DE2732672C2 - Kugelhahn - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kugelhahn mit einem zwischen Dichtringen angeordneten Kugelküken und so mit einem Steuerelement mit einer einer gewünschten Steuercharakteristik entsprechend bemessenen Drosselöffnung.

Bei diesem bekannten Kugelhahn (DE-OS 19 38 682) sind die am Kugelküken abdichtenden Dichtringe so im Gehäuse angeordnet, daß bei einer Verdrehung des Kükens aus der Schließ- in die Öffnungsstellung der Drosseldurchlaß zum Teil von der Begrenzungskante der Durchgangsbohrung des Kükens und zum anderen Teil von einem Abschnitt des Dichtrings gebildet wird. Das bedeutet aber, daß die beim Drosselvorgang auftretenden Energieumsetzungen im Bereich des Dichtrings erfolgen, wobei insbesondere bei Einstellung von Drosselöffnungen geringen Querschnitts, d. h. starker Drosselung, die Dichtung infolge der hohen und örtlich konzentrierten Energieumsetzung stark beansprucht wird. Die bisher für Dichtringe verwendeten Materialien halten solchen Energieumsetzungen nur kurze Zeit stand. Deshalb hat sich der bekannte Kugelhahn in der Praxis auch nicht einführen können.

Andererseits ist es bei solchen Kugelhähnen, die als einfache Absperrhähne — d, h, nicht zur Drosselsteuerung - vorgesehen sind, bekannt (DE-AS 10 19 133) die Dichtungen mit einem solchen Durchmesser zu bemessen, daß sie gegenüber den Gehäusedurchlässen radial nach außen versetzt und in den Endste'lungen (Schließstellung oder ganz geöffnete Stellung) nur über einen als Drosselspalt wirkenden Ringspalt zwischen dem Kugelküken und dem Gehäuse vom Druckmedium beaufschlagt sind, so daß sie beim Öffnen des Hahns nicht direkt vom strömenden Medium beaufschlagt und dadurch beschädigt oder gar aus ihrem Sitz herausgerissen werden können. Grundsätzlich ist eine solche radiale Zurückversetzung der Dichtringe auch bei für die Drosselsteuerung von Strömungsmedien vorgesehenen Kugelhähnen denkbar, jedoch treten bearbeitungstechnische Schwierigkeiten auf, weil neben der genau kugelförmigen Bearbeitung des Kükens ein zugehöriger Teil des Steuerelements, d. n. bei Verwendung der obenerwähnten gehäusefesten Steuerscheibe, die dem Kugelküken zugewandte Fläche der Steuerscheibe, komplementär konkav kugelig zur Oberfläche des Kükens bearbeitet werden muß, bzw. — sofern das Steuerelement nicht im Gehäuse sondern in der Küken-Durchgangsbohrung mit dem Küken drehbar angeordnet sein soll — die den Dichtringen zugewandte Fläche des Steuerelements der Kugelfläche des Kugelkükens entsprechend kugelig bearbeitet werden muß. Die Herstellung solcher Kugelflächen hoher Maß- und Formgenauigkeit ist bearbeitungstechnisch schwierig, zumal die Steuerelemente wegen der erforderlichen Austauschbarkeit für den Fall der Umrüstung auf eine andere Drosselcharakteristik ja gesondert hergestellt und bearbeitet und ihrerseits auch sehr genau in das Gehäuse oder das Küken eingepaßt werden müssen, um Versatz zur zugehörigen komplementären Kugelfläche auszuschließen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde den bekannten Kugelhahn so weiter zu entwickeln, daß er mit hinreichenden Standzeiten zur feinfühligen Mengen- oder Druckregelung oder -steuerung mit vorwählbaren Regel- oder Steuercharakteristiken über große Steuerbereiche, d. h. zur Einstellung großer Druck- bzw. Mengenstromunterschiede einsetzbar ist, ohne daß der Kostenvorteil gegenüber den bekannten Druck- oder Mengenreglern anderer Bauart durch erforderliche hohe Bearbeitungsgenauigkeit wieder verlorengeht.

Ausgehend von einem Kugelhahn der eingangs ermähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dichtringe gegenüber den im Gehäuse vorgesehenen Durchlässen mit radialem Abstand angeordnet sind und zum jeweiligen Dichtring radial einwärts ein gehäuseseitiger, bis an die Oberfläche des Kugelkükens soweit herangeführter ringförmiger Vorsprung vorgesehen ist, daß die Dichtungen in der Schließstellung des Kugelkükens nur über einen ringförmigen Spalt vom Strömungsmittel beaufschlagt werden, und daß das Steuerelement genau entsprechend der Oberfläche des Kugelkükens nur entlang eines schmalen ringförmigen, radial außenliegenden Bereichs bearbeitet ist, gegenüber dem der übrige Bereich des Steuerelements zurückversetzt ist.

Die Steuerkanten der für den Drosselvorgang eingestellten Drosselöffnung werden bei dem so ausgebildeten Kugelhahn also von metallischen Begren-

zungskanten gebildet, während der Diohtring — in an sich bekannter Weise — insbesondere bei beginnendem Öffnungsvorgang, d. h. bei stärkster Drosselung, noch einen gewissen Abstand von den Steuerkanten hat und nur über einen dünnen, druckabbauenden Spalt mit der jeweils eingestellten Drosselöffnung in Verbindung steht Deshalb werden Einwirkungen des Drosselvorgangs im Spalt zum Dichtring so weit abgebaut, daß Beschädigungen nicht mehr auftreten. Wird das Küken weiter geöffnet, wird zwar der zur Dichtung führende Spalt schnell größer, jedoch wird die Drosselwirkung wegen des gleichzeitig größer werdenden wirksamen Drosselquerschnitts geringer, so daß auch die Energieumsetzungen im Bereich des Dichtrings so gering werden, daß die Gefahr von Beschädigungen nicht mehr besteht

Durch die genaue Bearbeitung des Steuerelements entsprechend der Oberfläche des Kugelkükens nur entlang eines schmalen ringförmigen Bereichs werden die obenerwähnten Schwierigkeiten bsi der maß- und formhaltigen Herstellung von Kugelflächen vermieden, zumal der genau zu bearbeitende ringförmige Bereich im Grenzfall so schmal gehalten werden kann, daß er fast zu einer linienförmig anliegenden Ringkante wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Steuerelement in der Durchgangsbohrung des Kugelkükens angeordnet und der schmale ringförmige Bereich schließt an die Oberfläche des Kugelkükens an.

Hierbei empfiehlt es sich, dem Steuerelement die Form einer in der Durchgangsbohrung des Kugelkükens angeordneten zylindrischen Hülse zu geben, in deren einer Stirnseite die Drosselöffnung vorgesehen ist.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Steuerelement als vor oder/und hinter dem Kugelküken angeordnete, bezüglich seiner Drosselöffnung mit dem Ein- bzw. Auslaß des Gehäuses ausgerichtete Steuerscheibe ausgebildet ist, ist die Ausgestaltung so getroffen, daß die Steuerscheibe zumindest einen Teil des an die Oberfläche des Kugelkükens herangeführten gehäuseseitigen ringförmigen Vorsprungs durch ihren schmalen ringförmigen Bereich bildet.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Mittelschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kugelhahns mit in Öffnungsstellung befindlichem Kugelküken;

F i g. 2 eine Ansicht eines in dem in F i g. 1 gezeigten Kugelhahn verwendeten Steuerelements;

F i g. 3 einen entlang der Pfeile 3-3 in F i g. 1 gelegten Schnitt durch den Kugelhahn gemäß Fig. 1, wobei das Kugelküken in einer nur so weit gegenüber der Schließstellung verdrehten Stellung gezeigt ist, daß gerade ein stark gedrosseltes Durchströmen des Kugelhahns möglich ist;

F i g. 4 einen Mittelschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kugelhahns mit in Öffnungsstellung befindlichem Kugelküken;

Fig.5 eine Ansicht des in dem in Fig.4 gezeigten Kugelhahn verwendeten scheibenförmigen Steuerelements; und

F i g. 6 einen entlang der Pfeile 6-6 in F i g. 4 gelegten Schnitt durch den Kugelhahn gemäß F i g. 4, wobei das Kugelküken in einer nur so weit gegenüber der Schließstellung verdrehten Stellung gezeigt ist, daß gerade ein stark gedrosseltes Durchströmen des Kugelhahns möglich h;t

In Fig. I und 3 ist ein in seiner Gesamtheit mit IO bezeichneter Kugelhahn gezeigt Der Kugelhahn 10 weist in einem durch einen Gehäusedeckel 12 verschließbaren Gehäuse 14 ein als Kugel ausgebildetes Küken 16 auf, das mit einer im Querschnitt im wesentlichen kreisförmigen Durchgangsbohrung 18 versehen ist, welche durch Drehung des Kükens im Gehäuse mit einem Einlaß 20 im Gehäusedeckel 12 und

ίο einem Auslaß 22 im Gehäuse 14 in Flucht oder in eine mit Ein- und Auslaß nicht fluchtende Lage stellbar ist Das Kugelküken 16 ist in der Nähe des Ein- und des Auslasses durch jeweils einen ringförmigen Dichtring 24 bzw. 26 aus geeignetem Kunststoff, z. B. aus Polytetrafluoräthylen oder Metall im Gehäuse drehbar gelagert und gegen den Durchtritt von dem Kugelhahn unter Druck zugeführtem flüssigem oder gasförmigem Strömungsmedium zwischen Küken 16 und Gehäuse 14 abgedichtet

Es ist ersichtlich, daß die Gehäuse-;i.ufnahme für den auslaßseitigen Dichtring 26 in einigem radialem Abstand vom Auslaß 22 so im Gehäuse 14 eingearbeitet ist daß im Gehäuseinnern zwischen der inneren Begrenzungskante des Auslasses 22 und dem Dichtring 26 noch --sn schmaler ringförmiger Gehäuseabschnitt 27 radial bis zur Anlage an die Kugelumfangsfläche des Verschlußstücks 16 herangeführt ist Dieser Gehäuseabschnitt 27 kann im Grenzfall so schmal werden, daß er am Kugel-Verschlußstück 16 praktisch nur noch entlang

JO einer linienförmigen Kante anliegt wie dies beispielsweise auf der Einlaßseite schematisch angedeutet ist wo die Aufnahme für den Dichtring 24 allerdings aus Montagegründen nicht im Gehäuse 14 selbst sondern in einem gesondert im Gehäuse einsetzbaren Aufnahme-

Jj bauteil 29 vorgesehen ist Das Kugelküken 16 wird im gezeigten Fall also praktisch von den Dichtringen 24,26 schwimmend im Gehäuse 14 gelagert jedoch kann auch eine gesonderte Lagerung auf Lagerzapfen verwirklicht werden.

Die Stellbewegung eines äußeren Stellorgans wird über eine das Gehäuse 14 durchsetzende Stellspindel 28 auf das Kugelküken 16 übertragen. Die Stellspindel 28 greift an ihrem inneren Ende drehfest in eine Ausnehmung des Kugelkükens ein und ist an ihrem äußeren, aus dem Gehäuse vorstehenden Ende mit einem Vierkantabschnitt 30 versehen, auf dem ein Betätigungshebel oder auch ein entsprechend quadratisch ausgenommener Betätigungsbauteil eines anderen Stellorgans anschließbar ist

Um den Kugelhahn 10 auch zur Mengen- und/oder Drucksteuerung oder -regelung einsetzen zu können, ist in die Durchgangsbohrung 18 des Kugelkükens 16 ein Steuer.lt ment 32 eingesetzt, von dem in den Fig. 1 und 2 zwei verschiedene Ausführungsformen 32a und 32b jeweils hälftig veranschaulicht sind. In beiden Fällen hat das Steuerelement 32 die Form einer zylindrischen Hülse, deren eines Ende offen ist, während im anderen Ende die Drostelöffnung 34 gebildet ist, deren Querschnittsform und Größe von der gewünschten

M) Drosselcharakteristik abhängig ist und dementsprechend sehr unterschiedlich ausgestaltet sein kan,i. Der Unterschied zwischen dem Steuerelement 32a und 32b besteht darin, daß der zylindrische hülscnförmige Teil des Steuerelements in ersten Fall relativ kurz und sein

e-5 Durchmesser etwas größer als der Durchmesser der Durchgangsbohrung 18 ist, und daß dieser zylindrische Teil in eine dem Durchmesser und der Länge des hülsenförmigen Teils des Steuerelements 32a entspre-

chend bemessene zylindrische Ausdrehung 36 des Kükens 16 eingepreßt ist, während beim Steuerelement 32b der Außendurchmesser und die Länge des hülsenförmigen Teils der Durchgangsbohrung 18 entsprechend bemessen ist. Das Steuerelement 32b ist im montierten Zustand also über die gesamte Länge seiner Umfangsfläche in die Durchgangsbohrung 18 eingepreßt.

Die dem Auslaß 22 zugewandte, mit der Drosselöffnung 34 versehene Stirnseite des Steuerelements 32 könnte auf ihrer gesamten Fläche dem Durchmesser des Kugelkükens 16 entsprechend, bündig in dieses übergehend kugelig ausgebildet sein, wie dies in der strichlierten Linie 37 in F i g. 1 veranschaulicht ist.

Da die Herstellung solcher Kugelflächen hoher Maß- π und Formungsgenauigkeit aber arbeitsaufwendig und dementsprechend teuer ist, wurde beim Kugelhahn 10 diese "efiSue Sesrueitun" 2"f einen schmslen ringförmigen Bereich 38 (Fig.3) beschränkt, der im Grenzfall sogar wieder zur linienförmigen Kante entarten kann, >o An den ringförmigen Bereich 38 schließt sich dann ein mittlerer Stirnflächenbereich des Steuerelements 32 an, in dem so viel Material abgearbeitet ist, daß der zum Mittelpunkt des Kugelkükens gemessene Radius auf jeden Fall etwas kleiner als der Radius des Kugelkükens r> 16 und des ringförmigen Bereichs 38 ist. Im gezeigten FaII verläuft der an den ringförmigen Bereich 38 anschließende Stirnflächenbereich des Steuerelements tangential vom Bereich 38 aus. Wenn die Stirnfläche des Steuerelements 32 nicht durch die Drosselöffnung 34 ν durchbrochen, sondern geschlossen wäre, hätte dieser mittlere Stirnflächenbereich also die Form eines niedrigen Kegels. Dabei kommt es aber nicht auf die genaue geometrische Form dieses Bereiches an, sondern darauf, daß die Abweichung dieses innerhalb r> des ringförmigen Bereichs liegenden mittleren Stirnflächenbereichs von der an sich günstigsten kugeligen Form nicht zu groß ist, so daß zumindest zu Beginn der Öffnungsbewegung des Kugelhahns (F i g. 3), wenn gerade der ringförmige Bereich 38 unter dem -to Gehäuseabschnitt 27 hindurchgetreten ist und die Drosselöffnung 34 zu öffnen beginnt, d. h. ein stark gedrosselter Durchtritt des Strömungsmediums anfängt, ein möglichst dünner Spalt zwischen der Stirnfläche des Steuerelements 32 und dem ringförmigen Gehäuseab- 4 schnitt 27 besteht. Dieser Spalt wirkt dann nämlich als Drosselspalt, der die Druckbeaufschlagung des Dichtrings 26 mit dem Strömungsmedium abbaut und so Beschädigungen des Dichtrings verhindert.

Aus den vorstehenden Erläuterungen ist auch klar, ίο daß die Abweichung des mittleren Stirnflächenbereichs von der genau kugeligen Gestalt um so geringer sein muß, je geringer die dynamische Zähigkeit des Strömungsmediums ist, während bei zäheren Strömungsmedien, ζ. B. Hydraulikölen o. dgl., eine etwas j5 größere Spaltweite zugelassen werden kann.

Wenn der Kugelhahn dann im Vergleich zu der in F i g. 3 veranschaulichten Stellung weiter geöffnet wird, wird der Dichtring 26 mit zunehmender Fläche für eine Beaufschlagung mit dem strömenden Medium zugang- en lieh. Gleichzeitig wird jedoch auch die wirksame Drosselöffnung größer, d.h. die Drosselwirkung und damit die Energieumsetzung im Strömungsmedium geringer, so daß dann keine Beschädigung des Dichtrings mehr zu befürchten ist, zumai noch bedacht b5 werden muß, daß die gesamte Drosselung beim Kugelhahn 10 an sich zweistufig erfolgt, weil nämlich auch auf der Einlaßseite schon eine gewisse Drosselwirkung auftritt, die allerdings geringer ist, weil der lichte Querschnitt der Durchgangsbohrung 18 dort erheblich größer als der wirksame Drosselquerschnitt an der Drosselöffnung 34 des Steuerelements 32 ist. In jedem Fall ist festzuhalten, daß die wirksame Drosselöffnung von metallischen Kanten begrenzt ist, nämlich der gehäuseinneren Begrenzungskante des Auslasses 22 und der Begrenzungskante der Drosselöffnung 34 im Steuerelement 32. Der Dichtring 26 ist im kritischen Bereich der stärksten Drosselung also nicht Hire'*· Jen zerstörenden Einwirkungen des gedrosselt strömenden Mediums ausgesetzt.

In F i g. 2 ist in einer Draufsicht auf die Stirnseite des Regelelements 32 (32a in der linken und 326 in dci rechten Hälfte) veranschaulicht, welche die Form der Drosselöffnung 34 beispielsweise haben kann, wobei es natürlich so ist, daß das Öffnen des Kugelkükens 16 r^r •-"!fo!⁰"., deß zunächst d?r in d?r Zeichpup"*f'g!ir >"V?n liegende spitze Teil der Drosselöffnung 34 geöffnet wird.

Das u: den Fig. 4 bis 6 gezeigte alternative Ausführungsbeispiel eines Kugelhahns 40 unterscheidet sich vom Kugelhahn 10 nur dadurch, daß das Steuerelement — bzw. eventuell auch zwei Steuerelemente — nicht im Küken 16, sondern im Gehäuse 14 bzw. eventuell in Gehäusedeckel 12 gehäusefest ungeordrf-t ist oder sind. Da der Kugelhahn 40 im übrigen dem Kugelhahn 10 entspricht, wird auf eine erneute Beschreibung der übereinstimmenden Teile des Kugelhahns verzichtet und nachstehend nur die unterschiedliche Ausgestaltung beschnsben.

Beim Kugelhahn 40 ist sowohl ein- wie auch auslaßseitig ein im Gehäusedeckel 12 bzw. im Gehäuse 14 eingesetztes scheibenförmiges Steuerelement 42 bzw. 44 dargestellt, so daß der Hahn 40 also als zweistufig steuernder Kugelhahn angesehen werden kann. Ein Steuerelement 42 und 44 kann auch entfallen, so daß die Drosselfunktion des Kugelhahns 40 dann wieder überwiegend einstufig erfolgt.

Betrachtet man zunächst das einlaßseitig vorgesehene scheibenförmige Steuerelement 42, erkennt man, daß die zur Bildung der jeweils wirksamen Drosselöffnung zusammenwirkenden Kanten nunmehr von der in Fig. 5 strichliert in der Draufsicht dargestellten Begrenzungskante der Drosselöffnung 34 im Steuerelement 42 einerseits und von der Begrenzungskante der Durchgangsbohrung 18 des Kükens 16 andererseits gebildet werden. Dem ringförmigen Gehäuseabschnitt 27 bzw. dem ringförmigen Bereich 38 des Kugelhahns 10 entsprechen die Ringkanten 46 des Kükens 16 bzv die Ringkante 48 des Steuerelements 52. Für das auslaßseitige Steuerelement 44 gilt das gleiche bezüglich der Kante 52 bzw. die mit ihr zusammenwirkende Kante 50 des Kükens 16.

Festzuhalten ist auch hier wieder, daß die dem Kugelküken 16 zugewandte Fläche des scheibenförmigen Steuerelements 42 bzw. 44 an sich im idealen Fall mit einem dem Radius des Kugelkükens 16 entsprechenden Radius konkav kugelig bearbeitet werden könnte, daß aber aus fertigungstechnischen Gründen wieder die dargestellte Form gewählt wird, bei der nur die Kanten 48 bzw. 52 vom Mittelpunkt des Kugelkükens 16 aus genau auf diesem Durchmesser liegen, der restliche Bereich dagegen tangential (kegelig) anschließend auf größeren Radien liegt

Da die Steuerelemente 42 und 44 hier gehäusefest sind, könnten sie theoretisch auch einstückig mit dem entsprechend geformten Gehäuse hergestellt, d.h.

selbst Teil des Gehäuses bzw. des Gehäusedeckels sein. Wegen der einfacheren Herstellung und der Möglichkeit die Steut.rcharakteristik durch Austausch der Steuerelemente gegen Steuerelemente mit anderer Drosselöffnung zu ändern, wird aber die beschriebene Ausbildung der Steuerelemente als gesonderte Bauteile

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Kugelbahn mit einem zwischen Dichtringen angeordneten Kugelküken und mit einem Steuerelement mit einer einer gewünschten Steuerebarakteri- stik entsprechend bemessenen Drosselöffnung, d a -durch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (24,26) gegenüber den im Gehäuse (14) vorgesehenen Durchlässen (20, 22) mit radialem Abstand angeordnet sind und zum jeweiligen Dichtring (24, 26) radial einwärts ein gehäuseseitiger, bis an die Oberfläche des Kugelkükens soweit herangeführter, ringförmiger Vorsprung (27,48) vorgesehen ist, daß die Dichtungen in der Schließstellung des Kugelkükens nur über einen ringförmigen Spalt von is Strömungsmittel beaufschlagt werden, und daß das Steuerelement (32a, 32b, 42,44) genau entsprechend der Oberfläche des Kugelkükens nur entlang eines schmalen ringförmigen, radial außen liegenden Bereichs (3β,48, 52) bearbeitet ist, gegenüber dem der übrige Bereich des Steuerelements zurückversetzt ist

2. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (32a, 32b) in der Durchgangsbohrung (18) des Kugelkükens (16) angeordnet ist und sich der schmale ringförmige Bereich (38) an die Oberfläche des Kugelkükens anschließt

3. Kugelhahn nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (32a, 32b) die Form einer in der Durchgangsbohrung (18) des Kugelkükens (16) angeordneten zylindrischen Hülse hat, in deren einer Stirnseite die Drosselöffnung (34) vorgesehen ist

4. Kugelhahn nach Anspruch 1, mit einem vor oder/und hinter dem Kugelküken angeordneten, bezüglich seiner Drosselöffnung mit dem Ein- bzw. Auslaß des Gehäuses ausgerichteten, gehäusefesten, als Steuerscheibe ausgebildeten Steuerelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerscheibe (42, 44) zumindest einen Teil des an die Oberfläche des Kugelkükens herangeführten, gehäuseseitigen ringförmigen Vorsprungs durch ihren schmalen ringförmigen Bereich (48,52) bildet.

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