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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kugelventile und spezieller
auf Kugelventilsitze und Dichtungsdesigns, welche Materialien und
Anordnungen verwenden, welche die Temperatur- und Druckleistung
des Kugelventils erhöhen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Kugelventile
sind den Fachleuten gut bekannt. Ein Design, das einen beträchtlichen
kommerziellen Erfolg erfahren hat, ist das Kugelventil Serie 60,
das von der Swagelok Company hergestellt und verkauft wird und es
wird in den Vereinigten Staaten-Patentnummern
4,410,165 (im Folgenden als das "'165-Patent" bezeichnet) und
4,602,762 beschrieben, deren gesamte Offenlegungen hierbei durch
Zitat vollkommen eingeschlossen sind. Dieses Kugelventil-Design
ist durch eine Anzahl von Eigenschaften gekennzeichnet, welche die
Dichtleistung und Lebensdauer des Ventils verbessern. Das Ventil enthält ein Paar
von Sitzvorrichtungen, jede jeweils auf der gegenüberliegenden
Seite des Kugelelements. Jede Sitzvorrichtung enthält einen
flexiblen Sitzring, einen Stützring
und eine Tellerfeder. Die Tellerfeder zwingt den Sitzring in einen
dichtenden Eingriff mit einer äußeren Fläche der
Kugel und der Stützring
reduziert eine Versetzung axial nach Innen und eine Deformierung
des Sitzrings, wenn das Ventil unter Druck steht. Ein bedeutendes
Kennzeichen des Kugelventils besteht dann, dass die Kugel und die Sitze "schwimmend" sind insofern, dass
die Kugel sich axial unter Druck verschieben kann. Das schwimmende
Kugeldesign vermeidet die Notwendigkeit einer Montage nach Drehzapfenart
oder andere teure Alternativen.
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Ein
solches Ventil ist entsprechend dem Dokument
US 4258900 bekannt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit einer Ausführung der
Erfindung enthält
ein Kugelventil einen Körper
mit einem sich dort hindurch erstreckenden Durchgang und ein Kugelelement,
angeordnet in dem Durchgang und eingerichtet zum selektiven Drehen
zwischen der Ventil-Offenposition und der Ventil-Geschlossenposition,
um den Fluid-Strom durch das Ventil zu steuern. Der Ventilkörper enthält ein Paar von
ringförmigen
Flanschnuten auf einander gegenüberliegenden
Seiten der Kugel, wobei sich jede Flanschnut radial von dem Durchgang
aus erstreckt. Ein Paar Sitzringe sind in dem Durchgang auf einander gegenüberliegenden
Seiten der Kugel angeordnet. Jeder Sitzring besitzt eine erste Dichtfläche, welche in
Kontakt mit einer äußeren Fläche der
Kugel steht, einen radial sich erstreckenden ringförmigen Flansch oder
Vorsprung, welcher in der jeweils entsprechenden Flanschnute aufgenommen
wird und ein Paar von ringförmigen
Flanschdichtungen, von denen jede in einer jeweiligen Flanschnut
angeordnet ist, um eine jeweilige Körperdichtung zu bilden. Jeder
Sitzring ist federvorgespannt in der axialen Richtung durch eine
jeweilige Tellerfeder, um die erste Dichtfläche gegen die Kugel vorzuspannen.
In Übereinstimmung
mit einem Gesichtspunkt der Erfindung werden die peripheren Flansche
des Sitzes fest am Platz gehalten, so dass die erste Dichtfläche eine
Bewegung des freitragenden Typs zeigt, wenn sich das Ventil unter
Druck befindet. Dies verhindert einen übermäßigen axialen Versatz des Sitzes
unter Druck und ermöglicht
es der angeregten Last, die auf die Sitze angewandt wird, auch die
erste Dichtfläche
gegen die Kugel effektiv neu zu setzen, wenn der Druck zu einem
niedrigeren Wert zurückkehrt.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung ist jeder Sitzring mit dem sich radial ausdehnenden Flansch
oder Vorsprung versehen, der axial in einer Flanschnut zusammengedrückt wird.
Der Sitzflansch ist so ausgelegt, Flüssigkeitsdruck aus zwei unterschiedlichen
Richtungen zu widerstehen speziell, wenn sich das Ventil unter Druck
befindet und Hochtemperaturzyklen ausgesetzt wird. Bei einer ersten Ausführung ist
jeder Sitzflansch mit der elastischen Tellerfeder und durch eine
angeregte elastische Dichtung mit federartigen Eigenschaften, die
in der Flanschnut angeordnet ist axial vorgespannt. Der angeregte
Flanschsitz wird verwendet, um eine Körperdichtung zu liefern und
um die Körperdichtung
auch nach einem Temperaturzyklus aufrecht zu erhalten. Die elastische
Flanschdichtung kann ziemlich steif, wie eine flexible Graphitdichtung
sein oder eine weniger steife Dichtung wie eine Elastomerdichtung
sein. Die elastische Flanschdichtung wird primär als eine Körperdichtung
verwendet. Bei einer alternativen Ausführung kann die Tellerfeder
weggelassen werden, wobei die angeregte Flanschdichtung verwendet
wird, um eine ausreichende aktive Last auf den Sitzflansch auszuüben.
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In Übereinstimmung
mit einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Kugelventilsitzring aus
PEEK geliefert oder ein anderes, im Vergleich zu PTFE relativ härteres und
steiferes Kunststoffmaterial, um die Temperatur- und Druckleistung
des Ventil zu erhöhen.
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Diese
und andere Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden jedem Fachmann aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungen
mit Hinsicht auf die beiliegenden Zeichnungen ersichtlich sein.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung kann eine physikalische Gestalt annehmen in bestimmten
Teilen und Anordnungen von Teilen, bevorzugten Ausführungen
und einem Verfahren, das im Detail in dieser Spezifikation beschrieben
und durch die beiliegenden Zeichnungen, welche ein Teil davon sind
dargestellt wird, und wobei:
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1 ein
Kugelventil in Übereinstimmung mit
einer Ausführung
der Erfindung ist, gezeigt als Aufriss und Teilquerschnitt;
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2 eine
detailliertere Ansicht eines Kugelelements und von Sitzvorrichtungen
der Ausführung von 1 in
einem zusammengebauten Zustand ist;
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3 eine
Schnitt-Teilansicht ist, die bei dem Ventil der 1–3 verwendet
wird, die den Kontakt zwischen dem Sitzring und dem Kugelelement
zeigt;
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4 eine
vergrößerte Ansicht
der Sitzring- und Flanschdichtungsanordnung in einem nicht völlig zusammengebauten
Zustand zeigt;
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5 eine
vergrößerte Ansicht
der Sitzring- und Flanschdichtungsanordnung in einem völlig zusammengebauten
Zustand zeigt; und
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6 eine
vergrößerte Explosionsansicht des
in 5 eingekreisten Bereichs ist.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungen
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Mit
Bezug auf die 1–4 wird eine
Kugelventil-Anordnung allgemein mit dem Referenzzahlzeichen 10 bezeichnet.
Die Ventilanordnung 10 bei dieser exemplarischen Ausführung besteht
in einem schwimmenden Kugeldesign, bei dem die Kugel zwischen zwei
flexiblen Sitzringen gefasst ist, wie zum Beispiel das Kugelventildesign,
das in dem '165-Design
dargestellt und beschrieben ist. Die meisten Elemente der Kugelventil-Anordnung 10 sind
konventionell und können
zum Beispiel die Gleichen sein, wie sie bei dem '165-Patent beschrieben wurden und dessen
Details müssen
hier nicht wiederholt werden. Die vorliegende Erfindung zielt auf
Verbesserungen hinsichtlich des Designs von speziellen Elementen,
wie dem Sitzring und verknüpften
Dichtungen, und diese Veränderungen
werden hier im Detail beschrieben. Fachleute werden jedoch bemerken,
dass die hier beschriebenen Verbesserungen eine Anwendung auf andere
Kugelventil-Designs
besitzen und nicht auf eine Verwendung mit einem Kugelventil begrenzt
sind, wie es in dem '165-Patent
beschrieben wurde.
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Mit
Bezug auf 1 enthält dann die Kugelventilanordnung 10 einen
Kugelventilkörper
A mit einem Kugelventilelement B, das in einem zentralen Durchgang 12 in
dem Ventilkörper
A angeordnet ist. Das Kugelelement B ist zum selektiven Drehen zwischen
einer Ventil-Offenposition, wie in den verschiedenen Ansichten dargestellt,
und einer Ventil-Geschlossenposition
(nicht gezeigt) eingerichtet. Ein Paar von Sitzvorrichtungen C und
D sind denn dem zentralen Durchgang 12 auf einander gegenüberliegenden
Seiten des Kugelelements B vorgesehen. Das Kugelelement B und die
Sitzvorrichtungen C und D sind in dem Kugelventilkörper A durch
ein Paar von gegenüberliegenden
Endanschlussstücken
E und F eingeschlossen. Die Endanschlussstücke E und F werden auf den
Ventilkörper
A durch irgendeine passende Vorrichtung, bei diesem Beispiel eine
Anzahl von Montagebolzen G montiert.
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Ein
Schaftaufbau 1 und ein Betätigungsgriffaufbau H werden
verwendet, um das Ventil 10 zu bedienen. Der Schaftaufbau 1 ist
mit dem Griffaufbau H verbunden und hilft auch, das Kugelelement
B in dem Ventilkörper
A, dessen Details in dem '165-Patent vollständig beschrieben
sind zu unterstützen.
Wie in dem '165-Patent
erläutert,
wird das Kugelelement B in dem Durchgang 12 so unterstützt, dass
das Kugelelement B sich axial (mit Bezug auf die Längsachse des
Fluidflusses durch die Kugel) in dem Durchgang 12 verschieben
kann, wenn das Ventil 10 unter Druck steht wie zum Beispiel,
wenn das Ventil geschlossen wird. Das Ventil 10 kann manuell
mit dem Griff H betätigt
werden oder das Ventil 10 kann alternativ, wie man weiß, darauf
montiert ein Stellglied besitzen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anzahl von Modifikationen
bei den Sitzvorrichtungen C und D im Vergleich zu den entsprechenden Strukturen
in dem '165-Patent. 2 stellt
das Kugelelement B und die Sitzvorrichtungen C und D aus 1 in
einer vergrößerten Ansicht
dar. In 2 wurde der Schaftaufbau 1 zur
Klarheit und Vereinfachung der Darstellung der Sitzvorrichtungen
C und D weggelassen. Der zentrale Durchgang 12 ist allgemein
zylindrisch und nur gerade etwas größer im Durchmesser als das
Kugelelement B. Das Kugelelement B enthält eine Fluidflussöffnung 14,
die in der Ventil-Offenposition, wie in 2 dargestellt,
mit dem Fluideinlass- und Auslassöffnungen in den Endanschlussstücken E und
F ausgerichtet ist.
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Die
Sitzvorrichtungen C und D sind im Wesentlichen identisch und werden
deshalb einmal beschrieben. Jede Sitzvorrichtung enthält drei
grundlegende Komponenten nämlich
einen Sitzring 16, eine Flanschdichtung 18 und
Element 20, das eine elastischen Kraft erzeugt, zum Beispiel
eine Tellerfeder 20. Jedes geeignete Element kann verwendet
werden, um die angeregte Last gegen den Sitzring 16 anzuwenden.
Ein Unterstützungs- oder Verstärkungsring 22 kann
auch verwendet werden. Die Tellerfeder 20 und der Unterstützungsring 22 sind
im Wesentlichen die Gleichen hinsichtlich Struktur und Funktion,
wie sie in dem '165-Patent
beschrieben wurden und diese Beschreibung wird hier nicht wiederholt.
Bei einigen Anwendungen kann eine stärkere Tellerfeder verwendet
werden, um sicherzustellen, dass der Sitzring 16 dichtend
mit dem Kugelelement B nach einem Temperatur- und/oder Druckzyklus
in Eingriff steht. Bezüglich
der vorliegenden Erfindung genügt es
zu verstehen, dass die Tellerfeder 20 agiert, indem sie
eine Dichtfläche 24 (siehe 3)
des verknüpften Sitzrings 16 gegen
die äußere Fläche 26 des
Kugelelements B vorspannt oder zwingt. Wie im Folgenden ferner erklärt wird,
wendet bei der dargestellten Ausführung die Tellerfeder 20 auch
eine angeregte axiale Last gegen den Sitzflansch 30 an.
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4 und 5 stellen
ferner eine vergrößerte Ansicht
der Sitzvorrichtungsanordnung C in Übereinstimmung mit dieser ersten
Ausführung
der Erfindung dar. 5 stellt die Komponenten in
einem vollständig
zusammengebauten Zustand dar und 4 stellt
die Komponenten mit einem fast völligständig zusammengebauten
Ventil dar, aber ohne einer vollständigen axialen Kompression
der Sitzvorrichtung C. Das Endanschlussstück F sieht eine innere Schulte 28 vor,
welche der Tellerfeder 20 gegenübersteht, einen ringförmigen Flansch 30 des
Sitzring 16 und die Flanschdichtung 18. Das Endanschlussstück F fasst
und komprimiert somit axial die Sitzvorrichtung C in dem zentralen
Durchgang 12 und befindet sich in dichtendem Eingriff mit
dem Kugelelement B.
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Der
Sitzring 16 ist ein allgemein tellerförmiges oder ringähnliches
Element mit einer radialen nach innen weisenden ringförmigen Dichtfläche 24, die
sich in Kontakt mit der äußeren Fläche 26 des
Kugelelements befindet. Der Sitzring 16 enthält ferner einen
radial und axial sich ausdehnenden, ringförmigen, außen umlaufenden Flansch oder
Vorsprung 30. Der Flansch 30 wird genau in einer
Absenkung 34 aufgenommen, die in dem Ventilkörper A ausgebildet ist.
Die Absenkung 34 bildet eine Schulter 36, welche eine
erste axiale Fläche 38 des
radialen Flanschs 30 trägt.
Ein sich axial erstreckender Abschnitt 32 des Flanschs 30 steht
ohne axiale Kompression des Flansch 30 der Endanschlussstückschulter 28 gegenüber und
stößt an sie
an. Mit anderen Worten wird im völlig
zusammengebauten Zustand beabsichtigt, dass es einen Spalt von etwa
0,0–0,4
Inch zwischen der Fläche
der Verlängerung 32 und
der Anschlussstückschulter 28 gibt,
so dass keine nennenswerte axiale Kompression direkt durch die Schulter 28 auf den
Flansch 30 angewandt wird und doch wird der Flansch 30 gegen
eine axiale Versetzung gehalten und eingespannt wird, wie hier beschrieben
werden wird.
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Der
Flansch 30 ist auch mit einer umlaufenden durchgehenden
Kerbe oder Rille 40 (6) ausgebildet.
Die Flanschdichtung 18 ist mit einer Flanschrille 40 versehen.
Wie am Besten in 4 dargestellt, ist die elastischen
Dichtung 18 typischerweise überdimensioniert, um sich axial über die
Flanschverlängerung 32 hinaus
zu erstrecken. Die Tellerfeder 20 erstreckt sich teilweise
axial über
die Verlängerung 32,
so dass die Tellerfeder 20 und die elastische Dichtung 18 während des
Zusammenbaus axial komprimiert werden, ohne dass eine axiale Kompression
direkt auf den Flansch 30 durch die Anschlussstückschulter 28 ausgeübt wird.
Auf diese Weise wird die gesamte axiale Komp rimierungslast, die
auf dem Flansch 30 aufgebracht wird eine elastische dynamische
Last, die durch die Tellerfeder 20 und die elastischen
Dichtung 18 aufgebracht wird, wobei im Wesentlichen keine
statische Last auf den Flansch 30 aufgebracht wird.
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Wenn
das Ventil 10, wie in den 1–3 dargestellt,
vollständig
zusammengebaut ist, besteht jeder Flansch 30 aus einer
Flanschrille, definiert durch die Flächen 28, 34 und 36 des
zusammengebauten Ventils (siehe 5). Der
Flansch 30 ist axial zwischen der Anschlussstückschulter 28 und
der Absenkungsschulter 36 gefasst, wobei eine elastische Last
durch die Tellerfeder 20 und die elastische Dichtung 18 darauf
aufgebracht wird. Die Flanschdichtung 18 wird zwischen
der Endanschlussstückschulter 28 und
einer zweiten axialen Fläche 42 des Flanschs 30 axial
komprimiert. Da die Sitzringe 16 vorzugsweise aus einem
steiferen und härteren Kunststoffmaterial
wie PEEK sind, besteht die Flanschdichtung 18 vorzugsweise
aus einem elastischen Material, welches eine angeregte Dichtung
zwischen dem Flansch 30 und dem Ventilkörper A und den Endanschlussstücken E und
F erzeugt.
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Die
Flanschdichtung 18 kann aus jeglichem geeigneten elastischen
angeregten Material sein und besteht vorzugsweise aus einem Elastomermaterial oder
einem steiferen Dichtungsmaterial mit federartigen Eigenschaften
wie flexibler Grafit (z.B. GrafoilTM). Andere
geeignete Materialien schließen
O-Ringe aus Metall, C-Dichtungen und so weiter ein, sind aber nicht
beschränkt
darauf. Bei der Ausführung
der 1–3 besteht
die Dichtung 18 aus einer GrafoilTM-Typ-Dichtung.
Somit werden, wie hier verwendet, die Ausdrücke "angeregt" und "elastisch" untereinander austauschbar verwendet,
um das Konzept zu übermitteln,
dass die Dichtung 18 eine angeregte Körperdichtung und eine angeregte
axiale Last gegen den Flansch 30 liefert. Die Dichtung 18 muss
nur flexibel oder elastisch genug sein, um eine elastische angeregte
Dichtung zu liefern, die einer Temperaturzyklisierung des Ventil 10 widersteht.
Somit ist ein hinreichend steifes Material wie flexibler Grafit
zu Beispiel für
die Dichtung 18 geeignet.
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Mit
Bezug auf 4 wurde im Gegensatz zur Geometrie
und Anordnung entsprechend dem Stand der Technik, wie zum Beispiel
bei dem '165-Patent, der
Sitzring 16 in seiner axialen Abmessung allgemein zwischen
seinem äußeren Durchmesser
und seinem inneren Durchmesser durch Entfernung von Material verdünnt. Bei
der Ausführung
der 1–4 enthält der Sitz 16 eine
Kerbe 100. Diese Kerbe 100 ist umlaufend durchgän gig, auch
wenn sie es nicht sein müsste.
Ein bedeutender Gesichtspunkt von dieser Art der Erfindung besteht
darin, dass der Sitz 16 so angeordnet ist, dass seine Flexibilität in der
axialen Richtung erhöht
wird. Mit anderen Worten wird durch Verdünnung oder Formgebung des zentralen
Körpers
des Sitzes 16 der innere Teil des Sitz 16, der
die Dichtfläche 24 bildet
zu einem dichtenden Kontakt mit der äußeren Fläche 26 des Kugelelements
B durch die Tellerfeder 20 gezwungen. Wenn das Ventil 10 sich
unter einem niederen Druck befindet, ist dieser dichtende Kontakt vorzugsweise
aber nicht notwendigerweise eine nahe Linienkontaktdichtung mit
der Kugelfläche 26.
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Die
neue Sitzringanordnung ist speziell zur Herstellung des Sitzrings 16 aus
einem relativ härteren
und steiferen thermoplastischen Material wie Polyetheretherketon
(PEEK) geeignet, im Vergleich zu dem Sitzringdesign des '165-Patents, das
aus einem relativ weicheren Kunststoffmaterial wie PTFE (TeflonTM) besteht. Andere Materialien außer PEEK
können
verwendet werden, einschließlich
Polyamidimid (z.B. TorlonTM), Polyimid (z.B.
VespelTM), Polyvinylidenfluorid (z.B. KynarTM) und Polychlortrifluorethylen (z.B. KelFTM) und verstärktes PTFE (zum Beispiel mit Glas
oder Kohlefaser gefülltes
PTFE) sind aber nicht begrenzt darauf. Allgemein ist es bevorzugt,
dass das Sitzringmaterial eine Youngmodul-Eigenschaft oder Steifigkeitseigenschaft
besitzt, welche höher
ist, als die eines weicheren Materials wie PTFE. Mehr bevorzugt
ist es, dass das Sitzmaterial einen Youngmodul besitzt, der etwa
10 Mal höher
ist als der Youngmodul eines weicheren Materials wie PTFE. Noch
mehr bevorzugt ist es, dass das Sitzmaterial einen Youngmodul von
400.000 bis 600.000 psi besitzt. Die Verwendung von PEEK zum Beispiel
erhöht
die Hochtemperaturleistung für
das Kugelventil 10 im Vergleich zu der Verwendung eines
Materials wie PTFE. PEEK ist jedoch ein im Wesentlichen härteres und
steiferes Material im Vergleich zu PTFE und deshalb wird der angeregte
Flanschsitz 18 geliefert, um sicher zu gehen, dass eine
ausreichende Körperdichtung
nach einer Temperaturzyklisierung beibehalten wird.
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Der
gefasste und axial komprimierte Flansch 30 unterbindet
und verhindert im Wesentlichen eine freie axiale Gleitbewegung des
Sitzrings 16 als Antwort auf einen Druck über die
Ventilanschlüsse.
Ferner steht die Sitzring-Dichtfläche 24 in Eingriff
mit der Kugelfläche 26 unter
der Kraft der Tellerfeder 20. Die Tellerfeder 20 überträgt eine
maximale axiale Kraft auf den Sitzring 16 von der radial
innersten Kante 70 der Sitzring-Dichtfläche 24. Die Kraft
der Feder 20, die auf den Sitz 16 ausgeübt wird,
um die Kugeldichtung zu liefern, nimmt radial nach außen ab.
Der Kugeldurchmesser, der Sitzring und die Feder sind von geeignete
Größe, so dass
der Sitzring 16, wenn das Ventil zusammengebaut wird gebogen
wird, um eine hervorragend dichtende Kontaktdichtung zwischen dem
Sitz 16 und der Kugel B zu erzeugen.
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Der
eingespannte Flansch 30 der vorliegenden Erfindung liefert
ein starres Angelgebiet oder einen Drehpunkt, um den die Biegung
des Sitzrings 16 geschehen kann, während die axiale Versetzung
des Sitzrings 16 unter Druck begrenzt wird. Der radiale
innere Abschnitt des Sitz 16, der die Dichtfläche 24 bildet
ist von dem Drehpunkt aus auf eine Weise eines freitragenden Typs
flexibel. Diese Flexibilität
wird durch die Entfernung des Sitzmaterials aus der Kerbe 100 verbessert.
Somit kann die Tellerfeder eine Kraft gegen den Sitzring effektiver
ausüben,
um einen guten Dichtkontakt zwischen der Sitzring-Dichtfläche 24 und
der Kugelfläche 26 sicherzustellen.
Dies ist speziell vorteilhaft, wenn ein härteres und steiferes Kunststoffmaterial
wie PEEK für
den Sitzring verwendet wird.
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Wenn
der Sitzflansch 30 starr gefasst ist, wird die Sitzanordnung
D von einer axial Versetzung (auch wenn es etwas axiale Verbiegung
gibt) abgehalten, wenn sich das Ventil 10 unter Druck befindet. Diese
unterbundene axiale Bewegung reduziert oder eliminiert eine Anwendung
von übermäßigen Belastungen
und Spannungen auf den Stromab-Sitz 16. Durch eine Reduzierung
der Spannung bezüglich des
Sitzes 16 wird der Sitz 16 nicht plastisch verformt,
speziell bei erhöhter
Temperatur. Dies stellt sicher, dass, wenn der Druck oder die Temperatur
auf Normalbedingungen zurückkehren,
die Tellerfeder 20 in der Lage sein wird, den Sitz 16 in
einen hervorragenden Dichtzustand mit der Kugel B zu zwingen. Somit
verbessern die Sitzvorrichtungen C und D zusammen mit der Verwendung
eines härteren
Materials (PEEK bei dieser Ausführung)
die Leistung des Ventil unter wiederholter Temperatur- und Druckzyklisierung
beträchtlich.
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Der
freitragende Effekt des eingespannten Flanschs 30 zusammen
mit der flexiblen Geometrie des Sitzes 16 liefern zusätzliche
Leistungsverbesserungen. Die Steifigkeit des freitragenden Designs
erhöht
die Kraft des Sitzrings 16 auf die Kugel B, um einen Kontaktdruck
zwischen der Dichtfläche 24 und der
Kugelfläche 26 zu
erzeugen, welcher größer ist als
die Kraft, welche durch die Tellerfedern 20 alleine erzeugt
wird. Zusätzlich
steuert die freitragende Anordnung die Orientierung der sphärischen
Dichtfläche 24 auf
dem Sitz 16. Die freitragende Funktion gestattet es dem
Sitz 16 sich unter hohem Druck und/oder hoher Temperatur
zu biegen, um einen vollen Flächenkontakt
zwischen der Kugel B und dem Stromab-Sitz zu ergeben. Diese verteilt
die Last auf den Stromab-Sitz und reduziert die Verformung. Wenn
der Druck entfernt wird, schwenkt der Stromab-Sitz 16 zurück (auf
freitragende Weise) zu seiner originalen Form unter der Kraft der
Feder 20 und richtet wieder seinen originalen Dichtkontakt
mit dem Kugel B ein. Dies erhöht
die Möglichkeit
für den
Sitz 16 gegen die Kugel B bei niedrigem Druck nach einer Temperaturzyklisierung
abzudichten. Da die freitragende Wirkung zwischen dem Körper und
dem Flansch an einem eingespannten Drehpunkt fixiert ist, biegt
sich zusätzlich
der Stromauf-Sitz 16 anstatt stromab zu gleiten als Antwort
auf einen Stromauf-Druck. Somit wird etwas von der Last des Stromauf-Sitzes,
welche durch einen Druck auf die Hinterseite des Stromauf-Sitzes
erzeugt wird auf den Ventilkörper
statt auf die Kugel B verteilt. Dies resultiert dann, dass weniger
Last von der Kugel auf den Stromab-Sitz übertragen wird. Der eingespannte Flansch 30 reduziert
den effektiven Durchmesser des Stromauf-Sitzes unter Druck und reduziert somit
die durch die Kugel auf den Stromab-Sitz übertragene Kraft. Die Stützringe 22 nehmen
auch etwas von der Last von dem unter Druck stehenden Stromauf-Sitz durch
eine Reduzierung des effektiven Durchmessers des Sitzes 16 auf,
wenn er unter Druck schwenkt und reduzieren ferner die Last, welche
ansonsten zu dem Stromab-Sitz über
die Kugel übertragen
würde.
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Der
Sitzringflansch 30 kapselt auch in Zusammenarbeit mit der
Endanschlussstückschulter 28 die
Flanschdichtung 18 ab. Bei dieser beispielhaften Ausführung ist
die Dichtung 18 von den Abschnitten des Sitzrings 16 isoliert,
die dazu neigen nachgiebig zu sein, sich zu biegen und während einer
Temperatur- und Druckzyklisierung sich zu bewegen. Mit anderen Worten
befindet sich der Sitz 16 stationär gegenüber der elastischen Dichtung 18,
auch wenn der Hauptteil des Sitzes 16 sich bewegt oder
nachgiebig ist auf Grund des freitragenden Designs. Durch Festhalten
der Flanschdichtung 18 in einer isolierten fixierten Position
entfernt von solchen Biegungsabschnitten kann die Flanschdichtung 18 nicht
in diese Lücken
auswandern und beschädigt
werden. Fachleute jedoch werden bemerken, dass der spezielle Ort
und die Passung der angeregten Dichtung 18 mit der Sitzdichtung 16 an
ein spezielles Kugelventildesign angepasst werden können.
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Mit
fortgesetztem Bezug auf die 4, 5 und 6 soll
für einen
Sitzrings 16 aus PEEK-Material
oder einem vergleichbar härteren
und steiferen Kunststoffmaterial im Vergleich zu PTFE zum Beispiel,
die Flanschdichtung 18 eine primäre und äußere Körperdichtung an zwei Flächen X und
Z ausbilden und soll die Effekte einer Hochtemperaturzyklisierung
bezüglich
des Sitzes 16 reduzieren. Die axiale Kompression der Flanschdichtung 18 zwischen
der Schulter 28 und der zweiten axialen Fläche 42 des
Flansches sichert eine gute Körperdichtung entlang
den radial verlaufenden Flächen
X und Z, um zu verhindern, dass Flüssigkeit unter Druck ausläuft. Die
elastische Dichtung 18 kann auch eine sekundäre oder
Stützdichtung
an der Fläche
Y ausbilden, speziell wenn die Dichtung 18 aus einem steiferen Material
wie flexiblem Grafit besteht.
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Fachleute
werden bemerken, dass die sekundäre
periphere Dichtung Y der vorliegenden Erfindung vorteilhaft sein
kann, wenn der Sitzring aus einem härteren und steiferen Material
wie PEEK besteht. Wenn zum Beispiel das Design des '165-Patents modifiziert
würde,
um PEEK als das Sitzringmaterial zu verwenden, würde der in dem '165-Patent mit 82 bezeichnete
O-Ring eine radial nach innen liegende Dichtung an der äußeren umlaufenden
Fläche des
Sitzrings liefern müssen.
Diese Sitzstelle wurde in dem '165-Patent nicht benötigt, weil
der Sitzring aus PTFE Bestand, das eine ausreichende Dichtung an
den Flanschen 140, 142 lieferte. Zu versuchen entlang
der äußeren umlaufenden
Fläche
des '165-Sitzrings
abzudichten ist jedoch schwierig, weil der Systemdruck dazu tendiert
den O-Ring radial von dem Sitzring wegzudrücken.
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Mit
speziellem Bezug auf 6 und in Übereinstimmung mit einem anderen
Gesichtspunkt der Erfindung enthält
der Sitzflansch 30 eine allgemein axial nach Innen liegende
Fläche 200,
die axial gegen die Senkung 36 gedrückt wird, wenn das Ventil 10 vollkommen
zusammengebaut ist. Die Innenfläche 200 bildet
eine innere Körperdichtung
mit der Oberfläche
BB der Senkung 34 der radialen Schulter 36. Diese
Dichtung ist hervorragend bei kryogenen Temperaturen und niederen
Drücken.
Wir haben jedoch gefunden, dass die Dichtleistung im Wesentlichen
erhöht
wird durch die Beinhaltung eines radialen Konuswinkels α an der Fläche 200.
Dieser Konus verursacht, dass eine Ecke 202 des Ventilkörpers A zu
Beginn axial in den Sitz 16 gepresst wird, wenn das Ventil
zusammengebaut wird. Da die Anschlussstücke E und F weiter gegen den
Ventilkörper
A angezogen werden, schwenkt der Flansch 30 etwas gegen
die Körperecke 202 und
stößt gegen
die Fläche BB
und wird gegen die Fläche
BB gedrückt.
Der Flansch 30 wird somit etwas um die Ecke 202 gebogen,
um eine verbesserte Spannungs- oder Druckdichtung zwischen der Ecke 202 und
dem Sitz 16 zu bilden. Dies erzeugt eine hervorragende primäre innere
Körperdichtung,
auch wenn das Ventil Temperatur- und Druckzyklen unterworfen wird.
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Fachleute
werden bemerken, dass die Dichtung mit der Ecke 202 die
benötigte
Dichtungsstärke entlang
der Fläche
Y durch den Flanschsitz 18 reduziert. Wenn die Flanschdichtung
hochelastisch ist wie ein Elastomer, könnte der Fluiddruck einer Flüssigkeit,
die an der Fläche
BB vorbei gelangt in einigen Fällen
die Dichtung 18 von der Fläche Y wegdrücken. Dieser Effekt wäre weniger
ausgeprägt,
wenn die Flanschdichtung aus einem steiferen Material, wie einem
flexiblen Grafitmaterial wäre.
Trotzdem ist es, auch wenn eine solche steifere angeregte Dichtung 18 verwendet
wird, bevorzugt, jedoch nicht für
alle Anwendungen notwendig, eine primäre Dichtung an der Ecke 202 auszubilden.
Diese Dichtung verbessert die Dichtungsleistung unter Druck beträchtlich.
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In Übereinstimmung
mit diesem Gesichtspunkt der Erfindung ist die Eckdichtung 202 auch eine
angeregte Dichtung auf Grund der angeregten Kraft, die auf den Flansch 30 durch
die Tellerfeder 20 und der elastischen Dichtung 18 aufgebracht
wird. Bei einigen Anwendungen, speziell mit einer steiferen elastischen
Dichtung 18 kann die Tellerfeder 20 weggelassen
werden (vorausgesetzt es gibt eine ausreichende Kompression des
Sitzes 16 gegen die Kugel B), wenn die Flanschdichtung 18 eine
ausreichend angeregte axiale Last des Flansches 30 gegen die
Ecke 202 aufbringt. Ferner muss die primäre innere
Körperdichtung
nicht notwendigerweise an der Ecke 202 erzeugt werden,
sondern kann auch irgendwo entlang der Fläche BB, welche die Absenkung 34 definiert
ausgebildet werden. Diese Dichtung kann bewirkt werden durch einfache
Anwendung von genügend
axialer Kompression des Flansches 30 gegen die Fläche der
Absenkung 34 entweder durch Verwendung der elastischen
Dichtung 18 oder der Tellerfeder 20 oder durch
Beides. Als eine weitere Alternative kann eine steifere Dichtung 18 wie
flexibler Grafit bei einigen Anwendungen verwendet werden, um effektiv
alle drei Flächen
X, Y und Z abzudichten und somit die Notwendigkeit zu beseitigen
die Dichtung der Ecke 202 oder eine primäre Dichtung
entlang der Fläche
BB der Absenkung 34 auszubilden. Diese alternativen Ausführungen
können
somit die Notwendigkeit für
die konische Fläche 200 des
Flansches 30 beseitigen.
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Somit
sind die neuen Sitzdichtanordnungen 16, 18 wirksam,
um gegen Fluiddruck aus zwei Richtungen abzudichten, nämlich einem
inneren Fluiddruck, der sich bis zur Ecke 202 erstreckt
und einem äußeren Fluiddruck
an der Schulter 28. Dies wird bei der dargestellten Ausführung durch
die innere Körperdichtung
an der Ecke 202 und die äußere Körperdichtung, hervorgerufen
durch die angeregte Dichtung 18 bewerkstelligt. Die angeregte
Flanschdichtung 18 liefert hervorragende Dichtungen an
den Flächen
X und Z auch bei einer Hochtemperaturzyklisierung des Ventils und
die Dichtung der Ecke 202 liefert eine hervorragende Dichtung
mit dem Ventil 10 unter Druck. Man bemerke, dass die angeregte
elastische Flanschdichtung 18 auch die Dichtungsleistung
unter Druck erhöhen
kann, weil ein Fluiddruck entlang der Fläche 28 dazu neigen
wird, die Flanschdichtung 18 radial gegen die Fläche Y als
eine sekundäre
Dichtung für
die Dichtung der Ecke 202 zu zwingen.
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Mit
Bezug auf 3 enthält der Sitzring 16 eine
nach innen blickende Dichtfläche 24,
welche die äußere Fläche 26 des
Kugelelements B kontaktiert. Die mit der Kugel in Eingriff stehende
Fläche 24 ist
im Allgemeinen sphärisch
in ihrer Form mit einem Kurvenradius in dem nicht zusammengebauten
Zustand, der größer ist
als der Radius der Krümmung
der äußeren Fläche 26 des
Kugelelements B. In dieser Hinsicht ist die Form der Fläche 24 ähnlich der
Fläche 136 der
Sitzringdichtung des '165-Patents.
Der Sitzring 16 ist ausgelegt eine federartige Elastizität zu zeigen,
um eine Dichtkraft gegen die Kugelfläche 26 auszuüben. Dies
wird dadurch bewerkstelligt, dass man sich die Sitzfläche 24 axial
nach außen
verwinden oder biegen lässt,
wenn der Sitzring axial zwischen der Kugelfläche 26 und der Tellerfeder 20 während des
Zusammenbaus komprimiert wird. Zu Beginn kontaktiert der Sitzring 16 die
Kugelfläche 26 entlang
des inneren Wulstes 70 der Dichtfläche 24. Der Wulst 70 wird
durch die innere axiale Kante einer zylindrischen Fläche 72 definiert,
welche einen Fluiddurchgang durch den Sitzring bildet. Dieser Fluiddurchgang
umgibt umlaufend die Durchflussöffnung 14 in
dem Kugelelement.
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Wie
in dem '165-Patent
bemerkt und speziell mit Hinsicht auf 4 davon
gibt es, wenn das Sitzmaterial aus einem weicheren Kunststoff wie
zum Beispiel PTFE besteht einen Anfangsspalt "g",
der während
des anfänglichen
Zusammenbaus des Ventil vorhanden ist. Dieser Spalt schließt sich,
wenn das Ventil vollständig
zusammengebaut ist, so dass es einen vollständigen Flächenkontakt zwischen der PTFE-Sitzfläche 136 und
der Kugelaußenfläche gibt. Es
gibt jedoch, wie in 3 der vorliegenden Offenlegung
gezeigt und in Übereinstimmung
mit einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung einen anfänglichen
Spalt G, wenn der Sitzring 16 aus einem härteren und
steiferen Ma terial wie zum Beispiel PEEK besteht, zwischen der Sitzdichtfläche 24 und der
Kugelfläche 26,
aber dieser Spalt G ist vorzugsweise noch vorhanden, auch nachdem
das Ventil vollständig
zusammengebaut ist. Das freitragende Design und die Flexibilität des Sitzes
mit dem härteren
Material zusammen mit einer steiferen Feder 20 stellen
sicher, dass nach einer Druck- und/oder Temperaturzyklisierung der
Sitz 16 im Wesentlichen dahin zurückkehren kann, dass er seinen
ursprünglichen
Dichtkontakt mit der Kugelfläche 26 besitzt.
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Fachleute
werden bemerken, dass das hier vorgestellte neue Sitzdichtungsdesign
auch mit Sitzen verwendet werden kann, die aus weicheren Materialien
wie PTFE bestehen, auch wenn die Vorteile des Flanschdesigns deutlicher
mit härteren
und steiferen Materialien wie PEEK sind.
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Die
Erfindung wurde mit Bezug auf die bevorzugte Ausführung beschrieben.
Modifikationen und Veränderungen
werden anderen Personen nach dem Lesen und dem Verstehen dieser
Beschreibung einfallen. Es ist beabsichtigt alle diese Modifikation und
Veränderungen
insofern einzuschließen,
soweit sie in den Rahmen der beigefügten Patentansprüche fallen.