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Der Gegenstand dieser Erfindung ist eine Absperrklappe oder
Drosselklappe oder ein Drosselventil oder Drosselklappenventil mit einem
Dichtungselement aus elastomerem Material mit einer inneren metallischen
Verstärkung.
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Um die Unterbrechung von Leitungen auf vielen Anwendungsgebieten,
insbesondere bei hydraulischen und pneumatischen Installationen zu
verwirklichen, wie in dem Falle einer Verteilung von hydraulischen
Medien, Heizwarme, Bewässerung, Druckluft usw., werden Ventile mit
besonderen geforderten Eigenschaften in weit verbreitetem Umfange
benutzt.
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Solche Ventile müssen unter anderem Eigenschaften der hohen
Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Fluid auch bei dem Vorhandensein von
hohem Druck aufweisen, sie müssen leicht und schnell betätigbar sein,
in der "offenen" Stellung einen begrenzten Druckverlust bieten und
weiterhin geringe Kosten verursachen.
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Für diesen Zweck sind die sogenannten "Kugelventile" weit verbreitet
im Gebrauch, welche Ventile jedoch, selbst wenn sie eine gute
Leistungsfähigkeit bieten, im Ergebnis sich als relativ teuer erweisen,
und zwar aufgrund der Anzahl der Teile, aus denen sie hergestellt sind,
und der Arbeiten zu ihrem Zusammenbau, und sie erfordern,
insbesondere, wenn sie von größeren Abmessungen sind, eine große Menge an
Kraft, wenn sie betätigt werden.
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Es sind ebenfalls sogenannte "Absperrklappen oder Drosselklappen oder
Drosselventile oder Drosselklappenventile" bekannt. Diese Klappen oder
Ventile weisen eine im wesentlichen scheibenförmige Verschlußklappe
auf, welche zwischen einer quer zu der Strömung gerichteten Position,
in welcher sie die Unterbrechung verwirklicht, und einer parallel zu der
Strömung gerichteten Position gedreht werden kann, in welcher der
Durchgang ermöglicht ist.
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Um die Dichtungen in diesen Ventilen oder Klappen zu verwirklichen,
können Kontaktmetall-Oberflächen vorgesehen werden, welche jedoch
eine vollständige Abdichtung nicht gewährleisten. Ventile, bei denen
eine Dichtung aus einem elastomeren Material vollständig an die äußere
Begrenzung oder den Umfang der Scheibe gesetzt ist und gegen die
innere Oberfläche des Ventilkörpers abdichtet, sind ebenfalls bekannt;
diese Ventile zeigen jedoch, nach einer gewissen Periode der Inaktivität,
Probleme hinsichtlich der Verschlußklappen-Blockierung, aufgrund der
Tatsache, daß die Dichtung in einem Sitz der Verschlußklappe, sich
ihrer Deformation in einer Richtung entgegensetzend, eingezwängt oder
eingespannt ist, während sie veranlaßt wird, ihre Dichtfunktion in einer
senkrechten Richtung auszuüben.
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Dieser Zustand der Belastung führt, bei einer Deformation, die
genügend stark ist, um die Dichtung zu verwirklichen, zu Werten, die nahe
bei der Grenze der elastischen Deforniierbarkeit des Materials liegen
oder die Grenze der elastischen Deformierbarkeit des Materials
überschreiten, und unter solchen Bedingungen treten permanente
Veränderungen selbigen Materiale auf, welche die Dichtung beeinträchtigen
können und eben die im vorangehenden erwähnten Phänomene der
Adhäsion zur Folge haben.
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Weiterhin führen solche Ventile dazu, daß sie kostspielig sind, da sie
sowohl für die Verwirklichung der Gehäuse-Sitzfläche für die Dichtung
an der Verschlußklappe als auch der Dichtfläche der Dichtung an dem
Ventilkörper mechanische Bearbeitung erfordern, und daß sie ferner
aufgrund des Raumes, der durch die Dichtung in Längsrichtung
eingenommen wird, große Strömungs-Druckverluste verursachen. Ventile von
dem Absperrklappen- oder Drosselklappen-Typ sind ebenfalls bekannt,
mit einem Dichtungselement, das aus einem Ring aus elastomerem
Material hergestellt ist, welcher in dem äußeren Körper untergebracht ist,
welcher jedoch Dichtungsprobleme zwischen seiner äußeren, glatten
Oberfläche und dem Ventilkörper aufweist, weil selbige Dichtung auf
einer sehr ausgedehnten Oberfläche und bei begrenzten radialen
Belastungen verwirklicht ist, Durchsickerungen von Fluid zwischen dem
Dichtungselement und dem Ventilkörper können darüber hinaus eine
nach einwärts gerichtete Verformung des Dichtungselementes ergeben,
welches wegen seiner elastischen Verformbarkeit, die zur
Gewährleistung einer korrekten Dichtung ausreichend ist, eine mangelnde
Steifigkeit aufweist, und infolgedessen erweisen sich diese Ventile lediglich
für die Anwendung bei begrenzten Druckwerten als geeignet; überdies
werden diese Ventile aufgrund der Eigenschaften des Dichtungsmaterials
nur für Wasser verwendet.
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Ein Ventil, wie es oben erwähnt ist, und das die Merkmale des ersten
Teils des Anspruchs 1 aufweist, ist in dem Dokument US-A 4 176 675
offenbart.
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Es ist daher erforderlich, ein Ventil vom Absperrklappen- oder
Drosselklappen-Typ vorzusehen, welches in der Herstellung nicht teuer ist und
welches gleichzeitig dazu befähigt ist, hohe Standard- oder
Soll-Leistungen entweder für Wasser oder für verschiedene Flüssigkeiten oder Gase,
selbst unter hohen Drücken, Langzeit-Beständigkeit und Fehlen von
Blockieren, auch auf Perioden der Inaktivität folgend, zu gewährleisten,
während es auch einen verringerten Strömungsdruckverlust bietet.
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Es ist ferner erforderlich, ein Ventil vorzusehen, das für einen
automatischen Zusammenbau durch einfache Ausrüstung geeignet ist, um die
Produktionskosten zu senken.
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Solche Ergebnisse werden durch diese Erfindung erreicht, welche sich
auf eine Absperrklappe (oder Drosselklappe) bezieht, welche aufweist:
einen im wesentlichen rohrförmigen äußeren Ventilkörper mit
Durchflußrohrverbindungen für Fluide an seinen äußeren Enden, eine
ringförmige Dichtung aus elastomerem Material, welche in dem Ventilkörper
untergebracht ist und eine scheibenförmige, im inneren bewegliche
Verschlußklappe umgibt, die mit einer diametraien Achs-Welle
ausgestattet ist, welche zu der Ventilkörperachse transversal ist, aus dem
gleichen Körper hervorspringt und die rotationsbetätigenden Organe
trägt, wobei die ringförmige Dichtung mit einem innenseitigen
Metallring ausgestattet ist, der sich im wesentlichen über die gesamte Länge
der Dichtung in Axialrichtung erstreckt, und wobei die ringförmige
Dichtung mit zwei in Radialrichtung gerichteten, äußeren Dichtungs-
Reliefs oder -Vorsprüngen eines Ausfüll- bzw. Ausgleichstücks (r)
ausgestattet ist, während in radialer Entsprechung zu diesen Dichtungs-
Reliefs oder -Vorsprüngen zugeordnete Sitze in dem Ventilkörper
vorhanden sind, wobei eine weite elastische Deformation des elastomeren
Materials der Dichtung in den Dichtungsbereichen, nicht in seitlicher
Richtung kontrastiert, ermöglicht ist, wobei ferner der innere Metallring
der ringförmigen Dichtung entsprechend dem Dichtungsbereich, welcher
sich in Berührung mit der Verschlußklappe befindet, einen mittleren
Bereich aufweist und wobei ein verhältnismäßig dickes Ausfüll- bzw.
Ausgleichsstück aus. elastomerem Material auf der Dichtung zwischen
dem Metallring und der Verschlußklappe vorgesehen ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der genannte mittlere Bereich des Metallringes der
ringförmigen Dichtung einen äußeren Durchmesser aufweist, der im
wesentlichen dem äußeren Durchmesser der Dichtung gleich ist, und daß
der genannte Metallring zwei Randbereiche aufweist, die beide in
radialer Zuordnung zu den äußeren Dichtungs-Reliefs der Dichtung sind,
welche Bereiche einen reduzierten Durchmesser aufweisen, welcher dazu
befähigt ist, zwischen der äußeren Oberfläche der Dichtung und der
Oberfläche des Metallringes eine Stärke des elastomeren Materials zu
lassen, welche mindestens gleich dem Ausfüll- bzw. Ausgleichsstück der
Dichtungs-Reliefs ist, welche von der Oberfläche der Dichtung aus
vorspringen.
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Die ringförmige Dichtung aus elastomerem Material weist mindestens
eine Bohrung auf, welche transversal zu der Achse des gleichen
Elementes und für einen Durchgang der Welle geeignet ist, die mit der
Verschlußklappe verankert ist wobei eine entsprechende Bohrung in dem
inneren Metallring vorhanden ist, welche einen größeren Durchmesser
als der Durchmesser der Bohrung in dem elastomeren Material aufweist,
derart, daß eine Stärke des elastomeren Materiale zwischen der inneren
Oberfläche der Bohrung sind dem metallischen Material des inneren
Metallringes gelassen wird, welche dazu befähigt ist, den Einbau der
Welle mittels einer elastischen Wandung zu erlauben, die ausreichend
ist, um die Abdichtung der Welle sicherzustellen, ohne die
Elastizitätsgrenze des elastomeren Materials zu überschreiten.
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Die Dichtungs-Kontaktbereiche zwischen der Verschlußklappe und der
ringförmigen Dichtung sind in Bezug auf die Schnittlinie der gleichen
Scheibe mit ihrer Meridianebene der Symmetrie seitlich angeordnet.
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Die Verschlußklappe weist eine diametrale Bohrung auf, in welche die
Welle der Verschlußklappe eingesetzt und mittels erzwungener
Zusammenpassung mit Hilfe eines mit Gewinde versehenen Profiles auf der
Oberfläche der Welle selbst verankert ist.
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Die äußeren Dichtungs-Reliefs der ringförmigen Dichtung weisen einen
halbkreisförmigen Querschnitt auf.
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Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung,
wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in
welchen zeigen:
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Fig. 1 einen Axialschnitt eines Ventils gemäß der Erfindung;
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Fig. 2 einen Axialschnitt eines Ventils gemäß der Erfindung in
einer bezüglich der Fig. 1 afternativen Ausführungsform;
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Fig. 3 in einer Explosionsdarstellung die Haupt-Bestandteile eines
Ventils gemäß der Erfindung, wobei diese Bestandteile
gemäß der richtigen automatischen Zusammenbau-Abfolge
ausgerichtet sind;
Fig. 4 einen Querschnitt eines Dichtungselementes des Ventils;
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Fig. 5 in einer vergrößerten Darstellung einen Teil des
Dichtungselements und der Ventil-Verschlußklappe, gemäß der
Ebene V-V gemäß Fig. 1.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt ein Ventil gemäß der Erfindung, welches
von der Art ist, die allgemein als "Drosselventil" bezeichnet ist, einen
äußeren Ventilkörper 1, der mit einen Anschluß an eine Leitung
bildenden Organen 2 und 3 ausgestattet ist, die beispielsweise, wie
veranschaulicht, von der mit Schraubgewinden versehenen Art sind oder für
andere bekannte Anschlußmöglichkeiten ausgestaltet sind, beispielsweise
als Flansche, Schweißverbindungen oder dergleichen.
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Innerhalb des Körpers 1 ist ein Dichtungselement 4 vorhanden, in
welches eine im wesentlichen scheibenförmige Verschlußklappe 5 eingesetzt
ist, die mit einer Welle 6 ausgestattet ist, die den Hals 7 des Körpers 1
durchsetzt und, an deren außerem Ende einen Absperrhebel 8 trägt.
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In der Ausführungsform. wie in Fig. 1 veranschaulicht, die für Ventile
von größeren Abmessungen als ein gewisser Wert geeignet ist, in
Beziehung zu den mechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien
und der Bemaßung der Teile, z.B. größer als 1" (25,4 mm), geht die
Welle 6 vollständig durch die die Verschlußklappe durchsetzende
Bohrung 9 hindurch, wo ihre Drehung durch das Gewindeprofil 10
blockiert wird, wobei sie in einem Sitz 11 innerhalb des Körpers 1
Aufnahme findet; bei der in Fig. 2 gezeigten Version, welche für
Ventile von geringeren Abmessungen geeignet ist, trägt die Welle 6a eine
auskragende oder überhängende Verschlußklappe 5a, wobei die Welle in
das zugeordnete Blindloch 12 eingesetzt ist. In beiden Versionen wird
die Dichtung durch das Element 4 gewährleistet. welches in einen
zugeordneten Sitz des Körpers 1 eingesetzt ist und den Umfang der
Verschlußklappe 5 oder 5a elastisch verriegelt, wenn in der "geschlossenen"
Position.
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Der Umfang der Verschlußklappe ist in den beiden Fig. 1 und 2 in der
"offenen" Position mittels einer gestrichelten Linie gezeigt.
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Das Element 4, wie besser in der Fig. 4 gezeigt ist, ist aus einem
hohlen zylindrischen Körper aus elastomerem Material 13 gebildet, in
welchem ein geformter Metallring 14 in der Phase der Pressung
einverleibt
ist, der sich mit einem vorherrschenden Abschnitt seiner Länge in
Axialrichtung erstreckt.
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Eine radiale Bohrung 15, die in Entsprechung zu dem Hals 7 angeordnet
ist, ermöglicht es der Welle 6, hindurchzugehen, und in Entsprechung
mit ihr erlaubt es eine Bohrung 16 (Fig. 1) der Welle, den Sitz 11 zu
erreichen.
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An der äußeren Oberfläche des Elementes 4 sind zwei ringförmige
Reliefs oder Vorsprünge mit einem halbkreisförmigen Querschnitt 17
vorhanden, in Entsprechung zu denen der Körper 1 zugeordnete
Aufnahmen 18 aufweist, besser ersichtlich aus Fig. 5, in welchen die
Reliefs 17 mit einer elastischen Deformation untergebracht sind, welche
dazu befähigt ist, die Dichtung zwischen dem Element 4 und der inneren
Wand des Ventilkörpers zu gewährleisten. Ein Vorsprung 19 innerhalb
des Ventilkörpers bildet eine vorspringende Oberfläche an einem äußeren
Ende des Dichtungselementes. wodurch der Zusammenbau erleichtert
wird. wie im nachfolgenden beschrieben.
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Wie in Fig. 5 gezeigt ist, weist der Metallring 14 einen mittleren
Abschnitt 14a mit einem Durchmesser auf, der im wesentlichen gleich dem
äußeren Durchmesser des Elementes 4 ist; an den äußeren Enden weist
der Ring 14 hingegen Abschnitte 14b mit einem äußeren Durchmesser
auf, der unterhalb des Durchmessers des Elementes 4 liegt, wodurch ein
"d" -Ausfüll- oder Ausgleichs-Stück aus elastomerem Material zwischen
selbigen Abschnitten 14b sind der äußeren Oberfläche des Elementes 4
gelassen wird.
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Für mehr Bequemlichkeit ist ein solches Ausfüll- oder Ausgleichs-Stück
im wesentlichen gleich dem "r"-Vorsprung der Reliefs 17, welcher an
den selbigen äußeren Enden angeordnet ist, und infolge dessen wird
zwischen dem 14b-Abschiiiti und den tragenden Oberflächen der Aufnahme
18 eine Stärke des elastomeren Materials eingeschlossen, die im
wesentlichen dem durch eine, in der Zeichnung durch gestrichelte Linien
veranschaulichte, toroidische Dichtung 20 mit einem "r + d"-Durchmesser
eingenommenen Bereich entspricht, wodurch optimale
Dichtungs-Bedingungen
geschaffen werden, ähnlich der Leistungsfähigkeit, die durch
eine toroidische "O-Ring"-Dichtung geboten wird, welche dank der
Weite der elastischen Gesamt-Auslenkung, welche dem elastomeren
Material erlaubt ist, sehr berühmt ist.
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In Zuordnung zu der Bohrung 15, wie in Fig. 4 gezeigt, und ebenfalls
in Zuordnung zu der Bohrung 16, ob vorhanden, weist der Metallring
14 eine Gesamtheit mit einem Innendurchmesser größer als der
Durchmesser der Bohrung 15 oder 16 auf, weil ein "s"-Ausfüll-/Ausgleichs-
Stück aus elastomerem Material zwischen der Oberfläche der Bohrung
und dem Rand der Bohrung des Metallringes gelassen worden ist. Ein
derartiges "s"-Ausfüll-/Ausgieichs-Stück ermöglicht ein Einsetzen der
Welle 6 oder 6a bei einer elastischen Deformation des elastomeren
Materials 13 des Elementes 4, derart, daß die Abdichtung auf der
Oberfläche dieser Welle nach auswärts ohne das Erfordernis weiterer
Dichtungselemente auf dieser Welle innerhalb des Halses 7 gewährleistet
wird. In seinem Zwischenabschnitt 14a ist der Metallring 14 so
ausgebildet, daß eine "e"-Stärke des elastomeren Materials 13 gelassen wird,
wie in Fig. 4 gezeigt, welche genügend erhöht oder erhaben ist, um eine
elastische Nachgiebigkeit gegenüber der Verschlußklappe 5 zu bieten,
welche ihre Abdichtungsfähigkeit gegenüber ihrer Außenkontur
sicherstellt, wenn in der "geschlossenen" Position.
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In der Tat zeigt die Deformation des elastomeren Materials einen hohen
Wert; jedoch bleibt die relative Deformation, d.h. das Verhältnis
zwischen der Amplitude der Deformation und der Stärke des Materials,
welches die Deformation erfährt, aufgrund des Betrages der "e" --Dicke
innerhalb begrenzter Werte, und ferner bleibt noch die Möglichkeit der
Ausdehnung selbigen Materials seitwärts zu der Verschlußklappe, wie in
Fig. 5 in einer vergrößerten Form gezeigt. um die Erscheinung
besonders deutlich darzustellen.
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Dies erlaubt sodann, eine hohe elastische gegenseitige Beeinflussung
zwischen der Verschlußklappe und dem Dichtungselement, wie oben
beschrieben, zu erreichen. welches eine optimale Abdichtungsfähigkeit
selbst unter beträchtlichen Drücken gewährleistet, ohne von diesem zu
verlangen, daß es die Grenze der elastischen Deformation des
elastomeren Materials überschreitet oder nahe bei dieser Grenze der elastischen
Deformation liegt, um so das Auftreten von solchen Erscheinungen zu
vermeiden, wie dauernde Verformung des Materials, Anhaftung an der
Dichtfläche nach einer gewissen Periode der Inaktivität und ähnliche
Störungen, welche zusammen mit einer größeren relativen Deformation
des Materials selbst auftreten können. Die Konstruktion gemäß der
Erfindung erweist sich ferner von einem wirtschaltlichen Standpunkt
infolge der Herabsetzung der Anzahl der Teile, aus welchen das Ventil
aufgebaut ist, als zweckmäßig, und sie erlaubt insbesondere einen
einfachen Zusammenbau, der mittels automatisierter Prozesse realisierbar
ist.
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In der Tat, wie dies aus der Fig. 3 ersichtlich ist in welcher die Teile
in der Zusammenbau-Abfolge ausgerichtet dargestellt sind, befaßt sich
der Vorgang des Selbstzusammenbaues zuerst mit dem Einsetzen des
Dichtungselementes in den Ventilkörper bis zu deni Anschlag gegen den
Vorsprung 19; dies kann durch ein Preßorgan erreicht werden, dank der
Steifigkeit, die dem Dichtungselement durch den inneren Metallring 14
verliehen ist, welcher es befähigt, einen Preßvorgang ohne
Verformungen zu ertragen; die Ausrichtung zwischen der Bohrung 15 und dem
Hals 7 kann leicht durch eine einfache Vorrichtung erhalten werden, die
mit dem Preßwerkzeug verbunden ist.
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Im Anschluß daran wird die Verschlußklappe 5 oder 5a eingesetzt
wobei ihre Bohrung 9 oder 12 mit der Bohrung 15 und dem Hals 7
ausgerichtet ist, sodann die Welle 6 oder 6a, welche sich in der
Verschlußklappe durch das Gewindeprofil 10 verriegelt.
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In dem Falle von Ventilen mit geringeren Abmessungen, wie durch die
Darstellung in Fig. 2 veranschaulicht, werden der Betätigungshebel 8a,
und die zugeordnete Befestigungskappe 21 ebenfalls durch Pressen an
der Welle 6a verriegelt; in dem Falle von Ventilen von größeren
Abmessungen, in der verwirklichten Form wie in Fig. 1, wird der
Betätigungshebel 8 nachfolgend durch die Schraube 22 blockiert.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung erweist es sich als
besonders vorteilhaft, die Verschlußklappe vorzugsweise aus Messing
durch Formen zu realisieren, wobei die Zacken in Entsprechung mit der
Meridian-Ebene durch Abgraten entfernt werden, ohne irgendeine
weitere Bearbeitung in der Werkzeugmaschine in diesen Bereichen.
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In der Tat, obwohl die Entfernung der Formungs-Zacken mittels
Abgratens einen rauhen Bereich 23 entlang dem Umfang der
Verschlußklappe übrigläßt, wie in vergrößerter Form in Fig. 5 dargestellt, wird
die Dichtung in den Bereichen des maximalen Druckes des elastomeren
Materials an die Verschlußklappe realisiert, wie dies in Fig. 5 durch die
Pfeile P angedeutet ist, wo die Verschlußklappe glatte
Formungs-Oberflächen aufweist.
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In der mittleren Zone des Berührungsbereiches zwischen dem
Dichtungselement und der Verschlußklappe, in Zuordnung zu dem Bereich 23 der
Verschlußklappe selbst, neigt das elastomere Material des
Dichtungselementes dazu, eine sich kontinuierlich krümmende Position
anzunehmen, wie zum Zwecke einer deutlicheren Darstellung in Fig. 5
vergrößert gezeigt ist, welche daher der Disfunktion von der
Verschlußklappe oder zumindest einer merklichen Herabseizung der elastischen
Reaktions-Belastung oder -Last auf dem rauhen Bereich 23 entspricht,
welcher daher keinen Anteil an der Dichtung nimmt und dessen Zustand
der Rauhigkeit somit nicht die Dichtung selbst beeinträchtigen kann.
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Darüber hinaus erlaubt das Fehlen von Dichtungselementen an der
Verschlußklappe es, ihr ein Profil in der Richtung der Strömung, wie in
Fig. 5 veranschaulicht, zu verleihen, welches eine herabgesetzte Bildung
von Wirbeln zeigt, und eine stufenweise fortschreitende Beschleunigung
und eine gleiche stufenweise fortschreitende Wiedergewinnung des
Druckes des Fluides beim Herumgehen um es erlaubt, um so die
Druckverluste aufgrund seines Vorhandenseins sehr klein, in den meisten
Anwendungsfällen vernachlässigbar zu halten.
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Das Vorhandensein der metallischen Verstärkung innerhalb des
Dichtungselementes erlaubt es, daß das elastomere Material, aus welchem es
hergestellt ist, auf der Grundlage seiner besten Eigenschaften unter dem
Gesichtspunkt der Dichtung und der Widerstandsfähigkeit gegenüber
dem Fluid, ungeachtet seiner mechanischen Beständigkeit, ausgewählt
wird; dies erlaubt die Verwendung des Ventils, gemäß den
Feststellungen, bei Anwesenheit sowohl von verschiedenen Fluiden und nicht
reinem Wasser, als auch von Gasen, Druckluft und dergleichen.