Technischer Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Kugelventile bekannter
Art, mit einem Gehäuse, in dem zwischen einem Paar
Fluidströmungskanälen ein diese miteinander verbindender Hohlraum
angeordnet ist, um eine sich durch das Gehäuse erstreckende
axiale Strömungsbahn zu definieren, mit einer innerhalb des
Hohlraumes angeordneten Kugel, die eine in axialer Richtung
verlaufende Bohrung hat und die als schwimmende Kugel
zumindest annähernd um 90º um eine quer zur Strömungsachse
verlaufende Drehachse schwenkbar ist, wobei die Bohrung zum Steuern
des Fluidstromes durch die im Gehäuse vorgesehene axiale
Strömungsbahn wahlweise mit dieser fluchtend oder quer zu
dieser angeordnet sein kann. Die Kugel wirkt mit einem Paar
vom Gehäuse gehaltenen Ventilsitzen zusammen, die nahe der
stromaufwärts bzw. stromabwärts liegenden Seite des Hohlraums
angeordnet sind, um sich am Gehäuse und an der Kugel dichtend
anzulegen. Wenn die Ventilsitze solche mit runder Öffnung
sind, handelt es sich um Ventile mit "hohem Druckrückgewinn",
d.h. daß der größte Teil des stromaufwärts des Ventils
vorhandenen Fluiddruckes auch noch stromabwärts des Ventils
vorhanden ist, nachdem das Medium, d.h. das Fluid, das Ventil
durchströmt hat.
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Kugelventile der oben beschrieben Art sind an sich schon
verlustarme Vorrichtungen. Sie weisen eine ausgezeichnete
Leistungsfähigkeit beim Auf-/Zu-Betrieb auf, zeigen jedoch beim
Steuerungsbetrieb keine wünschenswerten Eigenschaften. Beim
Steuerungsbetrieb wird die Kugelstellung geändert, d.h.
reguliert, um den Strom durch das Ventil zu verändern oder um den
Druck stromabwärts des Ventils zu variieren. Ventile mit
hohem Druckrückgewinn werden zunehmend für diese Betriebsart
verwendet, da deren 90º-Bedienbarkeit die Automatisierung
vereinfacht. Die Regulierung, die mit diesen Ventilen erzielt
werden kann, ist jedoch den herkömmlichen Steuerventilen mit
steigender Spindel in drei Bereichen, d.h. bei der Einstell
barkeit, bei der Strömungscharakteristik und beim
Druckrückgewinn, unterlegen.
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Der Ausdruck "Strömungscharakteristik" ist definiert als das
Verhältnis zwischen der Strömung durch das Ventil und der
prozentual bemessenen Stellbewegung, wenn die Ventilstellung
von 0% bis 100% verändert wird. Der Begriff
"Eigen-Strömungscharakteristik", um den es bei der vorliegenden Erfindung in
erster Linie geht, bedeutet die Strömungscharakteristik des
Ventils, wenn ein konstanter Druckabfall über das Ventil
aufrechterhalten wird. Die Eigen-Strömungscharakteristik kann
eine "prozentgetreue Strömungscharakteristik" umfassen, d.h.
eine Eigen-Strömungscharakteristik, die bei gleichen
Inkrementen in der Stellbewegung im Idealfall gleiche prozentuale
Änderungen der vorhandenen Strömung ergibt. Die
Strömungscharakteristik kann auch eine "lineare Strömungscharakteristik"
sein, d.h. eine Eigen-Strömungscharakteristik, die im
Idealfall durch eine gerade Linie in einem rechtwinkligen Diagramm
von Strömung über prozentual bemessene Stellbewegung
darstellbar ist, so daß gleiche Zunahmen in der Stellbewegung
bei konstantem Druckabfall gleiche Zunahmen in der Strömung
ergeben. Ein Ventilsitz mit runder Öffnung, der mit einer
runden Bohrung in einer Ventilkugel zusammenwirkt, ergibt
üblicherweise eine prozentgetreue Strömungscharakteristik. Die
Strömungscharakteristik kann auch "schnell öffnend" sein,
d.h. die Strömungscharakteristik, die durch eine V-förmige
Öffnung in einem Ventilsitz, bei dem das weite Ende der V-
Form zuerst freigegeben wird, wenn die Kugel sich in die
vollständig offene Stellung bewegt, erreicht wird.
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Die Einstellbarkeit ist das Verhältnis von höchster zu
niedrigster regulierbarer Durchflußleistung. Der Ausdruck "Eigen-
Einstellbarkeit" ist definiert als Verhältnis von maximaler
zu minimaler Strömung, bei dem die Abweichung von der
vorgeschriebenen Eigen-Strömungscharakteristik eine angegebene
Grenze, üblicherweise 1%, nicht überschreiten darf. Die
Eigen-Einstellbarkeit eines Ventiles mit runder Öffnung kann
bei 30 oder 50 zu 1 liegen, während die Einstellbarkeit eines
Kugelventiles, das einen V-Ventilsitz oder einen geschlitzen
Ventilsitz verwendet, bei 100 bis 200 zu 1 liegen kann. Der
Vorteil bei Verwendung eines V-Ventilsitzes oder eines
geschlitzten Ventilsitzes liegt in der besseren Kontrolle an
beiden Einstellbereichsenden, wodurch, anstelle bei
Betriebsarten mit breiten Anforderungen zwei oder mehr Ventile
verwenden zu müssen, die Verwendung eines Ventiles ermöglicht
wird. Außerdem bieten Ventile mit geschlitzten Ventilsitzen
eine lineare Strömungscharakteristik, Ventile mit
V-Ventilsitzen nähern sich an diese an. Bei allen anderen
Ventilkonstruktionen wird in der Praxis eine Eigen-Einstellbarkeit
selten realisiert. Dies ist der üblichen Verfahrensweise
zuzuschreiben, einen Ventil-Strömungskoeffizienten (Cv)
auszuwählen, der den tatsächlich erforderlichen übersteigt. Dieser
größere Cv-Wert wird aus der Sorge heraus festgelegt, eine
Unterdimensionierung des Ventiles zu vermeiden, was durchaus
vorkommen kann, weil häufig die Strömungs- und Druckwerte
ungenau sind oder sich ändern, da der Prozeß geändert werden
muß.
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Bei anderen Konstruktionen sind begrenzte, schrittweise
Änderungen des Cv-Wertes möglich, jedoch stimmen nur zufällig der
erforderliche und der gegebene Cv-Wert exakt überein.
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Durch die Ventilkonstruktion nach der vorliegenden Erfindung
werden diese Probleme überwunden, da unendlich viele Cv-Werte
zwischen einem maximalen Wert, der mit einem Ventil mit
runder Öffnung realisierbar ist, und einem minimalen Wert, der
mit einem stark begrenzten Ventil realisierbar ist, nach der
vorliegenden Erfindung verfügbar sind. Wegen der Einfachheit,
mit der ein Cv-Wert geändert werden kann, und wegen der
Möglichkeit der exakten Anpassung an die Anforderungen, ist eine
Überdimensionierung des Ventiles nicht mehr notwendig. Dies
stellt eine bedeutsame und drastische Änderung bei der
Auswahl und Philosophie der Dimensionierung von Ventilen dar und
hat eine merkliche Verbesserung in der Genauigkeit und Lei
stungsfähigkeit von Steuereinrichtungen zur Folge. Das Ventil
ist das Element der Steuereinrichtungen, das hinsichtlich der
Verfahrensgenauigkeit unbeachtet blieb, während alle weiteren
Elemente (Sensoren, Steuerungen, Verdrahtung,
Verbindungsmittel) erschöpfend verbessert worden sind, um eine höhere
Genauigkeit zu erzielen.
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Ein weiteres Element des in der vorliegenden Erfindung
verkörperten Konstruktionskonzeptes bezieht sich auf seine
Mitwirkung an der dynamischen Leistungsfähigkeit der
Einrichtungen, in der es verwendet wird. Wie oben beschrieben, ist es
üblich, überdimensionierte Ventile festzulegen; dies ist
jedoch sehr unerwünscht, denn die Überdimensionierung führt zu
einem empfindlicheren Regelkreis, weil eine feste Änderung
der Ventilstellung eine größere Änderung in der Strömung oder
des Druckes zur Folge hat, als bei Verwendung eines Ventiles
mit genau benötigtem Cv-Wert erwünscht wäre. Diese Änderung,
die größer als erwünscht ausfällt, verursacht eine übermäßige
Empfindlichkeit des Prozesses, der Prozeß "überschwingt" und
muß durch Anpassen der Empfindlichkeit eines weiteren
Elementes korrigiert werden. Bei Durchführung dieses Vorganges,
genannt Abstimmung, wird die Einrichtung unempfindlicher und es
ergibt sich ein Prozeß, der langsamer auf Änderungen
anspricht. Dieses langsamere Reagieren bedeutet, daß
Aktivposten wie Energie oder Rohmaterial verschwendet werden. Mit
der vorliegenden Erfindung ist die Industrie in der Lage,
Prozesse in Rohrleitungssystemen abschließend zu verbessern,
wodurch sie die Leistungsfähigkeit der Regelkreise maximieren
kann.
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Bei der Druckrückgewinnung sind Betrachtungen über
Verkleidungen (flashing), Kavitation und übermäßigen Lärm
erforderlich. Liegt kein Druckabfall am Ventil vor, ist es nicht
möglich die Strömung durch das Ventil zu modulieren oder zu
verändern, d.h. wirksam zu steuern und eine Verringerung der
Strömung zu erzielen, das Ventil muß Druck oder Energie
verbrauchen.
Ventile mit hoher Druckrückgewinnung benutzen den
Fluid-Fluid-Kontakt, d.h. Turbulenzen, um den Druck zu
reduzieren, was zu Kavitation und ähnlichem führt. Ein weitaus
besserer Weg, das Druckrückgewinnungsvermögen eines Ventiles
zu verringern, ist den Fluid-Metall-Kontakt innerhalb des
Ventiles, d.h. die Reibung, zu erhöhen.
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Ein Kugelventil, das aufletzteres Konzept zur Verringerung
des Drucks innerhalb des Ventils baut, ist in Baumanns US-PS
4,085,774 offenbart. Das Baumann-Ventil hat eine im Auslaß
des Strömungskanals des Kugelventils befestigte Platte, die
mit vielen gegen Kavitation wirkenden Durchflußkanälen
ausgestattet ist, die einen hohen Verlust an kinetischer Energie
bewirken und durch Unterteilung des durch den Auslaß des
Strömungskanals des Ventils strömenden Fluidstromes in viele
kleine Ströme Geräusche verringern. Die gegen Kavitation
wirkende Platte im Baumann-Ventil steht jedoch nicht in
abdichtendem Kontakt mit der schwenkbaren Kugel des Ventiles.
Vielmehr ist die schwenkbare Kugel im Baumann-Ventil keine
schwimmende Kugel, sondern eine auf Zapfen gelagerte Kugel,
an die sich an der stromabwärts liegenden Seite des Ventiles
ein dünner und flexibler Metalldichtring anschließt, der, um
übermäßigen Verschleiß und hohe Antriebsdrehmomente zu
vermeiden, mit Abstand zu der gegen Kavitation wirkenden Platte
angeordnet ist und sich an die Kugel dichtend anschmiegt.
Aufgrund des Abstandes, der notwendigerweise durch diese
Anordnung zwischen der Baumann-Kugel und der gegen die
Kavitation wirkenden Platte ausgebildet ist, treten, wenn sich die
Kugel in einer anderen Betriebsstellung als der
Betriebsstellung bei vollständig geschlossenem Ventil befindet, über die
Durchflußkanäle der Platte, die scheinbar von der Kugel
abgedeckt werden, Fluidleckagen auf. Die Folge ist eine Zunahme
der Minimalströmung, die im Ventil auftritt, wenn sich die
Baumann-Kugel in einer anderen als der vollständig
geschlossenen Betriebsstellung befindet, mit einer folglich
merklichen Abnahme der Eigen-Einstellbarkeit des Ventiles. Da die
Einstellbarkeit und eine genaue Steuerung zwei miteinander im
Beziehung stehende Faktoren sind, bietet das Baumann-Ventil
aufgrund der beschriebenen Leckagen keine besonders genaue
Steuerung im unteren Ende des Einstellbarkeitsverhältnisses.
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Die DE-A2 654 769 offenbart ein Kugelventil mit den Merkmalen
des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1. Das Kugelventil ist
eher für die Handhabung gasförmiger als flüssiger Fluide
konstruiert. Demgemäß ist die Kugel auf Lagerzapfen gelagert.
Folglich bildet der stromaufwärts angeordnete Ventilsitz (19)
notwendigerweise den fluiddichten Abschluß der
Ventilanordnung, da nur der stromaufwärts angeordnete Ventilsitz in der
Lage ist, sich in Richtung stromabwärts dichtend anzulegen.
Entsprechend hat der durchlöcherte, konkave stromabwärts
angeordnete Ventilsitz funktionelle Einschränkungen,
vergleichbar mit denen der gegen Kavitation wirkenden Platte des
Baumann-Ventiles. Folglich ergibt sich kein vollflächiger
direkter abdichtender Kontakt zwischen der Kugel und der mittleren
Oberfläche des stromabwärts angeordneten Ventilsitzes und
deshalb können durch viele der Löcher oder Öffnungen in dem
stromabwärts angeordneten Ventilsitz Leckagen auftreten,
sobald das Ventil aufspringt.
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Durch die vorliegende Erfindung ist beabsichtigt, eines oder
mehrere dieser Probleme, die unter Bezugnahme auf die älteren
Ventilanordnungen zuvor beschrieben wurden, zu mildern.
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Durch die vorliegende Erfindung wird ein Kugelventil
geschaffen, wie es in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
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Bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung hat das
Kugelventil eine schwimmende Kugel, die um zumindest annähernd
90º schwenkbar ist. Ferner umfaßt das Kugelventil ein Paar
nahe der stromaufwärts und stromabwärts liegenden Seiten des
Ventiles angeordnete Ventilsitze, wobei mindestens einer der
Ventilsitze ein einstückig ausgebildeter, mit Gleitmitteln
imprägnierter Ventilsitz aus Metall ist, der während der
gesamten Dauer der Stellbewegung der Kugel zwischen der
vollständig
offenen und der vollständig geschlossenen
Betriebsstellung in vollflächigem direkten abdichtenden Kontakt mit
der Kugel steht. Der Ventilsitz umfaßt einen konkaven
mittleren Oberflächenabschnitt, der ein Muster aus mit Abstand
zueinander angeordneten Löchern hat, die sich durch den
Ventilsitz in Richtung der axialen Strömungsbahn durch das
Ventilgehäuse erstrecken und die die einzigen Wege für den
Fluidstrom durch den Ventilsitz bilden, wobei der Ventilsitz eine
durch den Fluid-Metall-Kontakt des durch die Löcher im
Ventilsitz strömenden Fluids verursachte merkliche
Druckreduzierung des durch das Kugelventil strömenden Fluids bewirkt. Der
vollflächige direkte abdichtende Kontakt zwischen der Kugel
und dem mittleren Oberflächenabschnitt des Ventilsitzes
bewirkt, daß ein Abfließen von Fluid aus der Bohrung der Kugel
durch eines der durch einen Oberflächenabschnitt der Kugel
abgedeckten Löcher des Ventilsitzes verhindert wird, und
gestattet dem Fluid nur durch die Löcher des Ventilsitzes zu
strömen, die unmittelbar mit der Bohrung der Kugel in
Verbindung stehen, wenn die Kugel um ihre Rotationsachse von einer
Betriebsstellung in eine andere geschwenkt wird. Da die Kugel
bei der vorliegenden Erfindung eine schwimmende Kugel ist und
in vollflächigem Kontakt mit einem aus einem geeignetem
Lagerwerkstoff ausgeführten Ventilsitz steht, muß das Ventil
keinen flexiblen Metall-Ventilsitz verwenden, um, wie bei der
Baumann-Anordnung, eine Dichtung zwischen der Kugel und dem
Gehäuse auszubilden, und ermöglicht es der Kugel, sich durch
einen Hub der Kugel direkt an den Ventilsitz anzuschmiegen.
Die abgedeckten Löcher sind wirklich "verschlossen" und die
Durchströmung ist nicht nur verringert. Zusätzlich ergibt
sich aufgrund der Schwimmfähigkeit der Kugel und ihres
vollflächigen Kontaktes mit dem Mehrloch-Ventilsitz bei der
Ventilkonstruktion eine Selbstkompensation des Verschleißes und
eine weiterhin gute Abdichtung, auch wenn Verschleiß
aufgetreten ist.
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Mit den beschriebenen Ventilausführungsbeispielen sind
merklich höhere Eigen-Einstellbarkeiten erzielbar als mit dem
zuvor
beschriebenen Baumann-Ventil. Ferner kann die
Eigen-Strömungscharakteristik des Ventils sehr genau maßgerecht
eingestellt werden, indem das Muster aus kleinen Löchern oder
anderen Formen, die mit Abstand zueinander über den gesamten
Mündungsöffnungsbereich des Ventilsitzes oder einem Teil
davon angeordnet sind, beeinflußt wird. So kann ein Bereich
parallel zueinander angeordneter Lochreihen vorgesehen sein,
um eine lineare Strömungscharakteristik zu erzielen, oder die
Löcher können über den gesamten Mündungsöffnungsbereich
verteilt sein, um eine prozentgetreue Strömungscharakteristik zu
erzielen. Ferner können die Löcher in einem Teil des
Mündungsöffnungsbereiches als ein Muster ausgebildet sein, wobei
der Rest des Mündungsöffnungsbereiches abweichend gemustert
ist, so daß ein zweites und/oder ein drittes und/oder ein
viertes Muster ausgebildet ist, damit das Ventil in
verschiedenen Abschnitten der Kugeldrehung, zwischen der vollständig
offenen und der vollständig geschlossenen Betriebsstellung,
verschiedene Eigen-Strömungscharakteristika aufzeigt. Ferner
können wesentlich voneinander abweichende
Strömungskapazitäten zwischen der vollständig offenen und teilweise geöffneten
Betriebsstellungen erreicht werden. Dies ist für die Prozesse
von Bedeutung, bei denen eine sehr breite Einstellbarkeit
erforderlich ist. In diesen Fällen ist die übliche
Vorgehensweise ein "Aufsplitten der Einstellbereiche" der Steuerung.
Das heißt, daß anstelle eines Ventiles zwei Ventile verwendet
werden. Die Ventile haben unterschiedliche Abmessungen und
Cv-Werte, so daß sowohl eine starke als auch eine schwache
Strömung einstellbar ist. Bei einer Ventilkonstruktion nach
der vorliegenden Erfindung ergibt sich bei dem Ventil das
Aufsplitten der Einstellbereiche von sich aus, so daß nur ein
Ventil erforderlich ist. Durch Verwendung eines großen
Ventiles und Unterteilung des Ventilsitzes in der Weise, daß, in
Abhängigkeit von der Größe der Löcher und der Lochdichte, die
Strömung bei vollständig offenem Ventil sehr stark und in
jeder anderen Stellung sehr schwach sein kann, kann die
erwünschte hohe Einstellbarkeit mit einem Ventil erreicht
werden.
Die Folge ist eine merkliche Kostenersparnis für den
Benutzer.
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In seiner bevorzugten Form ist der Mehrloch-Ventilsitz sich
an der Kugel dichtend anschmiegend an der stromabwärts
liegenden Seite des Ventils vorgesehen, wobei der an der
stromaufwärts liegenden Seite angeordnete Ventilsitz ein Standard-
Ventilsitz mit rundem Loch ist. Alternativ können beide
Ventilsitze im Ventil Mehrloch-Ventilsitze sein, so daß der
gesamte Druckabfall zwischen der stromaufwärts und der
stromabwärts liegenden Seite des Ventiles in zwei Schritten erfolgt,
wobei die Eigen-Strömungscharakteristik durch die jeweiligen
Lochmuster der zwei Ventilsitze definiert ist. Der Mehrloch-
Ventilsitz kann auch nur nahe der stromaufwärts liegenden
Seite des Ventiles vorgesehen sein, um nur in diesem
Abschnitt des Ventiles einen Druckabfall und eine erwünschte
Strömungscharakteristik zu bewirken, wobei der stromabwärts
angeordnete Ventilsitz ein geschlitzter Ventilsitz oder ein
V-Ventilsitz sein kann, um die Ventilströmung weiter zu
charakterisieren. Bei all diesen Anordnungen gibt es eine
merkliche Zunahme beim Fluid-Metall-Kontakt und eine sich daraus
ergebende starke Verbesserung beim
Druckrückgewinn-Koeffizienten des Ventiles.
Figurenbeschreibung
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Die zuvor beschriebenen Ziele, Vorteile, der Aufbau und die
Funktion der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung leichter ersichtlich, wobei
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Figur 1 eine Schnittansicht eines
Kugelventiles zeigt, das entsprechend
der vorliegenden Erfindung
aufgebaut ist;
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Figur 2 eine Rückansicht des in Figur 1
dargestellten Ventiles zeigt,
gesehen vom Mehrloch-Mündungsende
des Ventiles;
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Figur 3 eine graphische Darstellung eines
in den Figuren 1 und 2 verwendeten
Mehrloch-Ventilsitzes üblicher Art
zeigt;
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Figur 4 einen V-Ventilsitz zeigt, der
gemeinsam mit dem
Mehrloch-Ventilsitz verwendet werden kann;
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Figur 5 einen geschlitzten Ventilsitz
darstellt, der gemeinsam mit dem
Mehrloch-Ventilsitz eingesetzt
werden kann;
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Figuren 6a, 6b, 6c und 6d Beispiele anderer Lochmuster
zeigen, die bei dem
Mehrloch-Ventilsitz verwendet werden können; und
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Figuren 7a, 7b und 7c mehrere unterschiedliche Arten von
Ventilsitzen zeigen, die gemeinsam
miteinander nahe der stromabwärts
und stromaufwärts liegenden Seiten
des Kugelventiles verwendet werden
können.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Zuerst wird auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen. Ein
entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebautes Kugelventil
umfaßt ein Gehäuse, allgemein mit 10 bezeichnet, das einen
Hohlraum 11 hat, der zwischen zwei Fluidströmungskanälen 12
und 13 angeordnet, mit diesen in Verbindung steht, um eine
sich durch das Gehäuse 10 erstreckende axiale Strömungsbahn
zu definieren. Innerhalb des Hohlraumes 11 ist eine Kugel 14
mit einer axial verlaufenden Bohrung 15 angeordnet. Diese als
schwimmende Kugel ausgebildete Kugel kann bei Betätigung
durch beispielsweise einen per Hand zu betätigenden Griff 16
oder ein anderes Betätigungsorgan im Hohlraum um zumindest
annähernd 90º um eine Rotationsachse quer zur Strömungsbahn
durch die Kugel geschwenkt werden, so daß die Bohrung 15
wahlweise zu der im Gehäuse vorgesehenen Strömungsbahn
fluchtet oder quer zu dieser angeordnet ist, um den Fluidstrom
durch das Ventil einzustellen. Diese Abschnitte der
Konstruktion sind an sich bekannt und in bekannter Weise angeordnet.
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Nahe der stromaufwärts und der stromabwärts liegenden Seite
des Hohlraumes 11 werden durch das Gehäuse 10 zwei
Ventilsitze 17 und 18 gehalten, die sich jeweils an das Gehäuse 10
und die Kugel 14 dichtend anschmiegen. Der stromaufwärts
angeordnete Ventilsitz 17 kann ein ringförmiger
Standard-Ventilsitz mit runder Öffnung sein, der vorzugsweise aus einem
einstückigen mit Gleitmittel imprägnierten Metallmaterial
ist, beispielsweise ein Ventilsitz aus mit Graphit
gestrecktem, gesinterten Metall, wie er in dem US-Patent 4,531,273
von Smith et al. beschrieben ist, oder ein mit Polymer
imprägnierter Ventilsitz aus gesintertem Metall, wie er in dem US-
Patent 4,377,892 von Gonzalez offenbart ist. Der stromabwärts
angeordnete Ventilsitz 18 ist gleichfalls ein mit Gleitmittel
imprägnierter, aus einem gleichartigen Material gefertigter
Ventilsitz. Dieser Ventilsitz 18 ist jedoch derart
ausgebildet, daß ein konkaver mittlerer Oberflächenabschnitt 18a
ausgeformt ist, der in voliflächigem direkten abdichtenden
Kontakt mit der Kugel 14 steht und ein Muster aus mit Abstand
zueinander angeordneten, sich in Richtung der Strömungsbahn
des Ventiles durch den Ventilsitz erstreckenden Löchern 19
definiert. Die Löcher 19 bilden den einzigen Weg für den
Fluidstrom durch den Ventilsitz 18, wodurch der Ventilsitz 18
aufgrund des Fluid-Metall-Kontaktes des durch die Löcher des
Ventilsitzes strömenden Fluids eine merkliche Verringerung
des Druckes des durch das Ventil strömenden Fluids bewirkt.
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Bei der in den Figuren 1 und 2 sowie in Figur 3 dargstellten
Ausführungsform der Erfindung können die Löcher 19 des
Ventilsitzes 18 in mehreren, parallel zueinander verlaufenden
Reihen angeordnet sein, die einen Bereich aus mit Abstand
zueinander angeordneten Löchern definieren, der sich über den
konkaven mittleren Oberflächenabschnitt 18a des Ventilsitzes
erstreckt. Zum Zwecke der Klarheit zeigen die Zeichnungen
weniger Löcher als normalerweise vorgesehen; bei einer
typischen Ausführungsform der Erfindung sind 200 oder mehr Löcher
ausgebildet. Die Lochgrößen können in den Abmessungen
variieren, sie können im Durchmesser bis zu 0,5 mm (0,02 Inch)
klein sein, liegen aber üblicherweise in einem
Durchmesserbereich von 0,76 mm bis 1,0 mm (0,03 Inch bis 0,04 Inch). Die
Löcher werden durch Verwendung einer computergesteuerten
Laserbearbeitungsmaschine in den Ventilsitz geschnitten, können
aber auch alternativ durch Verwendung einer Bohrbank erzeugt
werden. Die Ventilsitze können auf einfache Weise durch den
Kunden modifiziert werden, um jede gewünschte Charakteristik
zu erzielen. Beispielsweise können die Ventile, wenn sie zur
Regelung eines neuen Prozesses verwendet werden sollen, mit
Bedacht dimensioniert werden; später, wenn der Prozeß
ausgereift ist und/oder die Produktion zugenommen hat, kann das
Ventil, das einen Mehrloch-Ventilsitz verwendet, aus der
Verfahrenskette gelöst, die Kugel in die offene Betriebsstellung
gestellt und das montierte Ventil in eine Bohrbank gespannt
und durch den Benutzer, während das Ventil montiert bleibt,
zusätzliche Löcher in den Ventilsitz gebohrt werden, um die
Eigen-Strömungscharakteristik des Ventiles den Wünschen oder
Notwendigkeiten entsprechend zu modifizieren.
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Bei dem in den Figuren 2 und 3 graphisch dargestellten
Lochmuster besitzen die oberen und unteren Lochreihen weniger
Löcher als die dazwischen liegenden Lochreihen. Bei einer
solchen
Anordnung gibt ein kleiner halbmondförmiger Bereich der
Kugelbohrung zuerst nur ein oder zwei Löcher der mittleren
Reihen frei, wenn die Kugel ausgehend von einer vollständig
geschlossenen Ventilstellung in eine Öffnungsrichtung
geschwenkt wird. Anschließend, nachdem die Kugel in eine
Betriebsstellung, die etwa 15% bis 20% ihrer offenen
Betriebsstellung entspricht, geschwenkt worden ist, gibt die Kugel
beim Öffnen um jedes zusätzliche Grad, um das sich die Kugel
bewegt, eine konstante zusätzliche Anzahl an Löchern frei.
Aufgrund der besonderen Form der Mündungsöffnung der Kugel
und dem in den Figuren 2 und 3 graphisch dargestellten
Lochmusterbereich, besitzt die Eigen-Strömungscharakteristik des
Ventiles bei bis zu etwa 20-prozentig geöffneter
Betriebsstellung des Ventiles, eine prozentgetreue
Strömungscharakteristik. Sobald die Kugel aber so weit geschwenkt worden ist,
daß der gesamte Bereich freigegeben ist, zeigt das Ventil von
da an bis zur vollständig geöffneten Betriebsstellung eine
lineare Strömungscharakteristik, d.h. daß die
Strömungscharakteristik über etwa 70% des gesamten Schwenkbereich des
Ventiles, der aus praktischen Gründen der Betriebsbereich des
Ventiles ist, linear ist.
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Unterschiedliche Strömungscharakteristika können durch
unterschiedliche Lochmuster, graphisch dargestellt in den Figuren
6a, 6b, 6c und 6d, erzielt werden. Das in Figur 6a gezeigte
Muster besteht aus einer einzelnen Lochreihe, die sich in
einer Richtung quer zur Rotationsachse der Kugel erstreckt.
Durch diese Anordnung wird eine sehr schwache Strömung durch
das Ventil erzielt, die jedoch eine lineare
Strömungscharakteristik zeigt. Das in Figur 6b gezeigte Muster besteht aus
einer sich etwa bis zur Hälfte des Mündungsbereiches des
Ventilsitzes erstreckenden Lochreihe, an die sich ein Lochmuster
anschließt, das im wesentlichen die restliche Hälfte des
Mündungsbereiches ausfüllt. Diese Anordnung bewirkt bis etwa 50%
der Schwenkbewegung der Kugel eine sehr schwache strömung und
eine lineare Strömungscharakteristik, gefolgt von einer
starken Strömung und einer prozentgetreuen Strömungscharakeristik
für die restliche Schwenkbewegung der Kugel. Figur 6c offen
bart ein fächerförmiges Lochmuster oder ein im wesentlichen
V-förmiges Lochmuster, durch das unterschiedliche
Strömungscharakteristika, die auf einen bestimmten Anwendungsfall
zugeschnitten sind, erzeugt werden. Das Muster nach Figur 6d
besteht aus Löchern, die im wesentlichen den gesamten
Mündungsbereich ausfüllen, um über den gesamten Schwenkbereich
der Kugel eine prozentgetreue Strömungscharakteristik zu
erreichen. Jede der in den Figuren 3 oder 6 gezeigten
Ventilsitzabbildungen umfaßt eine Aufnahmeaussparung 20, die zum
ordnungsgemäßen Ausrichten des Ventilsitzes innerhalb des
Gehäuses relativ zur schwimmenden Kugel 14 verwendet wird.
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Figur 4 zeigt einen V-Ventilsitz 21 bekannter Ausführung,
der, wie oben beschrieben, aus einem mit Graphit oder mit
Polymer gestrecktem, gesinterten Metallmaterial besteht, und
einen konkaven mittleren Oberflächenabschnitt besitzt, der
eine V-förmige Öffnung 22 definiert, die eine prozentgetreue
Strömungscharakteristik bewirkt. Figur 5 zeigt einen
geschlitzten Ventilsitz 23, der an sich auch bekannt ist und,
wie oben beschrieben, aus einem mit Gleitmittel imprägnierten
Metallmaterial hergestellt ist und einen sich über einen
konkaven mittleren Oberflächenabschnitt erstreckenden,
länglichen Schlitz 24 besitzt, um eine lineare
Strömungscharakteristik zu bewirken. Die in den Figuren 4 und 5 gezeigten
Ventilsitztypen können gemeinsam mit den in den Figuren 3 oder 6
gezeigten Mehrloch-Ventilsitztypen verwendet werden, um
Charakteristika zu bewirken, die bei bestimmten
Anwendungsbereichen der Ventile notwendig oder erwünscht sein können.
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Insbesondere kann, wie in Figur 7b graphisch dargestellt, die
schwenkbare Ventilkugel 14 zwischen einem Mehrloch-Ventilsitz
18, beispielsweise dem in Figur 2 gezeigten, und einem
V-Ventilsitz 21, wie er in Figur 4 gezeigt ist, angeordnet sein,
wobei bei dieser Anordnung der Mehrloch-Ventilsitz 18
vorzugsweise nahe der stromaufwärts liegenden Seite des Ventiles
und der V-Ventilsitz nahe der stromabwärts liegenden Seite
des Ventiles angeordnet sind. Ähnlich kann, wie in Figur 7c
graphisch dargestellt, die schwenkbare Ventilkugel zwischen
einem Mehrloch-Ventilsitz 18, wieder vorzugsweise nahe der
stromaufwärts liegenden Seite des Ventiles angeordnet, und
einem stromabwärts angeordneten geschlitzten Ventilsitz 23,
wie er in Figur 5 gezeigt ist, angeordnet sein. Figur 7a
zeigt noch eine weitere mögliche Anordnung, bei der Mehrloch-
Ventilsitze sowohl nahe der stromaufwärts als auch nahe der
stromabwärts liegenden Seite des Ventiles angeordnet sind.
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Obwohl in den Figuren 2, 3 und 6 verschiedene Lochmuster
graphisch dargestellt worden sind, ist es selbstverständlich,
daß durch die gezeigten Anordnungen eine Veranschaulichung
beabsichtigt ist und keine Beschränkung der vorliegenden
Erfindung. Weitere Ausführungen können abhängig von besonderen
Eigenschaften, die bei gegebenen Anwendungen erwünscht sein
könnten, eingesetzt werden. Beispielsweise könnte das
verwendete Lochmuster aus einer einzigen Reihe oder einem Bereich
an Löchern für die ersten 200 bis 300 der Schwenkbewegung der
Kugel gebildet sein. Anschließend könnte sich das Muster für
die weiteren 300 der Schwenkbewegung der Kugel zu einem V mit
100 oder einem V mit 200 ändern, an das sich wiederum ein V
mit 1800, d.h. eine sich parallel zur Rotationsachse der
Kugel erstreckende gerade Linie von Löchern, wie sie in Figur
6b dargestellt ist, anschließt. Der restliche Abschnitt des
Ventilsitzes ist vollständig entfernt, um einen Spülbetrieb
innerhalb des Ventiles zu ermöglichen. Weitere mögliche
Lochmuster und/oder Kombinationen von Mehrloch-Ventilsitzen mit
Ventilsitzen, die andere Ausbildungen des Mündungsbereiches
besitzen, können verwirklicht werden, um erwünschte Eigen-
Strömungscharakteristika zu erzielen. Bei all diesen
Ausführungsformen ist es jedoch wichtig, daß die Ventilsitze aus
einem geeignetem Lagerwerkstoff, wie er zuvor beschrieben
wurde, gefertigt sind, und daß die Ventilsitze in
vollflächigem direkten abdichtenden Kontakt mit einer schwenkbaren
schwimmenden Kugel stehen, um die verbesserte
Eigen-Einstellbarkeit
und die Selbstkompensation von Verschleiß zu
erzielen, was die vorliegende Erfindung kennzeichnet.