DE4408218C2 - Absperrelement aus Keramik für Kugelhähne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Absperrelement aus Keramik für Ku­ gelhähne.

Keramische Absperrelemente als Kugel werden für Kugelhähne zum Beispiel wegen der guten chemischen Beständigkeit und der ho­ hen Verschleißfestigkeit im Chemiebereich und anderen Verfahr­ ensbereichen eingesetzt.

Es sind Absperrelemente aus Keramik für Kugelhähne als Kugel bekannt, die mit einer Schaltwelle zum Beispiel über Nut und Feder oder einer exzentrischen Eingriffsvorrichtung gekuppelt sind. Mit dieser unmittelbar an der Kugel geteilten und gekup­ pelten Ausführung zwischen Kugel und Schaltwelle versucht man der bekannten Bruchgefahr bei Kugeln aus keramischen Werkstof­ fen entgegen zu wirken. Die im Mediumbereich liegende geteilte und gekuppelte Ausführung ist jedoch für Kugelhähne, die bei Medien mit einem hohen Reinheitsgrad eingesetzt werden, von Nachteil, da sich eine Spaltbildung im Bereich der formschlüs­ sigen Verbindung zwischen Kugel und Schaltwelle nicht vermei­ den läßt. Dadurch können sich Mediumreste in diesem Bereich ablagern. Weiterhin ist es insbesondere wegen der Korrosions­ beständigkeit erforderlich, die Schaltwelle entweder aus einem sehr edlen metallischen Werkstoff herzustellen, oder diese zum Beispiel mit einem Fluorkunststoff zu ummanteln.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Absperrelement aus einem keramischen Werkstoff für einen Kugelhahn zu schaffen, das im Mediumbereich keine Spaltbildung wie bei einer unmittel­ bar an der Kugel mit der Schaltwelle gekuppelten Ausführung aufweist, und weiterhin soll das Absperrelement eine hohe Bruch­ festigkeit aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale ge­ löst.

Erfindungsgemäß wird die Schaltwelle von dem Absperrelement in einen keramischen und in einen metallischen Bereich unterteilt, die im Verbund zusammenwirken. Der keramische Bereich der Schaltwelle, nachfolgend als Schaft bezeichnet, wird mit der Kugel zusammen einstückig ausgeführt. Der Schaft weist einen, zweckmäßig bis in die Kugel hineinreichenden Hohlraum auf. Der metallische Bereich der Schaltwelle, nachfolgend als Verstärk­ ungszapfen bezeichnet, greift in den Hohlraum ein. Zweckmäßig reicht dieser metallische Verstärkungszapfen bis in den an­ grenzenden Kugelbereich hinein, um dem gefährdeten Querschnitt im Übergang vom Schaft zur Kugel eine höhere Bruchfestigkeit zu geben. Um die Bruchgefahr im oberen Bereich der Schaltwelle zu reduzieren, d. h. an der der Kugel entgegengesetzten Seite, die zum Beispiel einen Flachkant oder Vierkant zur Aufnahme eines Handhebels oder Kraftantriebes bzw. eines Betätigungs­ organes aufweist, erstreckt sich der Verstärkungszapfen auch auf diesen Bereich in voll metallischer Ausführung. Hierbei erweist sich als besonders zweckmäßig, wenn der Verstärkungs­ zapfen in voll metallischer Ausführung bis in den Lagerbereich für die Schaltwelle hineinreicht bzw. sich in diesen hinein noch voll erstreckt, da dadurch eine unsachgemäße Behandlung, zum Beispiel ein seitlicher Schlag gegen den Flachkant der Schaltwelle im Lagerbereich, gedämpft wird und somit den Ke­ ramikbereich nicht voll belastet. Dieser Verstärkungszapfen ist zweckmäßig auf die Länge des im Keramikteil befindlichen Hohl­ raumes querschnittsmäßig als Vierkant, als Sternprofil oder ähnlich ausgebildet und greift formschlüssig in das dazu pas­ sende im Hohlraum befindliche Profil des Keramikteils bzw. des Schaftes mit Kugel zum Zwecke der Kraftübertragung beim Schaltvorgang ein. Dieser Verstärkungszapfen kann nur form­ schlüssig im Steckverfahren im Keramikteil eingreifen, er kann aber auch zusätzlich über ein keramisches Bindemittel fest mit dem Keramikteil verbunden bzw. verkittet sein. Der im Keramik­ teil befindliche Bereich des Verstärkungszapfens kann auf der gesamten im Keramikteil befindlichen Länge des Hohlraumes kraft­ übertragend wirken. Der Verbund von Keramikteil und dem metal­ lischen oder aus einem festigkeitsmäßig in etwa gleichwertig geeigneten Werkstoff bestehenden Verstärkungszapfen kann aber auch so gestaltet sein, daß die Kraftübertragung nur im Bereich des in der Kugel liegenden Hohlraumes erfolgt, und im übrigen Bereich des Hohlraumes von dem Schaft liegt der Verstärkungs­ zapfen nicht am Keramikteil an, oder er kann zwar anliegen, jedoch ohne formschlüssige Verbindung.

Der Schaft reicht zweckmäßig vom Übergang der Kugel zum Schaft bis oberhalb des Stopfbuchsbereiches und endet vor dem Lagerbe­ reich, so daß mediumseitig eine keramische Ausführung besteht.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es auch mög­ lich, den metallischen Verstärkungszapfen außen am keramischen Teil der Schaltwelle bzw. am Schaft formschlüssig anzuordnen. Ein Hohlraum im Keramikteil kann bei dieser Ausführungsform entfallen. Ein Hohlraum kann aber auch zusätzlich bei dieser Ausführungsform vorgesehen werden und zur Anordnung eines metal­ lischen Verstärkungsstiftes dienen. Dieser Verstärkungsstift kann in den Verstärkungszapfen und in den Schaft eingreifen, oder er ist nur im Schaft bzw. im Keramikteil angeordnet.

Die einstückig ausgeführte Kugel mit Schaft aus Keramik ist an keinen besonderen keramischen Werkstoff gebunden. Es können hierfür Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid und andere keramische Werkstoffe vorgesehen werden.

Der Durchgang der Kugel mit Ein- und/oder Ausgang für den Durchfluß des Mediums ist an keine bestimmte Querschnittsform gebunden. Er kann rund, dreiecksförmig, oder je nach Bedarf auch anders gestaltet sein. Auch kann die Kugel durchgangs­ mäßig mit einem Drei- oder Mehrwegedurchgang versehen sein oder C-Form aufweisen. Ebenso kann die Kugel so ausgeführt sein, daß Eingang gleich Ausgang ist, d. h. die Kugel weist ein Sackloch, zweckmäßig in konischer Ausführung auf, um das Absperrelement für einen Kugelhahn zur Entnahme von Mediumproben verwenden zu können.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren und in den Unteransprüchen dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und Kombinationen der Einzel­ merkmale weitere Verbesserungen der aufgezeigten Lösung sind.

Die Erfindung ist anhand der Fig. 1 und 2 zeichnerisch bei­ spielweise dargestellt, ohne auf diese Ausführungsformen be­ schränkt zu sein.

Fig. 1 zeigt ein Absperrelement gemäß der Erfindung, ausge­ bildet als Kugel mit Schaft aus Keramik mit inte­ griertem Metallteil, welches in einem Hohlraum des Keramikteils formschlüssig eingreift und

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Er­ findung mit einem außen am Schaft des Keramikteils formschlüssig verbundenen Metallteils.

Die Fig. 1 zeigt eine Kugel 1 mit Schaltwelle 2 als Absperr­ element, wobei die Schaltwelle 2 aus dem mit der Kugel 1 ein­ stückig gestaltetem Schaft 3 und dem Verstärkungszapfen 4 be­ steht. An der der Schaltwelle 2 entgegengesetzten Seite weist die Kugel 1 einen unteren Lagerzapfen 6 auf. Die Kugel 1 ist mit einem Durchgang 5 mit Ein- und/oder Ausgang 5a zum Durch­ fluß des Mediums bei Offenstellung des Absperrelementes inner­ halb eines Kugelhahns versehen. Rein schematisch sind der La­ gerbereich 8 und der Stopfbuchsbereich 9 eines Kugelhahns dar­ gestellt, die innerhalb eines Gehäuses oder eines zum Gehäuse bzw. zum Kugelhahn gehörenden Teils angeordnet sind. Kugel 1 mit Schaft 3 bestehen aus Keramik und der Verstärkungszapfen 4 aus einem metallischen Werkstoff, zum Beispiel aus Edelstahl. Der Schaft 3 reicht in etwa bis zum Beginn des Lagerbereiches 8. Er kann sich aber auch noch etwas in den Lagerbereich 8 hinein erstrecken. Der Stopfbuchsbereich 9 liegt noch voll im Bereich vom Schaft 3, d. h. im Mediumbereich ist die Schaltwelle 2 in Keramik ausgeführt. Der Schaft 3 weist einen Hohlraum 3a auf, der bis in die Kugel 1 hineinreicht und in einem Abstand zum Durchgang 5 der Kugel 1 endet. Eine Verbindung des Hohl­ raumes 3a zum Durchgang 5 ist nicht sinnvoll, da dann eine Ab­ dichtung zwischen dem Hohlraum 3a und Verstärkungszapfen 4 er­ forderlich wäre. Der Hohlraum 3a ist zumindest in einem Teilbe­ reich seiner Länge mit einem Querschnittsprofil, wie zum Bei­ spiel einem Vierkant oder Sternprofil versehen, welches zur Übertragung eines Drehmomentes dient.

Der Verstärkungszapfen 4 unterteilt sich in den Betätigungsbe­ reich 4a, in Bund 4b und in den Verbindungsbereich 4c. Der Be­ tätigungsbereich weist einen Flachkant oder dergleichen zur Aufnahme eines Betätigungsorganes auf. Der Bund 4b dient der Lagerung der Schaltwelle 2 im Lagerbereich 8. Der Verbindungs­ bereich 4c weist korrespondierend zu dem Querschnitt des Hohl­ raumes 3a auf die entsprechende Länge des Hohlraumes 3a oder in einem Teilbereich von diesem ein Querschnittsprofil zur Übertragung eines Drehmomentes, zum Beispiel einen Vierkant, ein Sternprofil oder dergleichen, jeweils korrespondierend zum Hohl­ raum 3a auf. Der Verbindungsbereich 4c kann formschlüssig in dem Hohlraum 3a eingesetzt und in diesem fest verkittet sein. Der Verbindungsbereich 4c des Verstärkungszapfens 4 kann aber auch nur formschlüssig mit dem Hohlraum 3a verbunden sein. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn der Verstärkungszapfen 4 zum Bei­ spiel im Bereich des Bundes 4 axial gegen Längsverschiebung ge­ sichert ist. Die Verbindung von dem Verstärkungszapfen 4 mit Schaft 3 und Kugel 1 kann auch sinnvoll so gestaltet sein, daß nur im Kugelbereich 7 der Verbindungsbereich 4c von Verstärk­ ungszapfen 4 im Hohlraum 3a tragend ausgeführt ist, und der übrige Bereich ist mit entsprechendem Spiel oder rund zwischen Hohlraum 3a und Verbindungsbereich 4c gestaltet und somit nicht tragend ausgeführt. Die Kraftübertragung von Verstärkungszapfen 4 auf Kugel 1 erfolgt in diesem Fall nur im massiven Bereich der Kugel 1 und der Schaft 3 bildet einen Schutzmantel für den Verstärkungszapfen 4 bis zu Beginn des Bundes 4b. Auch kann stirnseitig von Schaft 3 und Bund 4b korrespondierend zuein­ ander zum Beispiel eine Stirnverzahnung 10 vorgesehen werden, wie in der rechten Hälfte der Figur zu sehen ist. Diese Stirn­ verzahnung 10 kann zusätzlich zum Verbindungsbereich 4c der Kraftübertragung für das Drehmoment dienen.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Absperrele­ ment ähnlich wie in der Fig. 1 dargestellt, lediglich ist der metallische Verstärkungszapfen 4 außen an dem aus Keramik be­ stehenden Schaft 3 formschlüssig angeordnet. Die formschlüssige Verbindung im Verbindungsbereich 4c liegt innerhalb des Lager­ bereiches 8 und kann zum Beispiel als Vierkant, als Sternprofil oder ähnlich ausgeführt sein. Der Verstärkungszapfen 4, der voll im Lagerbereich 8 liegt, kann wiederum formschlüssig auf den Schaft 3 nur aufgesteckt oder fest im Verbindungsbereich 4c zusätzlich verkittet sein. In der rechten Hälfte der Figur weist der Verstärkungszapfen 4 im Bereich von Bund 4b einen Haltebund 4d auf. Dieser gestattet, daß der Verstärkungszapfen 4 zum Beispiel über den Deckel des Armaturengehäuses axial la­ gegesichert ist, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn der Verstärkungszapfen 4 an dem Schaft 3 nicht fest verkittet angeordnet ist. Gleiches kann man zum Beispiel über eine Schul­ ter am Verstärkungszapfen 4, über einen Sicherungsring, der im Bereich von Bund 4b angeordnet ist, oder dergleichen erreichen. Der Lagerbereich 8 kann nur im Bereich des Verstärkungszapfens 4 vorgesehen werden, er kann sich aber auch, wie in der linken Hälfte der Figur zu sehen ist, bis in den Schaft 3 aus Keramik erstrecken. Der Stopfbuchsbereich 9 liegt im Bereich von Schaft 3. Wie strichliert dargestellt, kann auch zusätzlich ein Ver­ stärkungsstift 11 im Keramikteil bzw. im Schaft 3 angeordnet sein. Dieser Verstärkungsstift 11 kann auch zweckmäßig bis in den angrenzenden Kugelbereich hineinreichen.

Die Kugel 1 kann sowohl bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 als auch nach Fig. 2 an der Seite der Schaltwelle 2 und/oder an der Seite des unteren Lagerzapfens 6, der zum Beispiel im unteren Lagerbereich 12 des Armaturengehäuses gelagert ist, auch abgeflacht ausgeführt werden. Ebenso kann die Kugel 1 ohne un­ teren Lagerzapfen 6 oder mit einer in die Kugel 1 hineinragenden Lagerbohrung anstelle eines Lagerzapfens 6 versehen werden. Der untere Lagerzapfen 6 kann auch mit einem metallischen Verstärk­ ungsteil versehen sein. Dieses kann auch bis in den angrenzen­ den Bereich der Kugel 1 hineinreichen.

Für die Erfindung ist es unwesentlich, ob die Kugel 1 zwischen ihrer peripheren Oberfläche und dem Durchgang 5, insbesondere bei größeren Abmessungen mit einem zum Beispiel umlaufenden Hohlraum oder mehreren Hohlräumen zur Reduzierung von Material­ anhäufungen versehen ist oder ohne derartiger Formgebung ge­ staltet bzw. hergestellt ist. Formgebungen dieser Art könnten zum Beispiel über ein Wachsausschmelzverfahren erzielt werden.

Für die Ausführung des Absperrelementes nach den beiden Aus­ führungsbeispielen bzw. nach der Erfindung ist es wesentlich, daß für das Absperrelement im eingebauten Zustand innerhalb der Armatur der Lagerbereich 8 am metallischen Verstärkungszapfen 4 angeordnet ist, wobei es unwesentlich ist wenn der Lagerbereich 8 sich auch noch etwas in den Bereich von Schaft 3 hinein er­ streckt, und der Stopfbuchsbereich 9 am Schaft 3 angeordnet ist. Der Stopfbuchsbereich (9) kann aber auch am an den Schaft 3 an­ grenzenden Kugelbereich 1a angeordnet sein oder dort zusätzlich zu der am Schaft 3 vorgesehenen Abdichtung angeordnet werden. Hierbei ist es für die Erfindung ohne Bedeutung ob zur Abdich­ tung an den abzudichtenden Stellen eine Dichtungspackung bzw. ein Dichtungssatz oder eine Einzeldichtung angeordnet ist.

Claims (18)

1. Absperrelement aus Keramik für Kugelhähne, das mit einem metallischen Teil in Verbund steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (1) mit einem Schaft (3) einstückig aus Keramik ausgeführt ist, der Schaft (3) aus Keramik sich mit einem metallischen Verstärkungszapfen (4) zur Schaltwelle (2) ergänzt, wobei der Lagerbereich (8) für die Lagerung der Schaltwelle (2) des Absperrelementes insbesondere am Bund (4b) des Verstärkungszapfens (4) und der Stopfbuchsbereich (9) für die Abdichtung zur Atmosphäre hin am Schaft (3) und/oder am an dem Schaft (3) angrenzenden Kugelbereich (1a) angeordnet sind.

2. Absperrelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungszapfen (4) einen Betätigungsbereich (4a), einen Bund (4b) sowie einen Verbindungsbereich (4c) mit dem außen zum Schaft (3) oder zum Hohlraum (3a) passenden Querschnittsprofil aufweist.

3. Absperrelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schaft (3) einen Hohlraum (3a) aufweist, der bis in die Kugel (1) hineinreichen kann.

4. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikteil am Schaft (3) entweder außen am Schaft (3) oder im Hohlraum (3a) zumindest in einem Teilbereich ein Querschnittsprofil zum Beispiel als Vierkant oder als Sternprofil korrespon­ dierend zum Verbindungsbereich (4e) des Verstärkungszapfens (4) zur Übertragung eines Drehmomentes aufweist.

5. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungszapfen (4) über den Verbindungsbereich (4c) mit dem Schaft (3) und Kugel (1) entweder im Hohlraum (3a) oder außen am Schaft (3) zumindest in einem Teilbereich formschlüssig verbunden ist.

6. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungs­ zapfen (4) über den Verbindungsbereich (4c) mit dem Schaft (3) und Kugel (1) entweder im Hohlraum (3a) oder außen am Schaft (3) zumindest in einem Teilbereich formschlüssig verbunden und fest verkittet ist.

7. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärkungs­ stift (11) im Schaft (3) bzw. im Keramikteil angeordnet ist, der auch bis in die Kugel (1) hineinreichen kann.

8. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (1) einen Durchgang (5) mit Ein- und Ausgang (5a) aufweist.

9. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (5) mit Ein- und Ausgang (5a) an keine bestimmte Querschnittsform gebunden ist.

10. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (1) durch­ gangsmäßig mit einem Drei- oder Mehrwegedurchgang versehen ist.

11. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (1) durch­ gangsmäßig C-Form aufweist.

12. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (1) mit einem Sackloch versehen ist, so daß der Eingang gleich Ausgang ist.

13. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerbereich (8) sich auch noch etwas in den Bereich von Schaft (3) hinein erstrecken kann.

14. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungs­ zapfen (4) im Bereich von Bund (4b) einen Haltebund (4d) aufweist.

15. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (1) einen unteren Lagerzapfen (6) aufweist oder anstelle des unteren Lagerzapfens (6) die Kugel (1) eine in die Kugel (1) hineinragende Lagerbohrung aufweist.

16. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Lager­ zapfen (6) mit einem metallischen Verstärkungsteil ver­ sehen sein kann. Dieses kann auch in den angrenzenden Bereich der Kugel (1) hineinragen.

17. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (1) zwischen ihrer peripheren Oberfläche und Durchgang (5) mit einem zum Beispiel umlaufenden Hohlraum oder mehreren Hohlräumen gestaltet ist.

18. Absperrelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß für das Absperr­ element im eingebauten Zustand innerhalb einer Armatur oder einer Baugruppe der Lagerbereich (8) am Bund (4b) des metallischen Verstärkungszapfens (4) von der Schalt­ welle (2) angeordnet ist und der Stopfbuchsbereich (9) für die Abdichtung zur Atmosphäre hin am Schaft (3) und/oder am an dem Schaft (3) angrenzenden Kugelbereich (1a) angeordnet ist.