeben ist, und außerdem zu höheren Reibungswiderständen. Entsprechend den Grundgesetzen der Mechanik wird die Reibungskraft ausgedrückt durch das Produkt aus einer senkrecht auf die Reibungsfläche einwirkenden Kraft und einem Reibungskoeffizienten dieser Reibungsfläche, welcher von der Größe derselben unabhängig ist. Aus dem mechanischen Reibungsgesetz ergibt sich, daß bei gleichbleibender Einwirkkraft auf das Ventilglied die zur Betätigung desselben benötigte Stellkraft nicht dadurch verringert werden kann, daß lediglich die Formgebung und/oder die Anordnung der Reibungsfläche verändert wird.

Fluorkohlenstoffpolymere wie z.B. Äthylentetrafluoride und Äthylentrifluoride, die bereits als Werkstoffe für Kugelventile der hier beschriebenen Art verwendet werden, weisen besondere Eigenschaften auf. Diese Polymere sind in chemischer Hinsicht besonders stabil und neigen insbesondere nicht zur Reaktion mit anderen Werkstoffen, so daß sie auch nicht an diesen haften. Ihre Stabilität ist auch bei verhältnismäßig niedrigen oder hohen Temperaturen gegeben. Außerdem weisen diese Polymere gute mechanische Eigenschaften und niedrige Werte des Reibungskoeffizienten auf. Das ist auch der Fall bei "Festkörper"-Reibung, d.h. bei langsamer Relativbewegung, bei der es schwierig ist, andere Werkstoffe wirksam zu schmieren. Andere Werkstoffe weisen derart niedrige Reibungskoeffxzxenten nur bei hohen Gleitgeschwindigkeiten und bei Vorhandensein eines Gleit- oder Schmiermittels an der Reibungsfläche auf. Eine weitere, in diesem Zusammen-

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hang wichtige Kennlinie ist der Verlauf der Reibungskraft in Abhängigkeit von Änderungen der auf die Reibungsfläche ausgeübten Kraft. Für die meisten Werkstoffe sind diese Kennlinien linear und entsprechen damit genau dem Reibungsgesetz der Mechanik. Bei Fluorkohlenstoff-Polymeren ist jedoch die Kraft-Reibungs-Kennlinie nicht durchgehend linear, indem die Reibungskraft proportional zur Kraft bis zu einem vorbestimmten Wert zunimmt und sich dann von diesem Wert an für höhere Kraftwerte zur Kraftachse hin abflacht und dann praktisch parallel zur Kraftachse verläuft. Bei entsprechender Ausnutzung dieser besonderen Eigenschaften der Fluorkohlenstoff-Polymere lassen sich sowohl die Dichtigkeit des Kugelventils als auch dessen Verstellbarkeit wirksam verbessern. Fluorkohlenstoff-Polymere weisen jedoch eine andere mechanische Eigenschaft auf, die besonders für Ventilsitze mit kleiner Berührungsfläche nachteilig ist. Dieser Nachteil besteht in der geringen mechanischen Festigkeit, insbesondere der leichten Verformbarkeit. So führt beispielsweise eine über längere Zeit hinweg anhaltende Biegeverformung zu einer dauerhaften Verzerrung oder Verformung. Das dürfte darauf zurückzuführen sein, daß das bei anderen Werkstoffen bei verhältnismäßig hohen Temperaturen beobachtete Kriechen bei den Fluorkohlenstoff-Polymeren auch bei normalen Temperaturen auftritt. Aus diesem Grunde ist es unmöglich, bei Dichtungen aus Fluorkohlenstoff-Polymeren die Größe der Berührungsfläche unter einen bestimmten Wert zu verringern, der durch Festigkeitsgesichtspunkte vorgegeben ist. Dieses Problem läßt sich dadurch lösen, daß bei Fluorkohlenstoff-Polymeren ihr im Vergleich zu Biegebeanspruchungen gegenüber Druckbeanspruchungen höherer Widerstandswert ausgenutzt wird. Dauerhafte Verformungen von Fluorkohlenstoff-Polymeren aufgrund dieses Kriechens sind in erster Linie auf Biegebeanspruchungen zurückzuführen und lassen sich daher dadurch verringern, daß eine der Biegebeanspruchung entgegenwirkende Kraft ausgeübt wird und folglich die Biegebeanspruchung der Polymeren in der Hauptsache in eine Druckbeanspruchung umge-

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wandelt wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines einwandfrei abdichtenden Kugelventils, das mit geringer Stellkraft betätigbar ist und auch nach erfolgter Überhitzung wie z.B. aufgrund eines Feuers seine Schließfunktion behält.

Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Kugelventil der eingangs genannten Beschaffenheit ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß jede Dichtung eine den Durchflußweg umgebende Ringnut, einen teilweise gegen die Kugeloberfläche des Ventilglieds beaufschlagten, biegsamen Randflansch und einen in Preßsitz in die Ringnut eingesetzten, elastischen Dehnring aufweist, der dazu dient, den biegsamen Randflansch gegen das Ventilglied, und die nach außen weisende Seitenwand der Dichtung gegen die ringförmige Bodenwand einer am Ventilgehäuse ausgebildeten Ringnut zu beaufschlagen.

Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kugelventil werden die oben beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften der Fluorkohlenstoff-Polymere ausgenutzt und gleichzeitig die nachteiligen Eigenschaften weitgehend aufgehoben, so daß das Kugelventil nicht nur mit sehr geringer Stellkraft betätigbar ist, sondern auch bei hohen Temperaturen wie z.B. den bei einem Brand auftretenden Temperaturen seine Dichtigkeit beibehält. Bei den verwendeten Fluorkohlenstoff-Polymerdichtungen kann selbstverständlich die Verschleißfestigkeit vermittels bekannter Zuschlagstoffe wesentlich gesteigert werden. Entsprechend einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelventils ist für jede aus diesem Werkstoff bestehende Dichtung ein Raum vorgesehen, in welchen die Dichtung bei Beaufschlagung durch Beanspruchungen während des Betriebs ausweichen kann, um Verschleiß zu verringern und eine elastische Verformung der Dichtung zu gestatten. In die Dichtung ist ein elastisches Dehnglied in Form einer endlosen Ring-

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spirale eingesetzt, welche in der Schließstellung des Ventilglieds eine gewünschte Beaufschlagungskraft für die Dichtung vorgibt. Außerdem ermöglicht das Dehnglied, die Berührungsfläche zwischen Ventilglied und Dichtungen zu verringern, so daß das zum Verstellen des Stellhebels für das Ventilglied benötigte Drehmoment im Vergleich zu bekannten Kugelventilen auf etwa den halben Wert herabgesetzt ist, jedoch die Standfestigkeit des Ventils in keiner Weise beeinträchtigt ist.

Bei Kugelventilen wird im allgemeinen die Durchlaßausnehmung im Ventilglied bei Drehverstellung desselben mit dem das Ventilglied umgebenden Ventilgehäuseinnenraum in Verbindung gebracht, so daß das Strömungsmittel in diesen Raum eintreten kann und dieser Innenraum unter einem höheren Druck steht, welcher ggf. erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist. In der Schließstellung des Ventilkörpers ist das Strömungsmittel in diesem Innenraum eingeschlossen und wird durch die Dichtungen an einem Rückströmen in den Strömungsweg gehindert. Das in diesem Innenraum eingeschlossene Strömungsmittel durchbricht in vielen Fällen die Dichtung an der Ventilglied-Stellwelle und tritt nach außen aus. Dieses Problem wird beim erfindungsgemäßen Kugelventil beseitigt, wobei das im abgeschlossenen Raum ggf. eingeschlossene Strömungsmittel wieder in den Strömungsweg zurückgeleitet wird.

Beim erfindungsgemäßen Kugelventil werden Druckschwankungen bei geöffnetem oder geschlossenem Ventilglied durch den zur Aufnahme von Biegung jeder Dichtung dienenden Raum aufgenommen, der durch den elastischen Dehnring druckbeaufschlagt ist. Der elastische Dehnring nimmt außerdem Druckstöße, die beim öffnen oder Schließen des Ventils auftreten können, auf und verhindert eine Beschädigung des Ventils. Wenn das erfindungsgemäß ausgebildete Ventil extrem hohen Temperaturen wie z.B. den bei einem Brand auftretenden Temperaturen ausgesetzt ist, so daß die als Ventilsitze dienenden Dichtungen

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aus Fluorkohlenstoff-Polymer schmelzen oder weich werden und aufgrund des in der Schließstellung befindlichen Ventilglieds auf sie einwirkenden Drucks zusammengedrückt werden, verlieren die Dichtungen ihre Dichtungsfunktion. Obwohl das Kugelventil nach einem Schmelzen der Dichtungen nicht mehr verwendet werden kann, bleibt die Abdichtung auch bei dieser Betätigung erhalten.

Bei dem erfindungsgemäßen Kugelventil sind die Dichtungen für leichte Verstellbarkeit des Ventilglieds, die Aufnahme von Überdrücken und Druckstößen und zur Aufrechterhaltung der Dichtungsfunktion auch bei überhitzung wie z.B. durch Feuereinwirkung ausgelegt. Diese Vorteile gleichen reichlich den Umstand aus, daß das Ventilgehäuse im Bereich der Dichtungssitzflächen bearbeitet werden muß.

Das erfindungsgemäße Kugelventil ist im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, in welchen

Fig. 1 ein axialer Aufrißquerschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kugelventils,

Fig. 2 ein in einem größeren Maßstab dargestellter Aufriß einer im Kugelventil als Ventilsitz verwendeten Dichtung mit einem elastischen Dehnring,

Fig. 3 eine teilweise im Schnitt entlang der

Linie III-III von Fig. 2 gehaltene Ansicht der Dichtung,

Fig. 4 eine Ansicht des Dehnrings,

Fig. 5 ein in einem größeren Maßstab gehaltener Teilquerschnitt zur Veranschaulichung der Berührung zwischen Ventilglied und

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Dichtung und des Einbaus der Dichtung in das Ventilgehäuse, und

Fig. 6 eine Fig. 5 entsprechende Ansicht einer

weiteren Ausführungsform ohne Randflansch 17 ist.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelventils ist in den Fig. 1-5, und eine zweite Ausführungsform in Fig. 6 dargestellt. Das äußere Ventilgehäuse 11 besteht beispielsweise aus zwei äußeren Gehäuseteilen 12 und 13, zwischen denen ein verstellbares Ventilglied 14 mit kugeliger Oberfläche geführt ist. Zwischen dem Ventilglied 14 und dem Gehäuseteil 12 ist eine Dichtung 15, und zwischen dem Ventilglied 14 und dem anderen Gehäuseteil 13 ist eine entsprechende Dichtung 15 angeordnet. Diese Dichtungen 15 dienen als Ventilsitze und dichten das Ventilglied 14 gegen das Ventilgehäuse 11 ab. Dazu ist natürlich Voraussetzung, daß das Ventilglied 14 in einem Strömungsweg F mit Aufstrom- und Abstromseite angeordnet ist. Die Richtung der Strömung des Strömungsmittels ist durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet. Die Gehäuseteile 12, 13 weisen innenseitig jeweils eine Ringnut 16 zur Aufnahme einer Dichtung 15 auf. Diese Ringnuten 16 weisen im Querschnitt gesehen in Radialrichtung eine etwa U-förmige Formgebung auf. Die Innenwand der sich gegenüberliegenden Seitenwände jeder Ringnut 16 ist dabei tiefer als die äußere Seitenwand, verläuft schräg nach außen und ist als Wand 26 bezeichnet. Diese Wand 26 verläuft nicht parallel zum Durchflußweg F, sondern bildet einen Teil einer Kegelfläche, deren Scheitel in der Achse des Durchflußweges innerhalb des Ventilglieds 14 liegt. Die Ausbildung dieser Ringnuten 16 mit einem den Strömungsweg umgreifenden Randflansch ist etwas aufwendiger als die Ausbildung von Ringschultern von L-förmigem Querschnitt in Radialrichtung ohne entsprechenden Randflansch. Diese Formgebung der Ringnuten ist jedoch wie weiter unten beschrieben auf die Formgebung der Dichtungen

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15 abgestellt. Die Randflansche sind allgemein mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet.

Die Randflansche 17 weisen eine besondere Formgebung auf, indem ein Ende der der schräg verlaufenden Seitenwand jeder Nut gegenüberliegenden Zylinderfläche einen konkav-kugeligen Oberflächenabschnitt aufweist, dessen Krümmungshalbmesser dem der kugeligen Oberfläche des Ventilglieds 14 angenähert oder genau entspricht.

Der Randflansch 17 bewirkt ein rasches Schließen oder Abdichten bei überhitzung wie z.B. im Falle eines Brandes, bei dem die Dichtungen 15 aufgrund der dabei auftretenden hohen Temperaturen zum Schmelzen oder Weichwerden gebracht werden. Aus praktischen Gründen sollte der Randflansch 17 möglichst weit in Richtung des Ventilglieds 14 vorstehen, damit sich der konkav-kugelige Oberflächenabschnitt 27 desselben in unmittelbarer Nähe der Ventilgliedoberfläche befindet.

Die Ausbildung dieses konkav-kugeligen Oberflächenabschnitts 27 entlang des Randflanschs 17 nach Ausbildung der Ringnuten

16 in den äußeren Gehäuseteilen 12 und 13 ist natürlich aufwendiger als die Ausbildung von Ventilsitzen in bekannten Kugelventilen. Andererseits lassen sich jedoch aufgrund dieser Formgebung besondere, weiter unten im einzelnen ausgeführte Vorteile in Verbindung mit den Dichtungen 15 erzielen.

Jede Dichtung 15 ist wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ringförmig und weist eine äußere Umfangswand 25 und eine Seitenwand 35 auf, wobei sich die letztere in der Ansicht von Fig. 3 an der Oberseite befindet. Die Wände der Dichtung 15 sind genau passend bemessen entsprechend der äußeren Umfangswand 46 bzw. der Bodenwand 36 der Ringnut 16.

Vorzugsweise ist die Radialausdehnung der Seitenwand 35 der

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Dichtung 15 etwas geringer als die Breite der Seitenwand 35 der Ringnut 16, so daß entsprechend Fig. 5 ein kleiner Zwischenraum zwischen der Dichtung 15 und dem Randflansch 17 verbleibt, welcher ein einfaches Einsetzen der Dichtung 15 in die Ringnut 16 gestattet, indem die Dichtung in Gleiteingriff auf die schräg verlaufende Wand 26 aufgeschoben wird. Dieser Zwischenraum ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Die an die äußere Seitenwand 35 der Dichtung 15 angrenzende innere Umfangswand 45 ist ebenfalls geneigt und weist einen kleinen Abstand von der schräg verlaufenden Wand 26 der Ringnut 16 auf, wenn die Dichtung 15 in die Ringnut 16 eingesetzt ist. Die innere Bodenfläche 55 der inneren Umfangswand 45 ist in einem Abstand G von dem äußeren Ende des Randflanschs 17 ausgebildet. Auf der der äußeren Seitenwand 35 der Dichtung 15 gegenüberlxegenden Seite der Dichtung ist ein konkaver, ringförmiger Wandabschnitt 65 ausgebildet, der sich in einem kleinen Abstand g von dem Ventilglied 14 befindet und genau wie der konkav-kugelige Oberflächenabschnitt 27 des Randflanschs 17 eine der Oberfläche des Ventilglieds 14 entsprechende Krümmung aufweist. Dieser Abstand g zwischen Dichtung 15 und Ventilglied 14 sollte in jedem Falle kleiner sein als der Zwischenraum G zwischen der vorstehenden Spitze des Randflanschs 17 und der inneren Bodenfläche 55 der Dichtung 15. Eine Winkelkante 75, welche an der inneren Umfangswand der Dichtung 15 im Anschluß an den konkav-kugeligen Wandabschnitt 65 ausgebildet ist, liegt teilweise gegen die Kugeloberfläche des Ventilglieds 14 an, so daß der Strömungsweg F im Ventilgehäuse 11 getrennt ist von dem Raum S, in welchem das Ventilglied 14 gelagert und der Stellantrieb mit diesem verbunden ist. Jede Dichtung 15 weist außerdem eine Ringnut 85 auf, in welche ein elastischer Dehnring 18 in Preßsitz eingepaßt ist. Dieser Dehnring 18 besteht aus einer endlosen Ringspirale von kreisförmigem Querschnitt, die der Formgebung der Ringnut 85 in etwa entspricht. Bei in die Ringnut 16 eingesetzter Dichtung 15 liegt die Ringnut

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85 der Dichtung der schräg verlaufenden Wand 26 am Randflansch 17 gegenüber, ist in etwa quer zur Wand 26 ausgerichtet und mündet dieser gegenüber. Diese besondere Ausrichtung der Ringnut 85 erbringt wie weiter unten im einzelnen beschrieben den Vorteil, daß der Dehnring 18 die Winkelkante 75 der Dichtung 15 druckbeaufschlagt. Der ela-stische Dehnring 18 besteht aus nichtrostendem Metalldraht wie z.B. rostfreiem Stahldraht mit engen Spiralwicklungen mit dem Durchmesser D im unbelasteten Zustand. Die Breite D der Ringnut 85 in der Dichtung 15 ist etwas kleiner bemessen als der Spiraldurchmesser D. Folglich muß der elastische Dehnring 18 unter hohem Druck in die Ringnut 85 gepreßt werden, so daß er in Preßsitz in diese Ringnut 85 eingepaßt und demzufolge in seinem Querschnitt etwas gegenüber dem kreisförmigen Querschnitt abgeflacht ist. Die schräg verlaufende Wand 26 auf der Innenseite des Randflanschs 17 erleichtert das Einsetzen des Dehnrings 18 in die Ringnut 85. Hinsichtlich des elastischen Dehnrings 18, der in der vorstehend beschriebenen Weise in Preßsitz in die Ringnut 85 der Dichtung 15 eingepaßt ist, ist besonders vorteilhaft, wenn der Randflansch 17 so weit wie möglich vorsteht, damit er schnell in Dichteingriff gelangen kann, wenn die Dichtungen 15 durch übermäßig hohe Temperatureinwirkung zerstört werden. Gleichzeitig ist ein biegsamer Randflansch 95 vorgesehen, der einerseits durch die Ringnut 85 und andererseits durch die Winkelkante 75 begrenzt ist und vorzugsweise in Richtung des Strömungsweges eine möglichst geringe Breite unter Berücksichtigung des gegenseitigen Verhältnisses zwischen dem Zwischenraum G und dem Abstand g aufweist, um bei Beschädigung der Dichtungen 15 einen schnellen Dichteingriff zu gewährleisten. Der biegsame Randflansch 95 darf jedoch in Richtung des Durchflußweges nicht zu schmal sein, da ansonsten die Kraft, mit welcher der Randflansch 95 selbsttragend gegen das Ventilglied 14 beaufschlagt ist, verringert sein würde. Dieser wichtigste Teil des erfindungsgemäßen

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Kugelventils wird daher entsprechend sämtlichen vorgenannten Gesichtspunkten und im Hinblick auf den Verwendungszweck des Ventils bemessen.

Außer den vorgenannten Teilen weist das Kugelventil noch die nachgenannten Teile auf. Mit dem Bezugszeichen 19 ist ein Vierkant bezeichnet, der in eine entsprechende Vierkantausnehmung 24 am oberen Ende des Ventilglieds 14 eingesetzt ist und einen Teil einer Ventilglied-Stellwelle 20 bildet, welche im Ventilgehäuse 11 geführt und vermittels einer Dichtung wie z.B. einer Packung 21 gegen das Gehäuse abgedichtet ist. Die Stellwelle 20 trägt an ihrem oberen Ende einen in an sich bekannter Weise als Handhabe dienenden Hebel 22. Am unteren Ende des Ventilglieds 14 ist eine sich konisch verjüngende Belleville-Tellerfeder 23 angeordnet, welche einen geringen Reibungswiderstand bei Betätigung des Ventilglieds 14 vorgibt und damit die Verstellbarkeit verbessert.

Figur 6 zeigt entsprechend einer Fig. 5 ähnlichen Teilquerschnittsansicht den wichtigsten Teil des Kugelventils entsprechend einer zweiten Ausführungsform. Bei dieser ist die Dichtung 15 durch eine Dichtung 32 etwas anderer Formgebung ersetzt, bei welcher der elastische Dehnring 18, welcher die Rückseite der Dichtung druckbeaufschlagt, unmittelbar gegen eine im Ventilgehäuse 11 ausgebildete Ringsitzfläche anliegt. Das Ventilgehäuse 11 ist dabei in an sich bekannter Weise ausgebildet und weist keinen Randflansch 17 an der Ringsitzflache auf. Entsprechende Teile sind auch hier wiederum mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1-5 bezeichnet. Die Dichtung 32 weist den dargestellten Querschnitt auf, und der Dehnring 18 ist in der in Fig. 4 dargestellten Weise ausgebildet. Die Winkelkante 75 ist durch den Dehnring 18 von der Rückseite her in Reibungseingriff gegen das Ventilglied 14 beaufschlagt, wobei die durch die Winkelkante 75 auf die Dichtung 32 ausgeübte Biegebean-

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spruchung genau wie bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform durch die von der Rückseite her wirkende Druckbeaufschlagung durch den Dehnring 18 verringert ist, so daß der größte Teil dieser Biegebeanspruchung durch eine zwischen Ventilglied 14 und Dehnring 18 wirkende Druckkraft aufgenommen wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 wird daher die Biegebeanspruchung nicht durch größere Dicke der Dichtung verringert, sondern der Dehnring 18 übt seinerseits einen ausreichend hohen Druck gegen die Dichtfläche aus, um die Reibungsfläche zu verkleinern.

Die Arbeits- bzw. Wirkungsweise des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kugelventils ist kurz wie folgt: Die Dichtung dient zugleich als Ventilsitz, welcher aufgrund seiner besonderen Formgebung und Ausbildung die Einstellbarkeit des Ventils verbessert und gleichzeitig eine sehr hohe Dichtigkeit aufweist. Das Ventilglied 14 steht an der Winkelkante 75 in Berührung mit der Dichtung 15, wobei der Berührungsdruck durch den Dehnring 18 ausgeübt wird, der in Preßsitz in die Ringnut 85 der Dichtung eingepaßt ist und den biegsamen Randflansch 95 der Dichtung 15 von der Rückseite her druckbeaufschlagt, so daß die Dichtung 15 sowohl gegen Verformung und Beschädigung geschützt als auch in einwandfreier Abdichtungsanlage gegen das Ventilglied 14 gehalten ist. Der in Preßsitz in die Ringnut 85 der Dichtung 15 eingepaßte Dehnring 18 ist in seinem Querschnitt etwas abgeflacht und übt über eine der sich gegenüberliegenden Ringwände der Ringnut 85 einen Druck vermittels der Winkelkante 75 auf die Oberfläche des Ventilglieds 14, sowie an der gegenüberliegenden Ringnutwand über die Seitenwand 35 der Dichtung einen Druck auf die ringförmige Bodenwand 36 der Ringnut aus, wobei eine Komponente dieser Druckkraft über die ümfangs wand 25 der Dichtung auf die äußere Umfangswand 46 der Ringnut 16 einwirkt, so daß der gewünschte Dichteingriff gewährleistet ist. Zwar tritt bei wiederholter Verstellung des

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Ventilglieds 14 in Reibungseingriff gegen die Dichtung 15 ein Verschleiß an der Dichtung 15 auf, jedoch wird dieser Verschleiß, sowie auch jede ggf. erfolgende teilweise Verformung der Dichtung jederzeit sofort ausgeglichen vermittels der durch den Dehnring 18 ausgeübten Druckbeaufschlagung. Der Dehnring 18 drückt den biegsamen Randflansch 95 von hinten her gegen das Ventilglied 14, so daß bei geschlossenem Ventil eine einwandfreie Abdichtung gewährleistet ist, welche auch bei langer Betriebszeit des Ventils beibehalten bleibt. Zur Erzielung der gewünschten Abdichtung ist nicht erforderlich, daß die Oberfläche des Ventilglieds 14 mit besonderer Präzision bearbeitet ist, das Ventilglied 14 eine präzise vorgegebene Lage in bezug auf die als Ventilsitz dienende Dichtung einnnimmt oder die Ventilglied-Stellwelle 20 mit hoher Genauigkeit am Ventilglied 14 angreift, da sich die Dichtfläche der Dichtung 15 selbsttätig einstellt und auch Verformungen der Dichtung 15 zulässig sind.

Verschleiß an den miteinander in Eingriff stehenden Teilen und Fluchtungsfehler in der Lagerung des Ventilglieds 14 nehmen im allgemeinen während der Betriebszeit des Ventils zu. Bei dem erfindungsgemäßen Kugelventil ist jedoch der biegsame Randflansch 95 innerhalb des Zwischenraums G, welcher zwischen dem Randflansch 95 und dem vorstehenden Ende des starren Randflanschs 17 vorgegeben ist, frei beweglich, überträgt den auf ihn einwirkenden Druck und hält die Abdichtung aufrecht.

Durch Versuche wurde ermittelt, daß die zur Stellbetätigung des Ventilglieds am Stellhebel 22 benötigte Stellkraft trotz hoher Dichtigkeit und kleiner Berührungsfläche weniger als die Hälfte der für herkömmliche Ventile benötigten Stellkraft beträgt, welche aus entsprechenden Werkstoffen hergestellt sind, jedoch keine Dichtung mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen, biegsamen Randflansch und dem elastischen Dehnring aufweisen. So wurde gefunden, daß für Kugelventile

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mit der Innenweite 2 Zoll (5 cm) erfindungsgemäß ausgebildete Kugelventile wesentlich kleinere Drehmomente zur Verstellung benötigen als bekannte Kugelventile. Die Ergebnisse entsprechender Vergleichsversuche sind in der nachstehenden Tabelle angegeben.

Druck im Durchflußweg F (kp/cm2)	Stell kraft erfindungsgemäßes Kugelventil bekannter Kugelventil Ausführung Xkp · cm)	220
drucklos	85	240
2	90	230
5	95	230
8	100	230
10	120

Wie die vorerwähnten Versuche gezeigt haben, ist die zur Betätigung bekannter Kugelventile benötigte Stellkraft im wesentlichen unabhängig von dem innerhalb des Durchflußweges herrschenden Druck, wohingegen bei dem erfindungsgemäßen Kugelventil zur drucklosen Verstellung etwa nur ein Drittel der Stellkraft, und bei den höchsten üblicherweise auftretenden Innendrücken nur angenähert die halbe Stellkraft erforderlich ist, wobei die benötigte Stellkraft außerdem mit steigendem Innendruck zunimmt.

Das erfindungsgemäße Kugelventil zeichnet sich darüber hinaus jedoch noch durch ein weiteres, sehr erwünschtes Merkmal aus. Bei jeder öffnungs- oder Schließverstellung des Ventilglieds, d.h. bei jedem Verdrehen des Ventilglieds 14 tritt Strömungsmittel in den Stellraum S ein. Daher herrscht in diesem Stellraum S ein höherer Druck, der nicht entweichen kann, wenn das Ventilglied 14 in die Schließstellung gestellt ist und dieser Stellraum S des Ventils aufgrund von Einbau-

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bedingungen für das Ventil oder aus anderen Gründen höheren Temperaturen ausgesetzt ist. Auch größere Drücke in diesem Stellraum S führen nicht dazu, daß die Dichtung zwischen der Ventilglied-Stellwelle 20 und dem Ventilgehäuse 11 undicht wird und demzufolge Strömungsmittel um die Stellwelle 20 herum austritt. Wenn der innerhalb des Stellraums S herrschende Druck des Strömungsmittels zunimmt, wirkt das Strömungsmittel auf den elastischen Dehnring 18 in der Weise ein, daß der biegsame Randflansch 95 nachgibt und das Strömungsmittel zurück in den Durchflußweg F gelangt. Wenn daher die Dichtung zwischen Stellwelle 20 und Ventilgehäuse 11 für einen entsprechenden Druckwert ausgelegt ist, gelangt das in den Stellraum S eingedrungene Strömungsmittel wieder in den Durchflußweg F zurück und tritt nicht an der Stellwellendurchführung aus. Auf diese Weise werden Betriebsstörungen oder ggf. Unfälle im Bereich der die Stellwelle 20 abdichtenden Dichtung einwandfrei vermieden.

Bei dem erfindungsgemäßen Kugelventil befindet sich zwischen dem biegsamen Randflansch 95 der Dichtung 15 und der vorstehenden Spitze des starren Randflanschs 17 des Ventilgehäuses ein Zwischenraum G, der im Zusammenwirken mit der Biegsamkeit des Randflanschs 95 dazu dient, Beschädigungen des Ventils unabhängig von der Stellung des Ventilglieds 14, insbesondere bei plötzlichen, sehr großen Druckschwankungen innerhalb des Ventils zu verhindern, wenn das Ventilglied 14 in die Schließstellung gebracht wird, oder im Falle des Auftretens eines Druckstosses bei Verstellung des Ventilglieds 14 in öffnungs- oder Schließrichtung. In diesem Falle wirkt ein hoher Druckstoß entsprechend der Pfeilrichtung in Fig. 1 von der Aufstromseite auf das Ventilglied 14 ein. Wenngleich das Ventilglied 14 in Fig. 1 in öffnungsstellung dargestellt ist, läßt sich ohne weiteres ersehen, daß die auf das Ventilglied 14 einwirkende Kraft noch größer ist, wenn das letztere in die Schließstellung verstellt wird. In diesem Falle wird das Ventilglied 14 von der Aufstromseite

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zur Abstromseite beaufschlagt und verformt dabei den biegsamen Randflansch 95 gegen die auf diesen einwirkende Druckkraft von Seiten des Dehnrings 18 und den Verformungswiderstand des Randflanschs 95. Bei Verbiegung des Randflanschs 9 5 durch das Ventilglied 14 wird der Dehnring 18 abgeflacht. Dabei verringert sich der Zwischenraum G zwischen dem biegsamen Randflansch 95 und der vorstehenden Spitze des starren Randflanschs 17, wobei die Kugelfläche des Ventilglieds 14 gegen den konkaven-ringförmigen Randabschnitt 65 der Dichtung gedrückt wird, bevor der Randflansch 95 zur Anlage gegen die vorstehende Spitze des Randflanschs 17 gelangt, so daß die Bewegung des Ventilkörpers 14 durch den ringförmigen Randabschnitt 65 und die Winkelkante 75 aufgenommen wird. Der Abstand g zwischen dem Wandabschnitt 65 und der kugeligen Oberfläche des Ventilglieds 14 ist kleiner bemessen als der Zwischenraum G zwischen dem biegsamen Randflansch 95 und der Spitze des starren Randflanschs 17, so daß die vorstehend beschriebene Abfangung gewährleistet ist und sich die Dichtung 15 nach Aufhören der Druckbeaufschlagung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückstellt.

Wenn das in eine Rohrleitung eingebaute erfindungsgemäße Kugelventil übermäßig hohen Temperatureinflüssen wie z.B. bei einem Brand ausgesetzt ist, kann es vorkommen, daß die aus einem Fluorkohlenstoff-Polymer bestehenden Dichtungen bei diesen hohen Temperaturen weich werden und ihre ursprüngliche Steifigkeit verlieren. Das Ventilglied 14 kann dann aufgrund des innerhalb des Durchflußweges herrschenden Drucks zur Abstromseite hin gedrückt werden, so daß die Dichtung 15 ggf. ihre ursprüngliche Funktion ganz verliert. Auch in diesem Falle wird j edoch das Ventilglied 14 von dem konkav-kugeligen Oberflächenabschnitt 27 des starren Randflanschs 17 aufgefangen, welcher die gleiche Krümmung wie die Oberfläche des Ventilglieds 14 aufweist, so daß die Trennung zwischen Aufstrom- und Abstromseite am Ventilglied

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14 gewährleistet und der Durchflußweg gesperrt ist, wenn das Ventil während einer überhitzung wie z.B. während eines Brandes geschlossen wird oder sich bereits vor Auftreten des Brandes in der Schließstellung befand. Wie bereits erwähnt, befindet sich der konkav-kugelige Oberflächenabschnitt 27 an der Spitze des Randflanschs 17 möglichst dicht an der Oberfläche des Ventilglieds 14, so daß dieser Oberflächenabschnitt 27 die Dichtfunktion aufgenblicklich übernimmt, wenn die Dichtung 15 ausfällt.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Kugelventil löst somit die eingangs gestellte Aufgabe in hervorragender Weise und ist im Vergleich zu bekannten Kugelventilen mit geringeren Stellkräften betätigbar.

- Patentansprüche: -

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Claims (12)

1. Patentansprüche :

   M.) Kugelventil, bestehend aus einem Ventilgehäuse aus zwei oder mehreren Gehäuseteilen, einem Ventilglied, zwei zwischen dem Ventilglied und dem Ventilgehäuse angeordneten und als Ventilsitze dienenden ringförmigen Dichtungen und einer drehbar im Ventilgehäuse geführten Ventilglied-Stellwelle, dadurch gekennzeichnet, daß jede Dichtung (15) eine den Durchflußweg (F) umgebende Ringnut (85) , einen teilweise gegen die Kugeloberfläche des Ventilglieds (14) beaufschlagten biegsamen Randflansch (95) und einen in Preßsitz in die Ringnut (85) eingesetzten elastischen Dehnring (18) aufweist, welcher dazu dient, den biegsamen Randflansch (95) gegen das Ventilglied (14), und die nach außen weisende Seitenwand (35) der Dichtung (15) gegen die ringförmige Bodenwand (36) einer am Ventilgehäuseausgebildeten Ringnut (16) zu beaufschlagen.
2. 2. Kugelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der den Durchflußweg umgebenden Ringnut (85) in der Dichtung (15) etwas kleiner ist als der Außendurchmesser des elastischen Dehnrings (18).
3. 3. Kugelventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Ringnut (85) in der Dichtung (15) begrenzte und den Durchflußweg (F) umgebende biegsame Randflansch (95) auf seiner Innenseite eine gegen die Ventilglied-oberflache anliegende Winkelkante (75) und einen an diese Winkelkante anschließenden, einen Abstand von der Ventilgliedoberfläche aufweisenden und entsprechend der Ventilgliedobejflache gekrümmten, konkaven, ringförmigen Wandabschnitt (65) aufweist.

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   ORIGINAL INSPECTED
4. 4. Kugelventil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Ventilgehäuse (11) den Durchflußweg (F) ringförmig umgebende, zur Aufnahme einer Dichtung (15) dienende Sitzfläche in Form einer Ringnut (16) einen von der inneren Oberfläche des Ventilgehäuses (11) in Richtung des Durchflußweges (F) und zum Ventilglied (14) hin vorspringenden, eine Wand der Ringnut bildenden Randflansch (17) aufweist.
5. 5. Kugelventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

   daß ein Zwischenraum (G) zwischen dem eine Wand der Ringnut bildenden Randflansch (17) und dem biegsamen Randflansch (95) der Dichtung (15) belassen ist.
6. 6. Kugelventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seitenwand (26) des eine Wand der Ringnut (16) bildenden Randflanschs (17) geneigt in Einsetzrichtung der Dichtung (15) in die Ringnut (16) verläuft.
7. 7. Kugelventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Wand der Ringnut (16) bildende Randflansch (17) einen konkav-kugeligen Oberflächenabschnitt (27) aufweist, dessen Rand zur Anlage gegen die Ventilkörperaußenfläche ausgelegt ist.
8. 8. Kugelventil nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Dichtung (15) ausgebildete Ringnut (85), in welche der elastische Dehnring (18) in Preßsitz eingesetzt ist, quer zu der geneigten Seitenwand (26) des starren Randflanschs (17) verläuft und zu dieser hin mündet.
9. 9. Kugelventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitige Lage des eine Wand der Ringnut (16) bildenden Randflanschs (17) zu der Dichtung (15) und

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   die Lage von Dichtung zu Ventilglied (14) derart abgestimmt sind, daß der biegsame Randflansch (95) der Dichtung eine Fortsetzung des zur Anlage gegen die Ventilkörperaußenfläche bringbaren Randflanschs (17) an der Ringnut (16) des Ventilgehäuses (11) bildet, und der in seiner Krümmung der Ventilgliedoberfläche entsprechende, konkave, ringförmige Wandabschnitt (65) der Dichtung (15) einen Abstand (g) von der Ventilgliedoberfläche aufweist, der kleiner ist als der Zwischenraum (G) zwischen dem Ringnutrandflansch (17) und dem biegsamen Randflansch (95) der Dichtung.
10. 10. Kugelventil nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des biegsamen Randflanschs (95) der Dichtung (15) derart bemessen ist, daß der Randflansch selbsttragend gegen die Ventilgliedoberfläche gehalten ist, und der unter Belassung eines Zwischenraums (G) zu dem biegsamen Dichtungsrandflansch (95) hin weisende Ringnut-Randflansch (17) so weit in Richtung des Ventilglieds (14) vorsteht, daß sich sein konkav-kugeliger Oberflächenabschnitt (27) in einer kleinen Entfernung von der Ventilgliedoberfläche befindet.
11. 11. Kugelventil nach einem der Ansprüche 1- 10, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Dehnring (18) aus einer endlosen Ringspirale besteht, die in der Dichtung (15) ausgebildete, zur Aufnahme des Dehnrings dienende Ringnut (85) in bezug auf die gegen die Ventilgliedoberfläche beaufschlagte Winkelkante (75) an der Rückseite der Dichtung im Bereich der Bodenwand (36) der die Dichtung aufnehmenden Ringnut (16) im Ventilgehäuse (11) angeordnet ist, und der Dehnring dazu dient, die Dichtungsrückseite und die Ringnut zu beaufschlagen.
12. 12. Kugelventil nach einem der Ansprüche 1 -11, dadurch gekennzeichnet , daß die Dichtungen (15) aus einem Fluor-

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    polymer bestehen und der größte Teil der innerhalb der Basis an der Winkelkante (75) jeder Dichtung aufgrund der durch das Ventilglied (14) auf diese einwirkenden Druckkraft erzeugten Biegebeanspruchung vermittels einer durch den elastischen Dehnring (18) von der Rückseite der Dichtung auf die Winkelkante ausgeübten Druckkraft in eine entsprechende Druckbeanspruchung umsetzbar ist.

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