DE4400537A1 - Ventil mit exzentrisch drehbarer Buchse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf dichtungslose Steuerventile, die zur Steuerung der Strömung eines Fluids in einer Rohr­ leitung verwendet werden. Ein typisches Beispiel eines dich­ tungslosen Ventils für einen solchen Zweck ist ein Membran­ ventil, wie es zum Beispiel in der US-Patentschrift 4 609 178 des Anmelders beschrieben ist. Diese Ventile schließen gut ab und sind relativ kompakt. Da allerdings die Membran sowohl als Verschlußelement als auch als Schaftdichtung wirkt, muß eine solche Membran ziemlich groß sein, sie ist typischerweise zwei bis dreimal so groß wie der Durchmesser der Ventilöffnung. Im Ergebnis sind beträchtliche Betäti­ gungskräfte erforderlich, um die von dem auf der Membranflä­ che lastenden Fluiddruck erzeugten Kräfte zu überwinden.

Wenn die Membran aus Kunststoff besteht, zum Beispiel aus PTFE (Polytetrafluorethylen), ist ein laufend wiederholtes Schließen einer solchen Membran wegen der hohen mechanischen Spannung, die durch die für eine solche Membran erforder­ liche, weite, flexible Bewegung entsteht, nicht gewährleis­ tet. Ein weiterer Nachteil eines Membranventils ist ihr stark stromlinienförmiger Strömungsdurchlaß, der bei hohen Fluidgeschwindigkeiten zu Kavitation und Verschleiß führen kann. Schließlich ist die Baugröße eines typischen Membran­ ventils ziemlich groß im Vergleich zur Durchlaßöffnung, wo­ durch der Bau eines solchen Ventils relativ teuer wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil zu schaffen, das die genannten Nachteile vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Anspruch 1 gelöst.

In vorteilhafter Weise wird ein flexibles Rohr als Ver­ schlußelement und als Schaftabdichtung eingesetzt. Das flexible Rohr kann aus einem beliebigen, kommerziellen Elas­ tomer oder Kunststoff bestehen, zum Beispiel aus Silikongum­ mi in Sanitärqualität, wobei keine übermäßig großen Spannun­ gen auf das Material wirken. Die relativ geringe radiale Versetzung des Dichtungsmaterials erfordert nur mäßige Be­ tätigungskräfte, was zu wesentlichen Kosteneinsparungen in bezug auf die Betätigungsvorrichtungen führt. Im Vergleich zu Membranventilen, bei denen relativ große Flächen dem Fluiddruck ausgesetzt sind und bei denen demzufolge große Spannungen entstehen, wird das erfindungsgemäße, flexible Rohr auf mehr als 90% der dem Fluid ausgesetzten Fläche von einem innen angeordneten mechanischen Element abgestützt, was wiederum zu relativ geringen Spannungen führt, wodurch eine wesentlich höhere Anzahl von Arbeitsspielen während der Lebensdauer möglich ist. Ein weiterer Vorteil liegt in der Tatsache, daß der Durchmesser des erfindungsgemäßen Dich­ tungsrohrs nur etwa 65% größer als der Ventil­ öffnungsdurchmesser ist, weshalb nur ein relativ kleines Ventilgehäuse und entsprechend kleine Anschlußflansche er­ forderlich sind.

Darüber kann das erfindungsgemäße Ventil in voll ständigem Vakuum eingesetzt werden, ohne daß befürchtet werden muß, daß die Dichtungsmembran aufgrund des Unterdrucks kolla­ biert, wie dies bei typischen Membranventilen vorkommt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Aus­ führungen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine zentrale, senkrechte Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform, wobei das Ventil in offener Stellung gezeigt ist;

Fig. 2 eine horizontale Querschnittsansicht des Ven­ tils nach Fig. 1 entlang der Linie 2-2 in Fig. 1, wobei das Ventil in geschlossener Stellung gezeigt ist;

Fig. 3 eine senkrechte Querschnittsansicht einer Ausführungsform mit einer vereinfachten Ab­ dichtung des flexiblen Rohrs gegenüber dem Ventilgehäuse.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Ventil, das ein Ventilgehäuse 3 mit einer Einlaßöffnung 4 und einer Auslaßöffnung 5 aufweist. Einlaß- 4 und Aus­ laßöffnung 5 können auch vertauscht werden, ihre Festlegung erfolgt lediglich aus Zweckmäßigkeitsgründen. Das Ventil­ gehäuse 3 hat eine zentrale, kreisförmige, senkrechte Boh­ rung 6 und eine erweiterte Öffnung 6a, wobei der Schnitt zwischen der Einlaßöffnung 4 und der Öffnung 6a eine zylin­ drische Sitzfläche 7 herstellt, die einen Ventilsitz bildet. Die radiale Anordnung dieses Sitzes ist im wesentlichen identisch mit dem Radius eines Rohres oder einer Buchse 9, wobei der Mittelpunkt des Sitzkreises gegenüber dem Mittel­ punkt des Gehäuses 3 versetzt ist. Einlaß- 4 und Aus­ laßöffnung 5 sind mit Flanschen versehen, damit sie an ein ein Fluid enthaltendes Rohrsystem angeschlossen werden kön­ nen. Die kreisförmige Bohrung 6 nimmt der flexiblen Buchse 9 auf, die eng in diese Bohrung eingepaßt ist und auf ihrer Innenseite von zwei Einsätzen 10 abgestützt wird, welche von einem oberen und unteren Deckelflansch 31 gehalten werden. Im Inneren der Buchse 9 sitzt ein trommelförmiger Kern 13 mit einem hohlen Mittelabschnitt 14. Jeder Einsatz 10 ist mit einer Führungshülse 18 versehen, um einen Ventilschaft 19 zu führen, der einen zylindrischen Mittelabschnitt 20 aufweist, dessen Mittelachse zur Mittelachse des Schafts 19 um den in Fig. 2 dargestellten Abstand "e" versetzt ist. Die in Fig. 1 obere Verlängerung des Schafts 19 ist so aus­ gebildet, daß sie mit einer Betätigungseinrichtung zusammen­ wirken kann.

Die Außenfläche der Buchse 9 muß gegen die Innenfläche der Bohrung 6 gedrückt werden, um ein Lecken des Fluids von der Öffnung 6a nach außen zu verhindern. Dies wird durch einen Keil 11 aus einem elastischen Polymer erreicht, der durch den abgeschrägten Abschnitt 12 jedes Einsatzes 10 nach außen gedrückt wird. Hierfür weist der obere Einsatz 10 eine mit Gewinde versehene Verlängerung 25 auf, die durch eine Öff­ nung des oberen Deckelflanschs 31 verläuft und durch eine Mutter 26 nach oben gezogen wird. Dies funktioniert zwar bei einem Betrieb mit relativ konstanten Temperaturen, aber es gibt Anwendungen zum Beispiel in aseptischen Einsatzfällen, in denen die Temperatur wegen der Zufuhr von Sterilisie­ rungsdampf periodisch um mehr als 93,3°C (200°F) ansteigen kann. Solche Temperaturanstiege können eine deutliche ther­ mische Ausdehnung der elastischen Polymerbuchse und des Keils zur Folge haben, was zu einer permanenten Verformung und zum Verlust der Dichtfähigkeit im nachfolgenden, ab­ gekühlten Zustand des Ventils führen kann, was nicht zuge­ lassen werden kann. Es wurde aber gefunden, daß durch Einbau eines Federelements, wie etwa der konischen Federscheibe oder Tellerfeder 27 unter der Mutter 26, der gewünschte Druck des Keils 11 selbst nach wiederholten thermischen Be­ lastungen nach einem Prinzip, das bereits für Ventilschaft­ packungen bekannt ist und erfolgreich eingesetzt wird, wie­ derhergestellt werden kann.

Da im unteren Bereich des Ventils am Deckelflansch 31 mehr Platz vorhanden ist, wurden die Verlängerung 25 und die Mut­ ter 26 durch eine Anzahl Bolzen 28 und entsprechend kleine­ rer Tellerfedern 29 ersetzt, wobei dasselbe Ergebnis er­ reicht wird.

In Fig. 1 ist der Schaft in geöffneter Stellung darge­ stellt, d. h. der zylindrische Abschnitt 20 ist vollständig in Richtung zur Auslaßöffnung 5 versetzt, wodurch der trom­ melförmige Kern 13 in Richtung zur Auslaßöffnung 5 (Position a) gedrückt wird. Dies wiederum führt zu einer exzen­ trischen, radialen Verlagerung der flexiblen Buchse 9, wo­ durch Fluid von der Einlaßöffnung 4 zwischen der Sitzfläche 7 und der flexiblen Buchse 9 in die Öffnung 6a des Ven­ tilkörpers und von dort zur Auslaßöffnung 5 strömen kann. Dies stellt die geöffnete Ventilstellung dar. Bei Drehung des Ventilschafts 19 in entgegengesetzter Richtung, wodurch der trommelförmige Kern 13 in Richtung auf die Einlaßöffnung 4 bewegt wird, macht die flexible Buchse 9 zwangsläufig eine Nutationsbewegung oder Taumelbewegung und wirkt mit der Sitzfläche 7 des Gehäuses 3 zusammen, um eine Fluidströmung von der Einlaß- 4 zur Auslaßöffnung 5 zu blockieren. Dieser Zustand tritt ein, wenn sich die Exzentrizität "e" in der Stellung nach Fig. 2 (Position b) befindet.

Es ist notwendig, die Ventilöffnung 6a vollständig zu ent­ leeren, wenn ein solches Ventil für Fluide im Lebensmittel­ bereich (zum Beispiel in der Nahrungsmittel- oder Bioprozeß­ industrie) eingesetzt wird. Dies kann bei der vorliegenden Erfindung dadurch geschehen, daß das Ventil so angeordnet wird, daß der Schaft 19 horizontal liegt und die Achse der Auslaßöffnung 15 gegenüber der der Einlaßöffnung 4 versetzt wird (siehe Fig. 2). Auf diese Weise verläuft die In­ nenfläche der Öffnung 5 bündig oder leicht unterhalb der untersten Stelle der erweiterten Öffnung 6a, wodurch das gesamte Fluid aufgrund der Schwerkraft aus dem Ventilgehäuse in die an die Auslaßöffnung 5 angeschlossene Rohrleitung läuft.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform der Erfin­ dung, wobei O-Ringdichtungen 30 zwischen Buchse 9, Gehäuse 3 und Deckelflansch 31 angeordnet sind und in ausreichendem Maß zusammengedrückt werden, um die Buchse 9 gegenüber der Gehäusebohrung 6 und dem Deckelflansch 31 abzudichten. Ein solches Dichtungssystem ist ausreichend, wenn die Tempera­ turabweichung des Fluids nicht über 100°C hinausgeht. Eine Betätigungsvorrichtung 22 kann für einen automatischen Be­ trieb des Ventils vorgesehen sein.

Da die flexible Buchse 9 aus einem korrosionsbeständigen, inerten Material wie PTFE (Polytetrafluorethylen) herge­ stellt sein kann, welches ein relativ hartes Material ist, kann der Fall eintreten, daß ein gasdichter Kontakt zur Sitzfläche 7 nicht möglich ist, insbesondere weil weitere mechanische Ungenauigkeiten aufgrund von verschiedenen Her­ stellungstoleranzen auftreten können. Um dieses Problem zu überwinden, wurde eine elastische Abstützung durch Einfügen einer weiteren Buchse 17 zwischen dem trommelförmigen Kern 13 und der flexiblen Buchse 9 vorgesehen. Diese Buchse 17 besteht aus einem relativ elastischen Material und gleicht daher die oben erwähnten Ungleichmäßigkeiten aus.

Durch Verwendung der exzentrischen Anordnung des Elements 20 und des trommelförmigen Kerns 13 wird eine nutations- oder nockenkurvenartige Bewegung der Buchse 9 in Richtung auf die Sitzfläche 7 erreicht. Dies führt zu einer allmählichen An­ näherung der Buchse 9 in Richtung auf den Sitz, wenn sie sich in der Nähe der Sitzfläche 7 befindet, aber zu einer schnelleren Bewegung in der Nähe der offenen Ventilstellung, wodurch zwangsläufig eine dem Ventil innewohnende, er­ wünschte Durchflußcharakteristik für automatische Drosselan­ wendungen entsteht.

Es können zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Z.B. kann der Ab­ schnitt 20 weitere Lagerungseinrichtungen aufweisen, um die Reibung beim Drehen zu verringern; um den Schaft 19 könnte zur Vergrößerung des Schutzes eine Packung vorgesehen wer­ den; im Gehäuse 3 könnte ein getrennter Sitzring (z. B. aus rostfreiem Stahl) vorgesehen werden, wenn das Gehäuse aus kostengünstigem Metall wie z. B. Gußeisen hergestellt wird; der Schaft selbst könnte in Bezug auf die Achse der Bohrung 6 exzentrisch gelagert sein; der Abschnitt der Buchse, der nicht verlagert wird, könnte vollständig innerhalb der Ge­ häusebohrung liegen.

Bezugszeichenliste

3 Gehäuse
4 Einlaßöffnung
5 Auslaßöffnung
6 Zentrale Öffnung
6a Öffnungsstellung
6b Schließstellung
6e Exzentrischer Abstand
7 Ventilsitz
9 Buchse
11 Keilelement
12 Konische Außenfläche
13 Kern
14 Bohrung
17 Elastischer Einsatz
19 Schaft
20 Exzentrisches Element
25 Gewindeabschnitt
26 Mutter
27 Federelement
28 Bolzen
29 Federelement
31 Flansch

Claims (8)

1. Ventil mit exzentrisch drehbarer Buchse (9) mit einem wenigstens eine horizontale Einlaßöffnung (4), eine Aus­ laßöffnung (5) und eine zentrale, im wesentlichen senk­ recht zur Einlaßöffnung (4) verlaufende Öffnung (6) auf­ weisenden Gehäuse (3), wobei die Grenzfläche zwischen der horizontalen Einlaßöffnung (4) und der dazu senk­ rechten, zentralen Öffnung (6) einen Ventilsitz (7) mit einer radialen Oberfläche bildet, deren Mittelpunkt ex­ zentrisch zur Mittelachse des zentralen Gehäuses (3) verlagert ist, mit einer flexiblen Buchse (9), die in die zentrale Öffnung (6) eingesetzt ist, mit einem trom­ melförmigen Kern (13), der konisch zulaufende Enden auf­ weist und eng in die flexible Buchse (9) paßt, wobei sich die Länge des zylindrischen Abschnitts des Kerns (13) über die Querschnittsabmessung der Einlaßöffnung (4) hinauserstreckt und die Buchse (9) im wesentlichen auf ihrer ganzen, innerhalb des Gehäuses (3) freiliegen­ den Länge durch den trommelförmigen Kern (13) und seine konisch zulaufenden Enden abgestützt ist, um äußeren Fluidkräften zu widerstehen, mit einem Schaft (19), der sich durch die Länge der zentralen Öffnung (6) erstreckt und ein exzentrisches Element (20) aufweist, wobei der Kern (13) eine Bohrung (14) aufweist, die mit dem Schaft zusammenwirkt und entsprechend ausgebildete Abschnitte hat, um mit dem exzentrischen Element (20) des Schafts (19) zusammenzuwirken und den Kern (13) zu einer Nuta­ tionsbewegung in Richtung auf die Einlaßöffnung (4) zu veranlassen, wodurch der zentrale Abschnitt der flexi­ blen Buchse (9) eine entsprechende Bewegung ausführt und dadurch die Buchse (9) mit dem Ventilsitz (7) in einer taumel- oder nockenartig geführten Bewegung in Berührung bringt, wodurch Fluid abgesperrt wird und daran gehin­ dert wird, von der Einlaßöffnung (4) zur Auslaßöffnung (5) zu strömen, sobald eine ausreichende Drehung des Schafts (19) erfolgt ist, wobei geeignete Verschluß­ mittel an den Endabschnitten der zentralen Öffnung (6) befestigt sind, um die flexible Buchse (9) zu halten und abzudichten.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das exzentrische Element (20) des Schafts (19) aus einem zentralen, zylindrischen Abschnitt besteht, dessen Durchmesser größer als der des Schafts (19) ist, wobei die Mittellinie des zylindrischen Abschnitts (20) gegen­ über der des Schafts (19) versetzt ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Verschlußmittel aus einem in geeigneter Weise an dem Ventilgehäuse (3) befestigten Flansch (31) besteht, der mit einer kreisförmigen Öffnung versehen ist, um das obere oder untere Ende der flexiblen Buchse (9) eng zu umgreifen, und zusätzlich abgeschrägte Ein­ sätze (12) aufweist, die eng mit der Innenseite der flexiblen Buchse (9) zusammenwirken, wobei geeignete Dichtungen innerhalb des Flanschs (31) gehalten und so angeordnet sind, daß sie eine Fluidströmung von der zen­ tralen Öffnung (6) entlang der Außenseite der flexiblen Buchse (9) und zwischen dem Gehäuse (3) und dem Flansch (31) verhindern.

4. Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (5) des Gehäuses (3) gegenüber der Einlaßöffnung (4) so versetzt ist, so daß die untere Innenfläche der Auslaßöffnung (5) mit der inneren, radialen Oberfläche des vergrößerten Mittelab­ schnitts (6a) der zentralen Öffnung (6) des Gehäuses (3) bündig ist, um einen Ablauf für das nach Schließen des Ventils im Ventilgehäuse (3) verbleibende Fluid zu schaffen.

5. Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (13) auf seinem äußeren Umfang mit einer Aussparung versehen ist, in der ein elastischer Einsatz (17) gehalten ist, um eine federnde Abstützung des Abschnitts der flexiblen Buchse (9) zu schaffen, der mit dem Ventilsitz (7) in Berührung kommen kann.

6. Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Verschlußeinrichtun­ gen, die an den beiden Endabschnitten der zentralen Öf­ fnung (6) befestigt sind, zusätzliche Einsätze (10) mit konisch zulaufenden Außenflächen (12), die in den un­ teren und oberen Abschnitt der Buchse (9) eingreifen und eng benachbart beidseitig des Kerns (13) sitzen, vorhan­ den sind, daß verformbare Keilelemente (11) zwischen den konisch zulaufenden Außenflächen (12) der Einsätze (10) und der Innenfläche der Buchse (9) angeordnet sind, und daß Mittel zum Zusammendrücken der verformbaren Keilele­ mente (11) vorhanden sind.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (10) mit Gewindemitteln (25, 26, 28) zusammen­ wirken oder mit solchen versehen sind, um gemeinsam mit den besagten Verschlußmitteln die verformbaren Keilele­ mente (11) zusammenzudrücken, um radial auswärts gerich­ tete Kräfte auf das Innere der Buchse (9) auszuüben, damit eine feste Abdichtung zwischen der Außenseite der Buchse (9) und Teilen der Innenflächen der zentralen Öffnung (6) geschaffen wird.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Federn (27, 29) zwischen den Gewindemitteln (25, 26, 28) und den Verschlußmitteln angeordnet sind, um die Span­ nung auf den Gewindemitteln (25, 26, 28) nach einer thermischen Verformung der Buchse (9) oder der Keilmit­ tel (11) aufrechtzuerhalten.