NO167880B - Ventilanordning. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en ventilanordning som omfatter et ventilhus med en gjennomgående strømningskanal, et ventillegeme som er dreibart i ventilhuset, mellom åpen og lukket stilling, idet ventillegemet har en tetteflate, idet et ringformet sete av polymer er anordnet i ventilhuset, og har et utover åpent, ringformet spor og en seteflate innrettet til å komme til anlegg med tetteflaten på ventillegemet når ventillegemet er lukket, og idet en fjæranordning befinner seg i sporet.

Ventiler som omfatter dreibare ventillegemer, slik som spjeldventiler, brukes i stor utstrekning i industrien, for regulering og styring av fluidstrommer. Slike ventiler, særlig spjeldventiler, har vært brukt for styring av forskjellige fluidstrømmer ved omgivelsestemperaturer eller moderate temperaturer og trykk, ettersom materialene som vanligvis benyttes i setene til slike ventiler har en tendens til å flyte eller å ekstruderes ved høye temperaturer, slik at det oppstår lekkasje i ventilen. Dessuten er mange slike materialer, f. eks visse typer gummi, meget utsatt for kjemiske angrep fra visse fluider, og er således uakseptable for bruk i ventiler som benyttes for slike fluider.

Det finnes forskjellige polymermaterialer som er helt inerte, på den måte at de motstår kjemiske angrep og nedbrytning, og dessuten tåler høye temperaturer. Av slike polymerer skal nevnes fluorkarbonharpikser, slik som f. eks polytetrafluoretylen. Mens fiuorkarbonpolymerene har utmerkede egenskaper når det gjelder å motstå kjemiske angrep og tåler høye temperaturer, har de liten eller ingen elastisitet, og har en tendens til å kaldflyte når de utsettes for gjentatte belastninger. Slike polymerer mangler "formhukommelse" og når de komprimeres, gjentatte ganger eller i lengre perioder, inntar de ikke senere sin opprinnelige form. Ventilseter laget av polytetrafluoretylen eller lignende materialer vil etter at de er tilstrekkelig påkjent gjentatte ganger bli skadet pga kaldflyting, i en slik grad at de ikke tetter effektivt, og de medfører derfor lekkasje gjennom ventilen.

Det er kjent ventiler med dreibare ventillegemer, og som har seter der et tynt belegg av polytetrafluoretylen eller lignende material er påført et underlagsmaterial av gummi, for å oppnå en ventil med et sete som tåler kjemiske angrep, og som i en viss grad kan tåle høye temperaturer, men som ikke utsettes for kaldflyting pga elastisiteten i underlagsmateria-let av gummi. Det er også kjent ventiler med dreibare ventillegemer, i hvilke et sete av polytetrafluoretylen trykkes radialt innover ved hjelp av en fjær, for å hindre kaldflyting.

For seter der det benyttes fjærer eller elastomerer, f. eks

gummi, for å gi "formhukommelse" til et sete av polytetrafluoretylen, oppstår kontakt mellom ventilspjeldet og setet lenge før spjeldet er beveget til helt lukket stilling, og kontakten øker etter hvert som spjeldet beveges til lukket stilling. Denne kontakt mellom spjeld og sete bevirker slitasje, særlig i området ved opplagringen av spjeldet, dvs i de diametralt motstående områder der spjeldet er dreibart lagret gjennom setet. Ved slike kjente ventiler er dreiemomentet på spjeldet og således dimensjoneringen av aktuatoren av betyd-ning ettersom det oppstår betydelig motstand mot lukning lenge før spjeldet er beveget, til helt lukket stilling. Disse problemer kan delvis unngås ved bruken av spjeld som er for-satt til begge sider, hvilket kan hindre kontakt mellom spjeldet og setet i opptil 60 - 70°C av spjeldbevegelsen fra åpen til lukket stilling. Imidlertid vil det oppstå kontakt under de siste 20 - 30°C av bevegelsen, hvilket bevirker problemer med slitasje på setet.

Som eksempler på kjent teknikk i forbindelse med midler for tetning for dreibare ventillegemer skal nevnes følgende: DE-patentsøknad 2.235.988 beskriver et ventilsete for et spjeld, med en kabel som er innlagt i en rundtgående tette-ring, idet tetteringen har et spor for kabelen og befinner seg i et spor i setet. Kabelen holdes slakk mens spjeldet lukkes, og strammes deretter for å trykke tetteringen mot omkretsen av spjeldet. Kabelen må også slakkes før spjeldet åpnes. Det er med andre ord nødvendig å aktivere en stramme-og slakkemekanisme både etter at spjeldet er lukket og før spjeldet åpnes.

US-patent 4.266.752 beskriver et ventilsete som inneholder en elastomer ringkjerne. Denne må ha et nøyaktig dimensjonert tverrsnitt, for å passe inn i setet.

US-patent 4.130.285 beskriver en fjærring som befinner seg i et spor i et ventilsete. Fjærringen er en ring av kompakt metall, og den må være korrekt dimensjonert for å gi den ønskede tettevirkning.

US-patent 3.642.248 beskriver flere ringformede bånd som befinner seg inne i en ringformet skruefjær, for å trykke skruefjæren mot et ventilsete. Båndene må fremstilles med snevre toleranser, for å gi det ønskede trykk mot setet.

Med den foreliggende oppfinnelse er det kommet frem til en ventilanordning som angitt innledningsvis, og som kjenne-tegnes ved at fjæranordningen er i form av en enkelt materialstreng som danner en ringformet bunt av vindinger viklet rundt en ringformet endeflate i sporet, idet hver vinding har sin senterlinje orientert hovedsakelig perifert i forhold til seteflaten, idet i det minste noen av vindingene er i kontakt med setet, slik at vindingene er under strekk når ventilen er lukket.

Fjæranordningen er således dannet ved vikling av en enkelt materialstreng direkte mot endeflaten i sporet i setet.

Materialstrengen kan være dannet av et passende metall, med slike elastiske og styrkemessige egenskaper at i en viss stilling under bevegelsen av ventillegemet til lukket stilling vil setet og viklingene ekspandere radialt utover, hvilket bevirker strekkspenninger i viklingene. Slike spen-ninger vil bevirke en radialt innover rettet kraft som for-hindrer ekspansjon av setet og bevirker tetning mellom ventillegemet og setet. Kreftene ligner de krefter som oppstår i en tynnvegget trykkbeholder som utsettes for innvendig trykk.

En vesentlig fordel ved denne understøttelsen av setet er at viklingene har liten eller ingen evne til å danne motstand mot radial ekspansjon av setet før ventillegemet nesten er fullstendig lukket. Således vil kontakten mellom ventillegemet og setet når ventillegemet nærmer seg lukket stilling ikke bevirke en slik grad av kontakt som oppstår når setet på-virkes av en fjær eller en elastomer. Det oppnås derfor en vesentlig minsket seteslitasje og minsket dreiemoment på ventillegemet.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere, under henvisning til en foretrukket utførelsesform, vist på de vedføyde tegninger.

Fig. 1 viser et snitt gjennom en spjeldventil med et sete

i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 2 viser ventilen i fig. 1 sett fra siden.

Fig. 3 viser i forstørret målestokk, sett i snitt, en del av spjeldet, ventilsetet og ventilhuset vist i fig. 1, før stengning av spjeldet. Fig. 4 viser, på lignende måte som fig. 3, spjeldet, ventilsetet og ventilhuset, med spjeldet i lukket stilling. Fig. 5 viser virkningen av trykk på en side av ventil setet. Fig. 6 visr virkningen av trykk på den annen side av

ventilsetet.

Oppfinnelsen skal beskrives under henvisning til en spjeldventil, men det vil forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til en slik ventil. Ventilsetet kan anvendes for ventiler med andre typer dreibare ventillegemer, slik som f. eks en kuleventil, en pluggventil osv.

Fig. 1 viser en spjeldventil 10, med et hovedsakelig ringformet ventilhus 12 som har en gjennomgående fluidkanal 14. Ventilhuset 12 er beregnet for å anbringes mellom motstående rørflenser (ikke vist). Ut fra ventilhuset 12 rager en sylin-drisk hals 16 utformet i ett med huset 12. En flens 18 utformet på halsen 16 utgjør et middel for festing av en aktuator (ikke vist) til ventilen 10. Diametralt motsatt av halsen 16 rager et boss 20 ut fra huset 12.

Dreibart lagret i fluidkanalen 14 er et ventilspjeld 22, som har en rundtgående tetteflate 23 som er avrundet. Spjeldet 22 holdes av en første spindel 24 anordnet i en boring 26 i halsen 16 og en annen spindel 28 anordnet i en boring 30 i bosset 20. Spindelen 24 er festet til spjeldet 22 ved hjelp av tapper 34 og 36. På lignende måte er spindelen 28 festet til spjeldet 22 ved hjelp av en tapp 40.

Spindelen 24 er lagret i boringen 26 ved hjelp av en hylse 42. Fluidet hindres i å trenge ut fra ventilen 10 gjennom boringen 26 ved hjelp av pakningsringer 46, som holdes på plass av en pakningshylse 46. Den øvre ende 25 av spindelen 24 rager over den sirkelformede flensen 18, og har innbyrdes motstående, plane flater 48, som utgjør midler for anbrin-gelse av et ratt, en skruenøkkel eller annen aktuator, for å dreie spjeldet 22 for å åpne og lukke ventilen 10.

Spindelen 28 er lagret i boringen 30 ved hjelp av en hylse 50. Spindelen 28 har dessuten en utragende bolt 52 som er gjenget og skrudd inn i en gjenget boring 54 i en posisjone-ringshylse 56. Posisjoneringshylsen 56 har en flens 58 som ligger mot enden av bosset 26, for å hindre bevegelse av posisjoneringshylsen 56 i boringen 30. Posisjoneringshylsen 56 holder spjeldet 22 på riktig plass i akseretningen til spindlene 24 og 28. Posisjoneringshylsen 56 holdes på plass av en dekkplate 62, som også tetter boringen 30 mot fluid-lekkasje, idet dekkplaten er festet med bolter 80 til bosset 20, og har en utsparing for flensen 58, idet en pakning 63 er anordnet mellom dekkplaten 62 og bosset 20.

Tetning mellom spjeldet 22 og ventilhuset 12,rundt omkretsen av fluidkanalen 14, oppnås ved hjelp av et ringformet sete 60.

Setet 60 er anbragt i en utsparing 70 på en side av huset 12, hvilken utsparing har en ringformet skulder 71 (se fig. 3-6) utstyrt med ringformede riller 100 som rager aksialt ut fra skulderen 71. Når setet 60 er anbragt i ventilen 10 og ventilen 10 er festet mellom rørflenser, komprimeres setet 60 mot rillene 100 av en ringformet holdeplate 72 som er ført inn i en utsparing 74 på en side av huset 12. Det vil fremgå at holdeplaten 72 også er utstyrt med rundtgående riller 73.

Som vist i fig. 3-6, har setet 60 hovedsakelig U-formet tverrsnitt, med et radialt utover åpent, ringformet spor 68 avgrenset av rundtgående flenser 68a og 68b. I sporet 68 er anbragt en støttering 66, som kan være en splittet ring (se fig. 2) og er utstyrt med riller 101a og 101b på hver av sine aksialt vendende sider. I henhold til en foretrukket utførel-sesform er ventilsetet 60 og støtteringen 66 slik dimensjonert at summen av de aksiale tykkelser til flensene 68a og 68b og støtteringen 60 er større enn avstanden mellom rillene 100 på skulderen 61 og rillene 73 på holdeplaten 72. Følgelig, og fordi setet 60 er av et polymermaterial, vil rillene 101, 101b, 101a og 73, når platen er anbragt mot ventilhuset 12 og ventilen 10 er festet mellom rørflenser, trenge inn i flensene 68a og 68b, og bevirke fastholding av setet og tetning mellom det ytre kantparti av setet 60 og ventilhuset 12, og hindrer "utdriving" av setet når ventilen 10 utsettes for høyt trykk, et vanlig problem som oppstår med seter laget av polymermaterial.

Sporet 68 er innerst avgrenset av en buet flate 69. Viklet rundt flaten 69 er flere vindinger 102, av et material som er tilstrekkelig elastisk i lengderetningen til å virke som et elastisk bånd mot setet 60 når spjeldet 22 er i lukket stilling, slik at vindingene 102 strekkes i omkretsretningen når setet 60 og spjeldet 22 ligger tettende mot hverandre.

Vindingene 102 omfatter en enkelt tråd som er viklet flere ganger rundt flaten 69. I henhold til en foretrukket utførel-sesform er vindingene 102 viklet rundt flaten 69 slik at setet 60 ikke påvirkes før spjeldet 22 er nesten helt lukket, dvs at radiale krefter mellom setet 60 og spjeldet 22 er meget små. Det vil imidlertid forstås at dersom det ønskes et setetrykk for fullstending lukking, dvs før spjeldet 22 er ført fullstendig tettende mot setet 60, kan vindingene 102 være slik viklet at setet 60 er forspent, før spjeldet 22 er i kontakt med setet.

Vindingene 102 er fortrinnsvis dannet av metalliske materialer, slik som tråder av rustfritt stål eller lignende. Imidlertid kan også vindingene 102 være laget av andre materialer, slik som f. eks nylonfilamenter eller andre synte-tiske polymermaterialer, termoplastiske eller termoherdende, hvilke gir de nødvendige elastiske og styrkemessige egenskaper for å kunne gi en radialt innover virkende kraft på ventilsetet når ventilelementet og setet ligger tettende mot hverandre, hvorved trådene er strukket, dvs når ventilen er lukket. F. eks kan anvendes- filamenter av nylon, polyester osv. Det primære ved valg av material i vindingene 102 er at det har de nødvendige egenskaper som angitt ovenfor med hensyn til å gi radial kraft, og at det tåler de temperaturer som ventilen utsettes for. Når således ventilen skal benyttes for høyt trykk og høy temperatur, foretrekkes vindinger av et metallisk material. Uttrykket "tråd" benyttes her ikke bare om filamenter eller fibre, f. eks monofilamenter, men omfatter også flettet tråd eller lignende der de enkelte filamenter eller fibre er benyttet for å danne en sammensatt tråd av flere filamenter. Et eks. på en egnet multifilament-tråd for å danne vindingene 102 er et material kjent som ACCULON AN 27 fremstilt av Cable Strand Corporation, Long Beach, California. ACCULON AN 27 består av syv tråder med diameter på 0,125 mm, av 302 rustfritt stål, flettet og omgitt av et belegg av nylon. Som et typisk eksempel skal nevnes en spjeldventil med et sete som beskrevet ovenfor, og som er påviklet ti vindinger av ACCULON AN 27, hvilket sete har utmerkede egenskaper med hensyn til å tåle høy temperatur og høyt trykk.

Den foreliggende oppfinnelse angår særlig ventilseter som er laget av polymermaterial, enten naturlig eller syntetisk, som har liten eller ingen elastistitet og som har en tendens til å kaldflyte når det utsettes for gjentatte belastninger. Slike materialer mangler "formhukommelse", slik at når de utsettes for gjentatte eller varige belastninger, går de ikke tilbake til en form de hadde før belastningen. Et typisk eksempel på slike polymermaterialer er fluorkarbonharpikser, slik som polytetrafluoretylen. Fluorkarbonharpikser er vel egnet som polymermaterial for et ventilsete i henhold til den foreliggende oppfinnelse, pgs at de er kjemisk inerte og tåler høy temperatur. Polymermaterialet som ventilsetet lages av kan inneholde tilsetningsstoffer eller fyllstoffer, f. eks forsterkende materialer, og det kan være en blanding av to eller flere polymermaterialer, og materialet kan tilpasses de bruksforhold ventilen er beregnet til.

Det kan også være ønskelig å anordne midler for å hindre at trådene 102 skjærer inn i setet, særlig når trådene er metalliske. For dette formål kan metalltrådene innkapsles i et slitesterkt material, slik som nylon. Alternativt kan en avskjerming eller barriere anbringes mellom flaten 69 og vindingene 102. En slik barriere bør være av slitesterkt material, men må ikke hindre de nødvendige bevegelser av vindingene 102 og setet 60.

Fig. 3 viser ventilen i åpen tilstand, og det vil fremgå at setet har en ringformet, avskrådd anleggsflate 61. Når setet beveges i retning av pilen A, dvs mot lukket stilling (se fig. 4), uten at noen fluidstrøm eller noe trykk virker mot spjeldet 22, vil tetteflaten 23 på spjeldet 22 og den av-skrådde tetteflaten 61 på setet 60 komme i innbyrdes kontakt, og setet 60 vil bli deformert, i området 101, dvs at det vil deformeres aksialt mellom huset 12 og platen 72. I den tilstand som er vist i fig. 4, dvs når det ikke er noen strøm-ning eller noe trykk, og følgelig ingen deformasjon av spjeldet, trykkes setet 60 radialt utover, og den radiale ekspansjon medfører et trykk mellom spjeld og sete, dannet av vindingene 102 som strekkes i lengderetningen og medfører en kraft som virker radialt innover, og søker å trykke skråflaten 61 på setet 60 til tettende anlegg mot tetteflaten 23 på spjeldet 22.

Fig. 5 viser situasjonen når det skjer en strømning gjennom ventilen i retning av pilen P^, idet trykket som virker mot spjeldet 22 medfører en deformasjon av dette, hvilken kompenseres for ved at setet 60 beveger seg aksialt i strømnings-retningen, dvs i retning av pilen P]_. Imidlertid vil den radialt innover virkende kraft pga vindingene 102 opprett-holde et tilstrekkelig trykk mellom setet 60 og spjeldet, slik at det oppnås tetning selv om trykket inne i ventilhuset er forholdsvis høyt. Fig. 6 viser beliggenheten av spjeldet 22 og setet 60 når det virker et trykk som gir en kraft i retning av pilen P2, dvs i motsatt retning av den strømningretning som er vist i fig. 5. Som vist, kompenseres deformasjon av spjeldet ved aksial bevegelse av setet 60 mot holdeplaten 72. Det opprettholdes trykk mellom spjeldet og setet på grunn av den radiale kraft som dannes av vindingene 102, og skråflaten 61 på setet 60 og tetteflaten 23 på spjeldet 22 drives til innbyrdes tettende anlegg.

Claims (7)

1. Ventilanordning som omfatter et ventilhus (12) med en gjennomgående strømningskanal (14), et ventillegeme (22) som er dreibart i ventilhuset, mellom åpen og lukket stilling, idet ventillegemet har en tetteflate (23), idet et ringformet sete (60) av polymer er anordnet i ventilhuset, og har et utover åpent, ringformet spor (68) og en seteflate (61) innrettet til å komme til anlegg med tetteflaten (23) på ventillegemet (22) når ventillegemet er lukket, og idet en f jaer anordning (102) befinner seg i sporet, karakterisert ved at fjæranordningen er i form av en enkelt materialstreng som danner en ringformet bunt av vindinger viklet rundt en ringformet endeflate (69) i sporet (68) , idet hver vinding har sin senterlinje orientert hovedsakelig perifert i forhold til seteflaten (61), idet i det minste noen av vindingene er i kontakt med setet (60), slik at vindingene er under strekk når ventilen er lukket.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at et ringformet støtte-element (66) er anordnet i sporet (68).

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at støtteelementet (66) er en splittet ring.

4. Anordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at støtteelementet (66) er utstyrt med midler for fastholding av setet (60).

5. Anordning som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at setet (60) er dannet av fluorkarbonharpiks.

6. Anordning som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at vindingene består av metallisk material.

7. Anordning som angitt i krav 1 - 6, karakterisert ved at ventilen er en spjeldventil.