DE69618803T2 - Spindelabdichtung für kugelventile - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Ventile zur Verwendung in Fluid- Kreisläufen von Kühlsystemen und im Spezielleren eine Ventilspindel-Dichtungsanordnung oder -konfiguration, die eine O-Ringdichtung eines Kugelventils mit Vierteldrehung davor schützt, mit einem Kühlmittel in Kontakt zu kommen.
- Kugelventile mit Vierteldrehung werden in Kühlkreisläufen üblicherweise verwendet, um den Kühlmittelstrom durch die Kreisläufe zu lenken oder um die Kühlmittel-Ladung in den Kreisläufen zu halten, während ein Abschnitt des Kreislaufs isoliert wird, um die Reparatur und/oder den Austausch von Systemkomponenten zu erleichtern oder eine allgemeine Wartung des Systems durchzuführen. Eine entscheidende Komponente von Kugelventilen mit Vierteldrehung ist die Ventilspindel-Dichtungsanordnung oder -konfiguration. Der Zweck der Ventilspindel-Dichtungskonfiguration besteht darin, den Durchgang abzudichten, durch den hindurch die drehbare Ventilspindel im Ventilkörper geht und ein Lager bereitzustellen, das die Innendruckbelastung aushält, die auf die Ventilspindel wirkt. Bei vielen bestehenden Kugelventil-Konstruktionen wird als primäre Ventilspindel-Dichtung eine O-Ring-Dichtung verwendet. Der O-Ring wird vor dem Zusammenbauen des Ventils geschmiert und erleichtert das Drehen der Ventilspindel zwischen der offenen und der geschlossenen Position. Wenn der O-Ring als Hauptdichtung verwendet wird, ist er typischerweise dem durch das Ventil hindurchgehenden Kühlmittelstrom ausgesetzt.
- Kühlmittel wie R22 und R502 sind seit vielen Jahren die Standard-Kühlmittel, die bei Kühl- und Klimaanlagen verwendet werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass der Einsatz dieser Kühlmittel eine Gefahr für das Ozon in der Atmosphäre darstellt und die US-Umweltschutzbehörde (EPA) hat entschieden, dass ihre Verwendung nur mehr befristet zulässig ist. Als Ergebnis hat die Kühlindustrie mit neuen ozonverträglichen Kühlmitteln experimentiert. Wenn sie mit den Standard-Kühlmitteln der Vergangenheit (R22 und R502) in Kontakt kommen, behalten O-Ringe ihre Schmierfähigkeit bei. Durch das Einwirken der neuen den EPA-Bestimmungen entsprechenden Kühlmittel und Gemische werden die O-Ringe jedoch ausgetrocknet. Das heißt, die neuen Kühlmittel und Gemische haben die Tendenz, die Schmiermittel auf den O-Ringen wegzuwaschen. Als Ergebnis geht die Schmierung der O-Ringe verloren, und es wird angenommen, dass der Kontakt der O-Ringe mit dem Kühlmittel das O-Ring-Material selbst angreifen kann, wodurch es zu einem Austreten des Kühlmittels durch die O-Ringe hindurch kommen kann.
- Es wäre wünschenswert, eine Ventilspindel-Dichtungskonfiguration für Kugelventile mit Vierteldrehung bereitstellen zu können, bei der die O-Ring-Dichtungen isoliert und vor Kontakt mit durch das Ventil strömenden Kühlmitteln geschützt werden, und bei der die O-Ringe vor axialen Kräften geschützt werden, die ihre vorzeitige Abnutzung bewirken können.
- Die EP-A1-0.411.651 beschäftigt sich mit diesen Zielen und offenbart ein Kugelventil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
- Das in der WO 83/01099 offenbarte Kugelventil entspricht ebenfalls im Wesentlichen dem Oberbegriff von Anspruch 1.
- Die Erfindung stellt jedoch ein verbessertes Kugelventil bereit, bei dem die O-Ring- Dichtung weiters vor möglicher Schädigung durch Kühlmittel geschützt ist, bei dem die Drehung der Ventilspindel weiters reguliert ist und bei dem die Ventilspindel weiters vor äußeren Einflüssen geschützt ist.
- Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Kugelventil bereitgestellt, das umfasst:
- Ventilkörpermittel, die einen Hohlraum zum Aufnehmen eines Kugelventilelements, das in seiner vertikalen Achse drehbar ist, eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung und einen Ventilspindel-Aufnahmedurchgang, der mit der vertikalen Achse axial ausgerichtet ist, ein Kugelventilelement, das im Hohlraum angeordnet ist und einen Durchgang aufweist, der für Kommunikation zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung sorgt, sowie eine Ventilspindel aufweisen, die innerhalb des Ventilspindel-Aufnahmedurchgangs angeordnet ist und an ihrem unteren Ende operativ mit dem Kugelventilelement verbunden ist,
- wobei der Ventilspindel-Aufnahmedurchgang eine untere ringförmige Ausnehmung, und nach oben davon beabstandet, eine obere ringförmige Ausnehmung aufweist,
- eine Haupt-Dichtungsscheibe, die gegen durch das Kugelventil hindurchgehendes Fluid beständig ist und im oberen Ende der unteren ringförmigen Ausnehmung sitzt und die Ventilspindel umschließt,
- einen O-Ring, der innerhalb des untersten Abschnitts der oberen ringförmigen Ausnehmung sitzt und unter radialer Kompressionsumklammerung die Ventilspindel umschließt und frei von axialer Kompression ist,
- ringförmige Federmittel und eine ringförmige Stopfbüchse, die die Ventilspindel umgeben und in der oberen ringförmigen Ausnehmung oberhalb des O-Rings angeordnet sind, sowie
- eine Rückhalteeinrichtung, die sich in Juxtaposition zum oberen der ringförmigen Federmittel bzw. der ringförmigen Stopfbüchse befindet,
- wobei die Ventilspindel einen ringförmigen Flansch an ihrem unteren Ende, der unter nach oben gehenden Ineinandergreifen mit der Unterseite der Haupt-Dichtungsscheibe in die untere ringförmige Ausnehmung passt, sowie ein über die Rückhalteeinrichtung ragendes oberes Ende aufweist, das mit einem Werkzeug in Eingriff gebracht werden kann, um die Ventilspindel gemeinsam mit dem Kugelventilelement zu drehen,
- wobei die Rückhalteeinrichtung gegen das obere der ringförmigen Federmittel bzw. der Stopfbüchse niedergehalten wird, so dass das Federmittel unter Kompression gehalten wird, wodurch ein Aufwärtsschub auf die Ventilspindel beibehalten wird, wodurch der ringförmige Flansch aufwärts gerichteten und radialen dichtungsbildenden Eingriff mit der Haupt-Dichtungsscheibe beibehält,
- gekennzeichnet durch
- einen Back-up-Ring, der gegen durch das Kugelventil hindurchgehendes Fluid beständig ist und unterhalb des O-Rings innerhalb des untersten Abschnitts der oberen ringförmigen Ausnehmung sitzt und sich unter umschließendem radialem Kompressionseingriff zwischen der Ventilspindel und dem Ventilkörpermittel befindet,
- wobei die ringförmige Stopfbüchse eine Ventilspindelführung ist, die nach innen ragende Lappen aufweist, die als Anschläge fungieren, um die Drehung der Ventilspindel zu begrenzen, und
- eine Kappe, die in Gewindeeingriff mit dem Ventilkörpermittel als Abdeckung für den oberen Abschnitt der Ventilspindel fungiert und eine Kappendichtung aufweist, die als Druckablass fungiert, indem sie vor dem Lösen des Gewindeeingriffs zwischen der Kappe und dem Ventilkörpermittel durch Drehen vom Ventilkörpermittel außer Eingriff kommt.
- Das Kugelventil gemäß vorliegender Erfindung stellt somit eine Ventilspindel-Dichtungskonfiguration bereit, bei der der O-Ring isoliert und vor Kontakt mit durch das Ventil strömendem Kühlmittel geschützt wird. Der die Ventilspindel aufnehmende Durchgang im Ventilkörper weist eine untere ringförmige Ausnehmung sowie eine im Abstand oberhalb davon angeordnete obere ringförmige Ausnehmung mit mehreren Abschnitten auf. Eine Hauptdichtungsscheibe sitzt in der unteren ringförmigen Ausnehmung, während eine Hilfs-Dichtungsscheibe und ein O-Ring darüber innerhalb des unteren Abschnitts der oberen Ausnehmung sitzen. Alle drei umschließen die Ventilspindel. Ein ringförmiges Federmittel mit einer Stopfbüchse, die die Ventilspindel ebenfalls umschließen, werden im Ventilspindel-Durchgang oberhalb des O-Rings so gehalten, dass sie ihn nicht zusammenpressen. Als Ergebnis wird der O-Ring in einem Zustand "kontrollierten Zusammendrückens" gehalten, in dem er nur radialer Kompression unterworfen ist. Die sekundäre Dichtungsscheibe fungiert aufgrund von Presssitz als Sperre und fungiert auch als O-Ring-Stütze. Die Stopfbüchse dient als Ventilspindelführung, die Anschläge bereitstellt, die das Öffnen und Schließen der Ventilspindel begrenzen. Die Feder und die Stopfbüchse werden von einer Rückhalteeinrichtung in Position gehalten und halten als Ergebnis einen Aufwärtsdruck auf die Ventilspindel aufrecht, so dass ein Flansch am unteren Ende der Ventilspindel die Haupt-Dichtungsscheibe gegen die Oberseite der unteren Ausnehmung und die radiale Wand der Ausnehmung zusammendrückt, so dass das Austreten von Kühlmittel in den die Ventilspindel aufnehmenden Durchgang verhindert wird. Dadurch wird verhindert, dass das Kühlmittel in die den O-Ring haltende obere Ausnehmung gelangt.
- Der Back-up-Ring dient dazu, das Hindurchlassen von Fluid zu verhindern, sollte die Haupt-Dichtungsscheibe versagen, während durch das Bereitstellen der Lappen an der ringförmigen Stopfbüchse die Drehung der Ventilspindel auf 90º Bewegung zwischen der offenen und der geschlossenen Position beschränkt wird.
- Die Kappe schützt die freiliegenden Abschnitte der Ventilspindel und Ventilspindel- Dichtungskonfiguration, und die Kappendichtung verhindert, dass Verunreinigungen in die Kappe gelangen, wobei diese Kappendichtung so konstruiert ist, dass sie als primärer Druckablass fungiert, wenn Überdrücke im System abgelassen werden müssen.
- Ein umfassenderes Verständnis des Wesens und des Schutzumfangs der Erfindung kann aufgrund der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen davon in Verbindung mit den angefügten Ansprüchen und den beiliegenden Zeichnungen gewonnen werden.
- Fig. 1 ist eine vertikale Querschnittansicht eines Kugelventils mit Vierteldrehung in der offenen Position, die eine bevorzugte Ausführungsform der Ventilspindel-Dichtungskonfiguration gemäß vorliegender Erfindung umfasst, wobei eine Sicherungsmutter als Rückhalteeinrichtung verwendet wird;
- Fig. 2 ist eine vertikale Querschnittansicht des Ventils von Fig. 1, worin die Sicherungsmutter als Rückhalteeinrichtung durch eine Schnappscheibe ersetzt worden ist;
- Fig. 3 ist eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht von oben entlang Linie 1-1 der Ventile der Fig. 1 und 2.
- Ein Kugelventil mit Vierteldrehung, das die Ventilspindel-Dichtungskonfiguration gemäß vorliegender Erfindung umfasst, ist in Fig. 1 allgemein mit 3 bezeichnet. Ventil 3 umfasst einen allgemein mit 5 bezeichneten Ventilkörper. Der Ventilkörper 5 umfasst einen Kugelventilelement-Aufnahmeabschnitt und einen Ventilspindel-Aufnahmeabschnitt. Im Kugelventilelement-Aufnahmeabschnitt von Körper 5 sind ein Kugelventilelement 7 und Kugeldichtungen 9 enthalten. Im Ventilspindel-Aufnahmeabschnitt sind eine Ventilspindel 11 und die allgemein mit 13 bezeichnete Ventilspindel-Dichtungskonfiguration enthalten.
- Das Kugelventilelement 7 ist um eine Achse Y-Y drehbar und umfasst einen es durchquerenden Fluiddurchgang 15, der mit den Fluidleitungseingangs- und -ausgangsöffnungen 19 und 21 kommuniziert, wenn er sich in der geöffneten Position befindet, wie in Fig. 1 gezeigt. Fluid strömt durch den Durchgang in eine Richtung parallel zu Achse X-X, wenn sich das Kugelventilelement in seiner geöffneten Position befindet. Alternativ dazu wird, wie leicht zu verstehen, das Kugelventilelement 7 durch eine Vierteldrehung in die geschlossene Position gebracht, in der Kommunikation und somit das Strömen von Fluid zwischen den Fluidleitungseinlass- und -auslassöffnungen 19 und 21 verhindert wird. Der Fluiddurchgang 15 im Kugelventilelement 7 hat im Wesentlichen den gleichen Querschnitt wie die Fluidleitungen, für die das Ventil 3 dienen soll. Kugeldichtungen 9 aus Teflon oder anderen geeigneten Materialien verhindern das Austreten von Fluid um das Kugelelement 7 herum. Die Ventilspindel 11 greift in Schlitz 23 im Kugelelement 7 ein, wodurch das Kugelelement 7 gedreht wird, wenn die Ventilspindel 11 um die Achse Y-Y gedreht wird.
- Die Ventilspindel 11 kann so betätigt werden, dass das Kugelelement 7 um 90º zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position gedreht wird. Die Ventilspindel 11 erstreckt sich entlang Achse Y-Y und ist drehbar im unteren Muffenabschnitt 25 des Ventilspindel-Aufnahmeabschnitts von Körper 5 gelagert und angelenkt. Das untere Ende der Ventilspindel 11 ist so geformt, dass es in Schlitz 23 im Kugelventilelement 7 eingreift, und weist auch einen Flansch 27 auf. Der obere Abschnitt von Ventilspindel 11 erstreckt sich über die Ventilspindel-Dichtungskonfiguration 13 und den Ventilkörper 5 hinaus und ist so geformt, dass das Ineinandergreifen mit einem Werkzeug möglich ist, das zum Drehen der Ventilspindel 11 verwendet wird. Der obere Abschnitt der Ventilspindel 11 ist auch mit einem Gewinde versehen, um das Anbringen einer Sicherungsmutter zu ermöglichen.
- Die allgemein mit 13 bezeichnete Ventilspindel-Dichtungskonfiguration ist in ringförmigen Ausnehmungen im Ventilkörper 5 angeordnet, der die Ventilspindel 11 umgibt. Eine Haupt-Dichtungsscheibe 29 aus Teflon oder anderem geeigneten Material, die dem Hindurchgehen von Fluid durch das Ventil 3 entgegenwirkt, sitzt im oberen Ende der unteren ringförmigen Ausnehmung 31, unterhalb des Muffenabschnitts 25 angeordnet. In der ringförmigen Ausnehmung 33, oberhalb des Muffenabschnitts 25 angeordnet, sitzt ein Back-up-Ring 35 auf Teflon, Nylon oder anderem geeigneten Material. Der Back-up-Ring 35 weist vorzugsweise einen Presssitz sowohl an seinem Innenumfang mit der Ventilspindel 11 und an seinem Außenumfang mit der Seitenwand der ringförmigen Ausnehmung 33 auf und dient so dazu, das Hindurchgehen von Fluid zu verhindern, sollte die Haupt-Dichtungsscheibe 29 versagen. Oberhalb von Back-up- Ring 35 ist O-Ring 37 angeordnet. O-Ring 37 weist ebenfalls eine Presspassung mit der Ventilspindel 11 und der Seitenwand der ringförmigen Ausnehmung 33 auf. Oberhalb der ringförmigen Ausnehmung 33 ist eine ringförmige Ausnehmung 39 mit größerem Durchmesser angeordnet. Auf dem Ansatz, der zwischen der ringförmigen Ausnehmung 33 und der ringförmigen Ausnehmung 39 mit größerem Durchmesser ausgebildet ist, ruht eine Scheibe 41 auf. Eine schematisch bei 43 gezeigte Wellenfeder befindet sich in Sandwichanordnung zwischen Scheibe 41 und einer Stopfbüchse 45, die als Spindelführung dient. Die Scheibe 41 trägt die Wellenfeder 43. Diese Anordnung ermöglicht es, den O-Ring 37 in einem Zustand "kontrollierten Zusammendrückens" zu halten, in dem er nur radialer Kompression ausgesetzt ist. Eine Sicherungsmutter 47 ist oberhalb der Spindelführung 45 auf den oberen Abschnitt von Ventilspindel 11 aufgeschraubt und drückt die Wellenfeder 43 zwischen der Spindelführung 45 und der Scheibe 41 zusammen. Diese Kompression bewirkt, dass auf die Ventilspindel 11 ein Aufwärtsschub ausgeübt wird, was bewirkt, dass der Ventilspindelflansch 27 die Haupt- Dichtungsscheibe 29 gegen das obere Ende der unteren ringförmigen Ausnehmung 31 und die radiale Wand der Ausnehmung 31 zusammendrückt, so dass eine Dichtung damit gebildet wird.
- Kappe 49 lässt sich auf den oberen Abschnitt von Ventilkörper 5 aufschrauben, um die freiliegenden Abschnitte von Ventilspindel 11 und Ventilspindel-Dichtungskonfiguration 13 zu schützen. Die Kappendichtung 51 verhindert das Eindringen von Verunreinigungen in Kappe 49. Die Kappendichtung 51 ist so konstruiert, dass sie als primärer Druckablass fungiert, wenn Überdrücke im System abgelassen werden müssen. Durch Drehen der Kappendichtung 51 über die Einschließungsfläche auf Ventilkörper 5 hinaus kommt die Kappendichtung außer Eingriff, bevor die Kappe 49 abgeschraubt ist.
- Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Ventils 3 von Fig. 1, worin die Sicherungsmutter 47 von Fig. 1 durch einen Rückhaltering 53 ersetzt worden ist und der obere Abschnitt von Ventilspindel 11 eine Rille aufweist, um den Rückhaltering 53 aufzunehmen.
- Nun auf Fig. 3 Bezug nehmend wird darin der obere Abschnitt von Spindelführung 45 gezeigt. Ein Abschnitt von Kappe 39 und Sicherungsmutter 47 von Fig. 1 (oder der Rückhaltering von Fig. 2) sind weggelassen worden. Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt, passt Flansch 55 auf der Spindelführung 45 in einen Ausschnitt 50 am oberen Abschnitt von Ventilkörper 5. Dadurch wird verhindert, dass sich die Spindelführung 45 dreht, wenn die Ventilspindel 11 gedreht wird. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, bewirken die Lappen 57 und 59 an der Spindelführung 45, dass die Drehung der Ventilspindel 11 auf 90º Bewegung zwischen der offenen und der geschlossenen Position beschränkt ist.
- Nachdem die Erfindung allgemein im Detail in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben worden ist, die zur Zeit bevorzugte Ausführungsformen davon zeigen, wird es Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung möglich sein, die Erfindung entweder gemäß dem offenbarten Ausführungsformen oder gemäß anderen Ausführungsformen in die Praxis umzusetzen, ohne dass vom Schutzumfang der angefügten Ansprüche abgegangen wird.
Claims (4)
1. Kugelventil, umfassend Ventilkörpermittel (5), die einen Hohlraum zum Aufnehmen
eines Kugelventilelements (7), das in seiner vertikalen Achse (Y-Y) drehbar ist, eine
Einlassöffnung (19), eine Auslassöffnung (21) und einen die Ventilspindel
aufnehmenden Durchgang, der mit der vertikalen Achse (Y-Y) axial ausgerichtet ist, ein
Kugelventilelement (7), das im Hohlraum angeordnet ist und einen Durchgang (15)
aufweist, der für Kommunikation zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung (19, 21)
sorgt, sowie eine Ventilspindel (11) aufweisen, die innerhalb des Ventilspindel-
Aufnahmedurchgangs angeordnet ist und an ihrem unteren Ende operativ mit dem
Kugelventilelement (7) verbunden ist,
wobei der Ventilspindel-Aufnahmedurchgang eine untere ringförmige Ausnehmung (31)
und, nach oben davon beabstandet, eine obere ringförmige Ausnehmung (33) aufweist,
eine Haupt-Dichtungsscheibe (29), die gegen durch das Kugelventil hindurchgehendes
Fluid beständig ist und im oberen Ende der unteren ringförmigen Ausnehmung (31) sitzt
und die Ventilspindel (11) umschließt,
einen O-Ring (37), der innerhalb des untersten Abschnitts der oberen ringförmigen
Ausnehmung (33) sitzt und unter radialer Kompressionsumklammerung die
Ventilspindel (11) umschließt und frei von axialer Kompression ist,
ringförmige Federmittel (43) und eine ringförmige Stopfbüchse (45), die die
Ventilspindel (11) umgeben und in der oberen ringförmigen Ausnehmung (33) oberhalb des
O-Rings (37) angeordnet sind, sowie
eine Rückhalteeinrichtung (47), die sich in Juxtaposition zum oberen der ringförmigen
Federmittel (43) bzw. der ringförmigen Stopfbüchse (45) befindet,
wobei die Ventilspindel (11) einen ringförmigen Flansch (27) an ihrem unteren Ende,
der unter nach oben gehenden Ineinandergreifen mit der Unterseite der Haupt-
Dichtungsscheibe (29) in die untere ringförmige Ausnehmung (31) passt, sowie ein über
die Rückhalteeinrichtung (47) ragendes oberes Ende aufweist, das mit einem Werkzeug
in Eingriff gebracht werden kann, um die Ventilspindel (11) gemeinsam mit dem
Kugelventilelement (7) zu drehen,
wobei die Rückhalteeinrichtung (47) gegen das obere der ringförmigen Federmittel (43)
bzw. der Stopfbüchse (45) niedergehalten wird, so dass das Federmittel (43) unter
Kompression gehalten wird, wodurch ein Aufwärtsschub auf die Ventilspindel (11)
beibehalten wird, wodurch der ringförmige Flansch (27) aufwärts gerichteten und
radialen dichtungsbildenden Eingriff mit der Haupt-Dichtungsscheibe (29) beibehält,
gekennzeichnet durch
einen Back-up-Ring (35), der dem Hindurchgehen von Fluid durch das Kugelventil
entgegenwirkt und unterhalb des O-Rings (37) innerhalb des untersten Abschnitts der
oberen ringförmigen Ausnehmung (33) sitzt und sich unter umschließendem radialem
Kompressionseingriff zwischen der Ventilspindel (11) und dem Ventilkörpermittel (5)
befindet,
wobei die ringförmige Stopfbüchse eine Ventilspindelführung (45) ist, die nach innen
ragende Lappen (57, 59) aufweist, die als Anschläge fungieren, um die Drehung der
Ventilspindel (11) zu begrenzen, und
eine Kappe (49), die in Gewindeeingriff mit dem Ventilkörpermittel (5) als Abdeckung
für den oberen Abschnitt der Ventilspindel (11) fungiert und eine Kappendichtung (51)
aufweist, die als Druckablass fungiert, indem sie vor dem Lösen des Gewindeeingriffs
zwischen der Kappe (49) und dem Ventilkörpermittel (5) durch Drehen vom
Ventilkörpermittel (5) außer Eingriff kommt.
2. Kugelventil nach Anspruch 1, worin die Rückhalteeinrichtung eine Sicherungsmutter
(47) ist, die sich im Gewindeeingriff mit der Ventilspindel (11) befindet.
3. Kugelventil nach Anspruch 1, worin die Rückhalteeinrichtung ein Rückhaltering (53)
ist.
4. Kugelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Federmittel eine
Federscheibe (43) ist.
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