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Die
vorliegende Erfindung betrifft Dichtungen für Ventile zur Steuerung des
Flusses eines Fluids. Insbesondere betrifft die Erfindung Ventildichtungen, die
mit elastomeren oder plastikartigen Verbund-Materialen gebildet
sind, die einen verhältnismäßig harten,
nicht-deformierbaren
Bereich sowie zumindest einen stärker
deformierbaren, elastischen Bereich aufweisen. Die Erfindung betrifft
auch ein Verfahren zur Formgebung oder Bildung derartiger Verbund-Dichtungen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es
ist seit langem bekannt, Ventilflächen, die in Einrichtungen
zur Steuerung des Flusses eines Fluids eingesetzt werden, mit Dichtungen
auszustatten, die aus verhältnismäßig weichem
Gummi oder ähnlichen
elastomeren Materialien gebildet sind. Für andere Anwendungen ist es
bekannt, als austauschbare Ventil-Dichtungs-Komponenten steifere
synthetische Grundstoffe oder Plastik-Materialien, wie beispielsweise
Polytetraflourethylen (PTFE), zu verwenden, vgl. bspw. Patent
US 4,531,532 .
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Oftmals
werden Dichtungs-Materialien auf Basis eines Kompromisses zwischen
dem Bedarf hinsichtlich einer Dimensions-Stabilität der Materialien,
die üblicherweise
gewährleistet
wird durch Einsatz harter Kunststoffmaterialien oder Elastomere
mit hoher Härte,
sowie andererseits dem Bedarf, dass die abdichtenden Oberflächen oder
Flächen
(im Folgenden Oberflächen)
der Dichtungen weich und kompressibel sind zur Gewährleistung
einer guten Dicht-Effizienz, ausgewählt. Weitere Einsatzfälle, in denen
Kompromisse einzugehen sind, treten beispielsweise dann auf, wenn
die Betriebstemperaturen des Ventil-Systems derart sind, dass keines
der vorhandenen Materialien uneingeschränkt geeignet ist.
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US 3,861,646 beschreibt
einen Ventilkörper, der
durch Einspritzen von Gummi durch einen Kanal hergestellt ist, welcher
sich entlang einer zentralen Längsachse
eines zylindrischen Körpers
erstreckt und einen konisch geformten Endbereich besitzt, sowie
durch Herausspritzen durch ein Paar von Querkanälen zur Bildung einer abdichtenden
Oberfläche mit
einer flexiblen Lippe.
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EP 0 785 384 A1 offenbart
ein Rückschlagventil
oder Schnüffelventil,
welches ein äußeres Kunststoff-Tragelement
aufweist, welches eine Durchgangsbohrung besitzt, die lösbar ein
Gummi-Ventil-Dichtelement aufnimmt und hält. Das Dichtelement bildet
einen Schiebesitz in dem Tragelement.
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Angesichts
der genannten vielfältigen
Einschränkungen
besteht ein Bedarf fort hinsichtlich Dichtungs-Materialien, welche
die genannten Vorteile, wie beispielsweise die Dimensions-Stabilität, die Toleranz
gegenüber
fehlerhafter Verwendung, die Temperatur-Stabilität, die Weichheit und Kompressibilität vereinigen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird eine Ventildichtung gemäß Anspruch
1 vorgeschlagen.
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Eine
wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Dichtungen vorzuschlagen,
die einen Hauptkörperbereich,
der mit einem härteren,
weniger deformierbaren Material gebildet ist, und kompressible abdichtende
Oberflächen,
die mit verhältnismäßig weicheren,
deformierbaren Materialien gebildet sind, besitzen. Eine weitere
Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Formgebung oder Bildung von Dichtungen aus
Verbund-Materialien vorzuschlagen.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung die Bereitstellung von Dichtungen, die eine
ausreichende Steifigkeit in dem Hauptkörperbereich besitzen, um als "Aufschnapp"-Dichtung zu dienen
gemäß dem Dichtungstyp,
der in dem Patent
US 4,531,532 dargestellt ist,
während
zur gleichen Zeit dichtende Oberflächen vorhanden sein sollen,
die geeignet angepasst sein sollen, um in Wechselwirkung mit einem
Ventilsitz und einem Stößel zu treten
und die substantiell elastischer sind und somit besser angepasst
sind zur Abdichtung der beaufschlagten Ventil-Oberflächen bis zu
einem Ausmaß,
welches nicht erzielbar ist mit Materialien des weniger nachgiebigen
Hauptkörperbereiches.
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Ein
weiterer zugeordneter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft
die Bereitstellung eines Hauptkörperbereiches
einer Dichtung, in dem Öffnungen
vorgesehen sind, durch die das verhältnismäßig härtere Material und durch die
das weichere Material gegossen oder gespritzt wird mit dem Ergebnis,
dass ein Teil des verhältnismäßig weicheren
Materiales an jedem Ende der Öffnungen
angeordnet ist und somit auf gegenüber liegenden Seiten der Dichtung angeordnet
ist. Ein geeignetes Verbindungsmittel wird eingesetzt, um das weichere
Material fest am Einsatzort auf oder an dem Dichtungs-Hauptkörperbereich
zu verankern. Demgemäß bildet
das weichere Material die dichtende Oberfläche der Dichtung und ist auf
zwei Seiten des Haupt-Körperbereiches verankert.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung bilden beide gefüllten Vertiefungen
eine abdichtende Oberfläche
der Dichtung. In einer Ausführungsform ist
die Dichtung grundsätzlich
ringförmig,
und die gegenüber
liegenden Vertiefungen sind auf gegenüber liegenden Seiten des Ringes
angeordnet und erstrecken sich in Umfangsrichtung um den Ring oder
umgeben diesen.
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Weitere
Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann
auf Grundlage der folgenden detaillierten Beschreibung, der Ansprüche und
der Zeichnungen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Teilschnitt einer Form einer Vorrichtung zur Steuerung eines
Nahrungsmittelflusses mit einem Ventil unter Einsatz einer Dichtung
entsprechend der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht, wobei
die Ventilstößelbaugruppe
in der offenen Position dargestellt ist;
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2 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht einer Form-Baugruppe, die in dem
Verfahren zur Bildung oder Formgebung von Dichtungen entsprechend
der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
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3 ist
eine Draufsicht eines Formlings (engl.: "blank"), der den steiferen Körperbereich
einer Ventil-Dichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung bildet;
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4 ist
eine geschnittene Ansicht bei Schnittführung entlang der Schnittlinie
4-4 gemäß 3;
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5 ist
eine Draufsicht der Dichtung, die durch Formen, Gießen oder
Spritzgießen
eines verhältnismäßig weichen
Materiales auf den Formling gemäß 3 gebildet
ist;
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6 ist
eine geschnittene Ansicht bei Schnittführung entlang Schnittlinie
6-6 gemäß 5;
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7 ist
eine Draufsicht, in der Teile weggebrochen sind, die eine Verbund-Dichtung
entsprechend einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung zeigt; und
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8 ist
eine geschnittene Ansicht bei Schnittführung entlang Schnittlinie
8-8 gemäß 7.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß 1 ist
ein Ventil 10 zur Steuerung des Flusses eines Fluides dargestellt,
welches eine Dichtung 30 entsprechend der vorliegenden
Erfindung aufweist. Das Ventil ist insbesondere nützlich für das Handling
von Flüssigkeiten
und viskosen Nahrungsmittel-Produkten und Getränken. Allerdings ist die Erfindung
nicht begrenzt auf sanitäre
Einsatzgebiete.
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Das
Steuerventil
10 beinhaltet einen (nicht dargestellten)
Aktuator. Hinsichtlich weiterer Details der Steuerventil-Baugruppe
wird Bezug genommen auf das zuvor erwähnte Patent
US 4,531,532 . Der Ventil-Mechanismus
ist montiert mit einem Ventilkörper-Bereich
17 mit
Anschlüssen
18 und
21.
Der Ventilstößelschaft
13 betätigt die
Ventilstößelbaugruppe
25,
die in eine lineare Richtung entlang der Längsachse des Ventilstößelschaftes
13 betätigt wird.
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In
1 ist
das Ventil in geöffnetem
Zustand dargestellt, so dass Fluid, welches in den Anschluss
21 eintritt,
aus dem Anschluss
18 herausfließen kann. Die Baugruppe
25 beinhaltet
eine Dichtung
30. Um die Dichtung
30 auf dem Ventilstößelende
zu halten, sind Schultern vorgesehen, die in dem Patent
US 4,531,532 beschrieben
sind. Diese Schultern halten die Dichtung auf dem Ventilstößel
13 und
unterstützen
die Dichtung, wenn diese gegen den Ventilsitz
19 gepresst
wird.
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Wie
in dem Patent
US 4,531,532 beschrieben
ist, ist die Dichtung
30 mit einem ringförmigen Ring
45 mit
grundsätzlich
rechteckförmigem
Querschnitt ausgebildet. Eine innere Oberfläche
46 des Ringes
ist derart geformt, dass diese mit einem Ventilstößel-Körper
25 korrespondiert,
an den diese angepasst ist. Eine dichtende Oberfläche
47 ist
geeignet geformt, um den Ventilsitz
19 zu kontaktieren
und eine Abdichtung zu gewährleisten.
Dichtung
30 beinhaltet einen hohlen kegelstumpfförmigen Abschnitt
49,
welcher sich von einer Seite des Ringes
45 erstreckt. Der
Abschnitt
49 ist durch grundsätzlich parallele externe und
innere Oberflächen
51 und
53 begrenzt.
Die innere Oberfläche
53 korrespondiert
mit der Oberfläche
des Ventilstößels
25.
Um einen schnellen und ökonomischen
Austausch der Dichtung
30 zu ermöglichen, ist der kegelstumpfförmige Abschnitt
49 mit
einer Vielzahl von Schlitzen
57 gebildet. Die Schlitze
erstrecken sich von der Oberfläche
55 zu
dem Ring
45.
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Wenn
die Dichtung
30 in Wirkverbindung mit dem Ventilstößel
25 gedrückt wird,
werden die Finger
59 auswärts ausgelenkt, wenn diese über eine
Schulter auf dem Ventilstößel treten.
Wie in dem Patent
US 4,531,532 beschrieben
ist, schnappen die Finger zurück
in die nicht ausgelenkte Position, um die Dichtung auf dem Ventilstößel
25 zu
halten.
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Die
Verbund-Dichtung 30 gemäß 5 und 6 ist
gebildet ausgehend von einem Formling 60 eines hochfesten
Elastomermaterials. Der Formling 60 ist mit kreisförmigen Rillen 62 und 64 um
die obere und untere Oberfläche
des Ringes 45 ausgestattet. Mehrere Öffnungen 66 verbinden
die obere und untere Vertiefung 62 und 64. Der
Formling 60 kann aus einem PTFE-Harz gebildet sein oder einem verhältnismäßig steifen
Elastomermaterial wie beispielsweise Buna-Gummi mit einer Härte Shore
D von ungefähr 49
bis 55 (ASTM D2240).
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Zum
Formen, Gießen
oder Spritzgießen
einer Verbund-Dichtung 30 wird der Formling 60 in
einer Form 70 angeordnet, die für eine Ausgestaltung mit einer
oberen Form-Komponente 72 und einer unteren Form-Komponente 74 dargestellt
ist. Die Form-Komponenten 72 und 74 definieren
eine Formkavität 73,
die – mit
Ausnahme des Bereiches der Vertiefungen 62 und 64 – eng die
Oberflächen
des Formlings 60 nachbilden. Ein geeigneter Kanal, ein Tor
oder eine Schraube ist vorgesehen für das Einfließen oder
Einbringen eines gießfähigen Elastomermateriales 80 oder
spritzgießförmigen Elastomermateriales
in die Formkavität 73.
Geeignete Formoberflächen 78 und 79 sind
vorgesehen zwecks Bildung abdichtender Oberflächen 47 und 82 auf oder
an der Verbund-Dichtung. Die Vertiefungen 62 und 64 des
Formlings 60 werden mit einem adhäsiven Mittel oder Verbindungsmittel überzogen,
um sicher das weiche Gummi an das verhältnismäßig härtere Material des Formlings 60 anzubinden.
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Wie
in 2 zu erkennen ist, ermöglicht die Reihe der Öffnungen 66 zwischen
der oberen Vertiefung 62 und der unteren Vertiefung 64 den
Fluss von Elastomermaterial 80, um sowohl die obere als
auch die untere Vertiefung 62 und 64 zu füllen. Nach
einem Zurechtschneiden jedweden unerwünschten Materiales aus dem
Schrauben-Bereich ist die Verbund-Dichtung 30, die in 5 und 6 dargestellt ist,
fertiggestellt. Das weiche, deformierbare Elastomermaterial kann
beispielsweise ein Buna-M-Gummi sein mit einer Härte Shore A von ungefähr 60 bis
70 (ASTM D2240).
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Da
die obere und untere Vertiefung 62, 64 jeweils
mit dem weicheren Elastomermaterial gefüllt sind und miteinander verbunden
sind durch das Elastomermaterial, welches in den Öffnungen 66,
die in Umfangsrichtung um die Dichtung verteilt sind, enthalten
ist, ist – wie
in 5 und 6 zu erkennen ist – das verhältnismäßig weichere
Elastomermaterial physikalisch ebenso mit dem Hauptkörper 60 adhäsiv verbunden.
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In
der weiteren Ausführungsform,
die in 7 und 8 dargestellt ist, ist eine
alternative Form einer Dichtung 90 zu erkennen. Die Dichtung 90 ist
mit demselben Profil gebildet wie die Dichtung 30. Ein
Ring 91 mit grundsätzlich
rechteckförmigem Querschnitt
ist mit einer inneren Oberfläche 93 und einem
kegelstumpfförmigen
Abschnitt 94, der in einer Oberfläche 90 endet, ausgestattet.
Oberfläche 90 besitzt
eine kreisförmige
Konfiguration, wie in 7 zu erkennen ist. Dies ermöglicht eine
Anordnung über einem
Stößel, beispielsweise
mit einer gekerbten, eingeschnittenen oder nicht-kreisförmigen Konfiguration,
was ein Schnappen auf den Ventilstößel der Dichtung 90 ermöglicht.
Wie für
die Ausgestaltung der Dichtung 30 sind Vertiefungen auf
gegenüber
liegenden Seiten des Ringes 91 vorhanden. Öffnungen 66 verbinden
die Vertiefungen auf gegenüberliegenden
Seiten des Ringes 91. Somit kann unter Einsatz der verbindenden Öffnungen 67 zwecks
Gewährleistung
eines Flusses des Elastomermateriales sowohl in die Vertiefung 62 als
auch die Vertiefung 64 ein verhältnismäßig weiches Elastomermaterial 80 in
die Vertiefungen gegossen, gedrückt
oder gespritzt werden. Eine dichtende Oberfläche 92 ist vorgesehen, die
geeignet gestaltet ist, um abdichtend mit einem Ventilsitz in Wirkverbindung
zu treten. Die abdichtende Oberfläche 82 vervollständigt die
erforderliche Abdichtung des Sitzes gegenüber dem Stößel. Hinsichtlich weiterer
Aspekte ist die Verbund-Ventil-Dichtung 90 ähnlich der
Dichtung 30.
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Zahlreiche
adhäsive
Mittel oder Verbindungsmittel können
eingesetzt werden, um das harte und weiche Gummimaterial zu den
erfindungsgemäßen Zwecken
miteinander zu verbinden. Beispiele geeigneter bevorzugter Verbindungsmittel
sind farbenähnliche
Materialien wie beispielsweise solche, die als Chemlock 205 oder
Chemlock 220 bezeichnet werden und von dem Unternehmen Lord Adhesive Co.
Of Eire, Pa. vertrieben werden. Weitere mögliche adhäsive Mittel sind solche, die
auf Nitril-Copolymeren, Butadien, natürlichem Gummi, Organo-Polysiloxanen, metha-crylischen
Estern, Block-Copolymeren, Acrylonitril-Butadien-Styren-(ABS)-Copolymeren
oder Copolymeren von konjugierten Dienen oder monoethylenischen,
nichtgesättigten
Monomeren basieren. Weitere geeignete adhäsive Mittel sind dem Fachmann
bekannt.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass für
die harten und weichen Komponenten der Verbund-Dichtungen vielfältige Polymere eingesetzt werden
können.
Diese beinhalten zahlreiche thermoplastische spritzbare oder gießbare Materialien
oder Gummimaterialien, die sowohl natürlich als auch synthetisch
sein können.
Form-, Spritz- oder Gieß-Bedingungen
können
abhängig
sein von den jeweiligen harten und weichen Elastomeren, die eingesetzt
werden,