DE2742115A1 - Metallischer ventilsitz eines kugelventils mit kugelkoerper - Google Patents

Metallischer ventilsitz eines kugelventils mit kugelkoerper

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DE2742115A1
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Description

A.Natalizia-3
Metallischer Ventilsitz eines Kugelventiles mit Kugelkörper
Die Erfindung betrifft einen metallischen Ventilsitz eines Kugelventiles mit einem Kugelkörper als Verschlußglied.
Bekannte Kugelventile bestehen im allgemeinen aus einem Ventilkörper mit einer Ventilkammer, einem im wesentlichen kugeligen Verschlußglied, das in der Ventilkammer angeordnet ist und einem oder zwei Ventilsitzen, die zwischen dem Verschlußglied und denwn der Ventilkammer abgehenden Ein- und Auslass vorgesehen sind. Das Verschlußglied ist mit einer Durchgangsbohrung versehen, um im geöffneten Zustand eine Verbindung zwischen Ein- und Auslassöffnung zu bilden. Ferner besitzen die bekannten Kugelventile Mittel, um das Verschlußglied von der geöffneten Position in die geschlossene Position zu drehen bzw. zu verstellen und umgekehrt.
Verschiedene Techniken sind angewendet worden, um die harten Ventilsitze anzupassen und die besagten Ventile zu verbessern. Zum Beispiel kann die Ventilkammer nach innen spitz zulaufen von der Spitze her, woraus sich eine obere Öffnung ergibt, die groß genug ist, um das Verschlußglied und die Ventilsitze einzusetzen bzw. herauszunehmen. Es ist selbstverständlich, daß man Vorsicht walten lassen muß bei Verwendung dieses Ventiltypes, um eine passende Dichtung zwischen dem Verschlußglied, den Ventilsitz und dem Ventilkörper zu erreichen. Zum Beispiel müssen Federn verwendet werden, um die Ventilsitze in die untere Position zu drücken.
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Eine andere bekannte Lösung verwendet eine Kugel als Verschlußglied, deren axiale Länge kleiner ist als der Durchmesser der Kugel. Auf diese Weise kann die Kugel, wenn sie sich in geöffneter Position befindet, von der oberen öffnung aus leichter eingesetzt werden.
Es sind metallische Ventilsitze für Kugelventile entwickelt worden, die nur wenig durchlässig sind und die große mechanische Vorteile aufweisen bei der Erzeugung von Druck auf das Verschlußglied und die Ventilsitze. Im Ge gensatz dazu haben metallische Ventilsitze von Kugelven tilen, wie z.B. Kontrollventile, praktisch nur einen linear ansteigenden Druck, um die notwendige Dichtheit zu bilden. Bei dieser Art von Ventilen ist es aber nicht möglich die notwendigen Dichte-Toleranzen einzuhalten. Um eine gleichmäßige Dichtheit zu erreichen ist es in der Vergangenheit notwendig gewesen die einzelnen Teile zueinander passend einzuarbeiten. Dadurch werden Ventilsitze geschaffen, die der einzelnen Kugel angepaßt sind und somit die Ventilsitze nicht entfernt werden können ohne die Kugel ebenfalls mit zu entfernen. Daher ist diese Anpassungsart sowohl zeitraubend als auch teuer, so daß eine andere Lösung gesucht werden muß.
Beispielsweise können Ventilsitze für Kugelventile ganz oder teilweise aus verschiedenen flexiblen Materialien hergestellt werden, wie z.B. Gummi, Teflon usw. Dies ist eine spezielle Anwendungsmöglichkeit für Kugelventile, da die elastischen Ventilsitze leicht deformierbar sind, so daß sie einen leichten Druck beim Einsetzen von den Ventilsitzen und dem Verschlußkörper (als Einheit) in die
Ventilkammer zulassen. Wie auch immer ist die Verwendung
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von elastischen ringförmigen Ventilsitzen mit Problemen behaftet. Viele Abdichtungen werden durch Druck erzeugt, d.h. jeder Ventilsitz ist zusammendrückbar zwischen dem Verschlußglied und der entsprechenden Wandung des Ventilgehäuses, was durch die kugelförmige Oberfläche des Verschlußgliedes bewirkt wird, um einen engen Kontakt mit dem Ventilsitz zu erreichen, dabei wird eine Dichtheit zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz und zwischen dem Verschlußglied bzw. Kugelkörper und dem Ventilsitz erreicht.
Es ist bekannt, daß nach einer gewissen Zeit die Elastizität dieses Materials nachläßt, woraus resultier^ daß das Ventil nicht mehr dicht ist. Weiterhin sind diese Materialien nicht geeignet für hohe Temperaturen z.B. 1000° F oder -IJOO0F, für die entsprechende Dichtungsmaterialien angepaßt werden müssen. Bei höheren Temperaturen schmilzt das Material einfach, während es bei niedrigeren Temperaturen bricht. Aus diesem Grund müssen metallische Ventilsitze bei extremen Temperaturen eingesetzt werden, aber deren größere Härte verursacht beim Einsetzen in das Ventilgehäuse Probleme.
Weiterhin ist es bei dieser Art von Ventilen nicht möglich die oben genannten Vorschriften über die Dichtheit im geschlossenen Zustand einzuhalten. In der Tat hat die Härte dieser oben erwähnten Probleme verschiedene Hersteller dazu veranlaßt zu fordern,die Dichte-Toleranzen von Kugelventilen mit Metallventilsitzen herabzusetzen.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen metallischen Ventilsitz zur Verwendung in einem Kugelventil zu schaffen, durch den bei dieser Ventilart die Dichtevorschriften eingehalten werden können, der Einsatz von Verschlußkörper und den Ventilsitzen in die Ventilkammer einfach zu handhaben ist, wie es auch umgekehrt möglich ist den Verschlußkörper und die Ventilsitze aus der Ventilkammer wieder leicht zu entfernen, wenn diese beschädigt oder abgenutzt sind, wobei das Material so
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bemessen werden muß, daß bei hohen Temperaturen der Ventilsitz nicht zerstört werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen erreicht.
Der erfindungsgemäße nicht-sphärische Kugelkörper 2 und die beiden Ventilsitze in der Ventilkammer sehen eine Dichtwirkung durch Einkeilung und mechanische Vorteile vor, die normalerweise bei anderen Ventiltypen durch gesonderte Betätigungsglieder erreicht werden. Dies er- ilbrigt zeitaufwendige und kostenungünstige Ausführungen, wie sie durch den bisherigen Stand der Technik belegt sind. Weiterhin ist es möglich die Ventilsitze aus der Ventilkammer zu entfernen ohne einen neuen Kugelkörper vorsehen zu müssen seit der Kugelkörper 2 und die Ventilsitze 20 und 20' nicht mehr zueinander angepaßt sein müssen, wie dies der Fall ist, wenn der Kugelkörper 2 und die Ventilsitze sich gegenseitig überlappen. Es ist ein großer Vorteil, daß die erfindungsgemäße Anordnung eine Dichtungsfläche aufweist, die umlaufende Verluste vermeidet.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Erfindung wird anhand von Beispielen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:
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Fig. 1 eine Sicht auf einen Kugelkörper, wie er in dem
Kugelventil nach der Erfindung verwendet wird, die den Kugelkörper in Richtung auf die Durchgangsbohrung darstellt;
Fig. 2 einen Schnitt durch den Kugelkörper nach Fig. 1 entlang der Linie A-A;
Fig. 3a eine Sicht auf den Ventilsitz des erfindungsgemäßen Kugelventils;
Fig. 3b eine seitliche Ansicht des Ventilsitzes nach Fig. 2, geschnitten dargestellt;
Fig. 4 einen Teilausschnitt aus dem Kugelventil nach der Erfindung, in dem sowohl der Kugelkörper als auch die beiden Ventilsitze dargestellt sind, wobei der Kugelkörper zu den beiden Ventilsitzen so steht, daß eine Durchgangsstellung entsteht;
Fig. 5 einen Teilausschnitt aus dem Kugelventil in den Umrissen nach Fig. 4, in dem der Kugelkörper zu den Ventilsitzen in geschlossener Position und geschnitten dargestellt ist;
Fig. 6 einen Teilausschnitt aus der Darstellung nach
Fig. 4 oder 5, der eine alternative Ausführungsform des Ventilsitzquerschnittes darstellt, und
Fig. 7 eine Seitenansicht, geschnitten dargestellt, des gesamten Kugelventils nach der Erfindung.
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In den Fig. 1 und 2 ist ein Kugelkörper 2 des Ventils dargestellt, durch den eine Durchgangsbohrung hindurchgeht, die mit der Ein- und Auslassöffnung des Ventils in Verbindung steht (siehe Fig. 7). Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, weist das Ventil einen Kugelkörper 2 auf, der im Querschnitt kreisrund ist und an zwei Seiten rechtwinklig zur Längsachse der Bohrung 1 abgeflacht ist. Wie auch immer wurde die geschnittene Darstellung des Kugelkörpers nach Fig. 2 einer Ebene entnommen, die parallel zu der oben bezeichneten Achse verlauft. In dieser Ebene ist der Kugelkörper 2 des Ventils nicht rund. Die Bereiche die die Peripherie der Bohrung sowohl am Einlaß als auch am Auslass des Ventils bilden, sind unterbrochen und bilden an jeder Seite des Kugelkörpers 2 die Oberflächenstücke 6 bzw. 8. Die Verwendung dieses Typs einer nicht symmetrischen Kugel als verstellbarer Ventilkörper innerhalb eines Ventils ist ausführlicher in der US-Anmeldung Serial No. 593.098 angemeldet am 3. Juli 1975 beschrieben.
Die Fig. 3a und 3b zeigen einen Ventilsitz, der zu beiden Seiten des Kugelkörpers 2 innerhalb des Ventils nach der Erfindung vorgesehen ist. Die Fig. 3a zeigt den Ventilsitz in Draufsicht und Fig. 3b den Ventilsitz von der Seite her gesehen, geschnitten nach der Linie A-A der Fig. 3a.
Der Ventilsitz besteht im allgemeinen aus einem U-förmigen Ringprofil, das aus einer Metallplatte gestanzt wird, deren Material mit elastischen Eigenschaften, wie z.B. "Inconel 718", nicht rostender Stahl usw., besteht. Die Schenkel 10, 12 und 14 des U-Profils des Ventilsitzes stützen den Ventilsitz gegen den Ventilkörper 2 im eingebauten Zustand ab. Dies wird später näher beschrieben. Ein Teil des Ventilsitzes ist mit einer Weiohmetallschicht
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überzogen. Metalle, wie z.B. Silber, Gold, Cadmium,
Nickel, Kupfer und zuverlässige Legierungen davon, sind
für diesen Zweck geeignet. Sie können z.B. durch Pressen, durch Sprühen von Plasma oder durch andere bekannte Techniken zu der benötigten Fläche geformt werden. Der
Schenkel 10 hat eine schräg verlaufende Kante mit der
Oberfläche 18, deren Nutzen später näher beschrieben wird.
Aus Fig. 1J ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Ventilsatzes in Verbindung mit dem Ventilkörper 2 innerhalb
eines Ventilgehäuses dargestellt. Die Ventilanordnung besteht aus dem Kugelkörper 2, den Ventilsitzen 20 und 20', dem Ventilgehäuse 22, der Einlassöffnung 2k und der Auslassöffnung 26. Die Ventilanordnung ist in geöffneter Position dargestellt. In dieser geöffneten Position stützen sich die Flächen 6 und 8 des Kugelkörpers 2 auf den
Weichmetallflächen 16 und 16', die erhaben an den Ventilsitzen 20und 20' angebracht sind, ab und wirken mit diesen zusammen, so daß das Material der Ventilsitze 20 und 20' nicht zusammengepresst wird. Die Anordnung, bestehend aus Ventilsitzen 20 und 2o' und dem Kugelkörper 2, ist so
dimensioniert, daß eine leichte Einführung des Kugelkörpers 2 in die Ventilkammer zwischen die Ventilsitze
20 und 20' von einer Seite, z.B. von oben, möglich ist.
In der geschlossenen Position werden die Ventilsitze 20
und 20* durch die sphärische Oberfläche des Kugelkörpers mit Druck beaufschlagt im Gegensatz zu der entspannten Position und bei einem offenen Ventil. Die Höhe des Druckes in geschlossener Position ist abhängig von der Ausbildung
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der sphärischen Oberfläche des Kugelkörpers 2. Der Kugelkörper 2 und die Ventilsitze 20 und 20* sind so angeordnet, daß sie jeweils am Eingang des Ein- und Auslasses innerhalb der Ventilkammer liegen. Auf diese Weise kann ein leichtes Einsetzen erreicht werden.
Es ist der Fig. Ί zu entnehmen, daß die schrägen Kanten 18 und 18' der Ventilsitze 20 und 20' an dem Ventilgehäuse 22 anliegen. Die schrägen Kanten 18 und 18' sehen einen linienhaften Kontakt mit der Anlagestelle am Ventilgehäuse vor, wodurch sich eine größere Kraft im Anlagebereich ergibt, die die Wirksamkeit der Abdichtung an diesen Stellen erweitert. Alternativ zu der Verwendung der schrägen Kanten 18 und 18' kann eine zusätzliche Weichmetallbeschichtung vorgesehen werden, wie es an der Stelle 30in Fig. 6 dargestellt ist. Diese zusätzliche Beschichtung kann sowohl durch Plattieren als auch durch Plasma-Sprühen vorgenommen werden.
Die gestrichelten Linien durch die Regionen 16 und 16' weisen auf den Grad der Beeinträchtigung durch Druck bei Anliegen der sphärischen Oberfläche des Kugelkörpers 2 in geschlossener Stellung des Ventils hin. Die Spalte 28 und 28', die eine Breite haben, die gleich oder unbedeutend größer ist als die Hälfte der Druckbeeinträchtigung durch den Kugelkörper 2 in geschlossener Stellung des Ventils. Auf diese Weise stoßen, wenn der Kugelkörper
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2 in die geschlossene Stellung gedreht wird, die Schenkel 12 oder 12' an der Wandung des Ventilgehäuses an oder fast an, so daß in der Endstellung ein sich ergebender Druck vorhanden ist. wobei die Schenkel lOund 12 des Ventilsitzes material- und formmSßig so dimensioniert sind, daß der Ventilsitz nicht brechen kann.
Nach dem Einsetzen des Kugelkörpers 2 und der beiden Ventilsitze 20und 20» in die Ventilkammer, wie in Fig. 1 dargestellt, wird der Kugelkörper 2 um 90 gedreht, wobei die sphärische Oberfläche des Kugelkörpers 2 mit der Weichmetallschicht auf den Ventilsitzen 20 und 2ο1 in Eingriff kommt und die Schenkel 12 und 12' in Richtung auf die Wandung des Ventilgehäuses, wie oben beschrieben, gedrückt werden. Dadurch wird eine vorzügliche Abdichtung zwischen den Ventilsitzen und dem Kugelkörper 2 erreicht. Es ist offensichtlich, daß das Material des Kugelkörpers 2 härter sein muß als das Weichmetall (bzw. -legierung) auf der entsprechenden Fläche der Ventilsitze, um die erforderliche Dichtheit zu erreichen. Weiterhin sollte das Metall weich genug sein, so daß bei wiederholter Drehung der Sitz des Kugelkörpers nicht beschädigt wird. Es muß nicht zusätzlich erwähnt werden, daß das Weichmetall drückbar oder zusammendrückbar ist, wenn der Kugelkörper 2 gedreht wird und diese aus ihrer Lage nicht herausgedrückt wird, wie das der Fall wäre, wenn der Kugelkörper 2 Kontakt mit einer Hartmetallschicht am Ventilsitz 20 und 20' haben würde. Wie oben beschrieben ist, nehmen die Spalte 28 und 28' den Dewegunr^spielraum für die Schenkel der Ventilsitze auf, wenn der Kugelkörper 2 von
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von der offenen Position in die geschlossene Position gedreht wird. In Fig. 5 ist der Kugelkörper 2 zwischen den beiden Ventilsitzen 20 und 20· in geschlossener Position dargestellt.
In Fig. 7 ist ein vollständiges Ventil nach der Erfindung dargestellt. Der Kugelkörper 2 ist über die Ventilsitze und 20* mit der Einlassöffnung 2*4 und der Auslassöffnung 26 des Ventilgehäuses 22 verbunden. Die Betätigungsstange 32, an der ein Griff oder Rad 31 befestigt ist, greift beispielsweise über ein Vierkantloch 36 in den Kugelkörper 2 ein, um diesen verdrehen zu können. Der Griff oder das Rad 31 ist auf der Betätigungsstange 32 beispielsweise mit einer Mutter 38 befestigt, die mit einer Kontermutter zusammenwirkt. Eine Abdeckplatte 12 ist durch Schrauben 11 und 18 am Ventilgehäuse 22 befestigt. Eine Abdichtung der Abdeckplatte 12 gegenüber der Ventilkammer ist durch die Dichtringe 50, 52 und 51 vorgesehen. Wenn es notwendig wird, kann der Kugelkörper 2 und die Ventilsitzanordnung 20und 20' aus der Ventilkammer ent fernt werden, lediglich dadurch, daß die Abdeckplatte durch Lösen der Schrauben 11 und 18 entfernt wird. Dann können der Kugelkörper 2 und die Ventilsitze 20 und 20' aus der Ventilkammer herausgenommen werden.
Die Grundsätze der Erfindung sind in der Beschreibung enthalten, die diese anhand eines Beispieles bei einer be stimmten Vorrichtung erläutert, ohne die Erfindung damit zu begrenzen.
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AS
L t; e ι \j e i t e

Claims (1)

  1. 27 Λ 211 5
    Deutsche ITT Industries GmbH L ' H L ' ' J
    Freiburg
    A.Natalizia-3
    Ansprüche
    Metallischer Ventilsitz zur Verwendung in einem Ventilgehäuse mit einer Ventilkammer und Einlass-Auslassöffnungen, mit einem Kugelkörper als Verschlußglied, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallschicht vorgesehen ist, die an der Wandung der Ventilkammer ringförmig um die Einlass- und Auslassöffnung anliegt und eine Weichmetallschicht an den Stellen aufgebracht ist, bei denen eine Anlage zwischen Ventilsitz und Wandung der Ventilkammer einerseits und Ventilsitz und dem Kugelkörper andererseits erfolgt.
    2. Metallischer Ventilsitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Teil (20, 20') aus einem Material besteht, das elastische Eigenschaften aufweist.
    3. Metallischer Ventilsitz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (20, 20') aus rostfreiem Stahl besteht.
    1J. Metallischer Ventilsitz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (20, 20') aus Iconel 718 besteht .
    16.09.1977, Kre/Ku
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    "2" 27A2115
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    5. Metallischer Ventilsitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Weichmetall aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Silber, Gold, Cadmium, Nickel und Kupfer besteht.
    6. Metallischer Ventilsitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventilsitz (20, 20') aus einer Metallplatte ausgestanzt ist und im wesentlichen aus einem U-Profilring besteht, der erste und zweite Schenkel und eine Basis aufweist, auf der eine Weichmetallschicht aufgebracht ist.
    7. Metallischer Ventilsitz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schenkel länger ist als der zweite Schenkel mit einem vorbestimmten Abstand und daß der erste Schenkel an der Wandung der Ventilkammer anliegt.
    8. Metallischer Ventilsitz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schenkel an seinem Endteil eine schräg verlaufende Kante aufweist, die einen ringförmigen Kontakt mit der Wandung ergibt, um einen hohen Dichtungsdruck zu erreichen.
    9. Metallischer Ventilsitz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ende des ersten Schenkels ein Weichmetallüberzug angeordnet ist, um einen guten Kontakt zu der Wandung des Ventilgehäuses herzustellen.
    10. Metallischer Ventilsitz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schenkel im wesentlichen an der Wandung des Ventilgehäuses anliegt, wenn der Ventilsitz durch das Schließglied mit Druck beaufschlagt wird.
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    11. Kugelkörper und Ventilsitzanordnung zum Einsetzen in eine Ventilkammer zwischen dem Einlass und dem Auslass eines Ventils, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupelkörper (2) eine durchgehende Mittelbohrung aufweist, die mit der Einlass- und Auslassöffnung fluchtet und am Umfang abgeflachte Flächen aufweist, die in offener Stellung des Ventils mit dem WeichmetallUberzug auf den Ventilsitzen im Eingriff ist.
    12. Kugelkörper und Ventilsitzanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (20 oder 20')an der Stelle, an der er mit dem Kugelkörper (2) im eingebauten Zustand in Berührung steht und an der Stelle, an der er die Einlass- oder Auslassöffnung ringförmig umgibt, je eine Schicht aus Weichmetall aufweist.
    13. Kugelkörper und Ventilsitzanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (20, 20') aus einem Metall ausgestanzt ist, das elastische Eigenschaften aufweist.
    14. Kugelkörper und Ventilsitzanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz aus rostfreiem Stahl besteht.
    15. Kugelkörper und Ventilsitzanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz aus Inconel 718 besteht .
    16. Kugelkörper und Ventilsitzanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Weichmetall aus einer Gruppe von Metallen ausgewählt ist, die aus Silber, Gold, Cadmium, Nickel und Kupfer besteht.
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    A .Natalizia-3
    Kugelkörper und Ventilsitzanordnung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz an einem Schenkel eine schräg verlaufende Kante aufweist, die im eingebauten Zustand an der Wandung der Ventilkammer die Fanlass- oder Auslassöffnung ringförmig umgebend anliegt, um eine lineare Dichtung unter hohem Druck zu gewährleisten.
    18. Kugelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil aus einem Ventilkörper mit Einlass- und Auslassöffnungen und einem Ventilkörper besteht, in dem ein Kugelkörper (2) mit einer Durchgangsbohrung, die im eingesetzten Zustand des Kugelkörpers in die Ventilkammer mit der Einlass- und Auslassöffnung fluchten, eingesetzt ist, dessen kugelige Oberfläche an den Ein- und Auslassöffnungen abgeflacht ist, daß zwischen der Einlassöffnung und dem Kugelkörper (2) und zwischen der Auslassöffnung und dem Kugelkörper (2) je ein Ventilsitz (20, 20') angeordnet ist, die an den Anlageflächen mit dem Kugelkörper (2)eine Weichmetallschicht aufweisen und ebenfalls eine Weichmetallschicht an den abgeschrägten Kanten, die ringförmig um die Einlass- und Auslassöffnung anliegen, aufweisen und daß Mittel zum Drehen des Kugelkörpers (2) vorgesehen sind, wobei der Kugelkörper beim Drehen in die geschlossene Position Druck auf die Weichmetallschicht an den Ventileinsätzen (20, 20') ausübt und dadurch ein dichter Abschluß bewirkt wird.
    19. Kugelventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventilsitze aus einem Material ausgestanzt sind, das elastische Eigenschaften aufweist, und auf beiden Ventilsitzen eine Meichmetallschicht aufgebracht ist.
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DE19772742115 1976-09-22 1977-09-19 Metallischer ventilsitz eines kugelventils mit kugelkoerper Granted DE2742115A1 (de)

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