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Dokumentenidentifikation DE202006010374U1 13.12.2007
Titel Kugelhahn
Anmelder Rötelmann GmbH & Co., 58791 Werdohl, DE
Vertreter Haverkamp, J., Dipl.-Geol. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 58638 Iserlohn
DE-Aktenzeichen 202006010374
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 13.12.2007
Registration date 08.11.2007
Application date from patent application 30.06.2006
IPC-Hauptklasse F16K 5/06(2006.01)A, F, I, 20060630, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Kugelhahn mit einem drehbar in einem Gehäuseblock mit zumindest zwei Anschlussbohrungen gelagerten, wenigstens eine Durchtrittsbohrung aufweisenden Stellorgan und mit einer zumindest einer Anschlussbohrung zugeordneten Dichtungsanordnung, umfassend jeweils ein an der Mantelfläche des Stellorgans mittels eines Vorspannelements unter Vorspannung anliegenden, ringförmigen Dichtelement.

Ein derartiger Kugelhahn ist beispielsweise in DE 101 61 457 C2 beschrieben. Der in diesem Dokument beschriebene Kugelhahn verfügt über ein kugelartig ausgebildetes Stellorgan, welches in diesem Dokument als Absperrorgan bezeichnet ist. Das Stellorgan weist eine T-Bohrung auf. Das Stellorgan ist in einem Gehäuseblock gelagert und über eine Schaltwelle in ihre unterschiedlichen Schaltstellungen drehbar. In dem Gehäuseblock sind mehrere Anschlussbohrungen zum Anschließen von Zu- und Ableitungen eingebracht. Zum Abdichten der Mantelfläche des Stellorgans gegenüber den Anschlussbohrungen befindet sich in jeder Anschlussbohrung eine Dichtungsanordnung. Die Dichtungsanordnung umfasst ein ringförmiges, als Dichtschale ausgebildetes Dichtelement aus Kunststoff, das sich an seiner von der Mantelfläche des Stellorgans wegweisenden Seite an einem Vorspannelement abstützt. Als Vorspannelement dient ein elastischer Dichtring. Als Widerlager für den Dichtring dient ein in eine solche Anschlussbohrung eingeschraubter Einsatz, durch den der Dichtring gegen die Rückseite der Dichtschale gepresst und somit die Dichtschale mit ihrer zur Mantelfläche des Stellorgans weisenden Dichtfläche gegen dieselbe unter Vorspannung gestellt wird.

Derartige Kugelhähne eignen sich zum Einbau in flüssigkeits- oder gasführende Installationen. Derartige Installationen werden mitunter auch benötigt, um tiefgekühlte Gase, die die Installation dann als Flüssigkeit durchströmen, zu leiten. Stickstoff wird beispielsweise bei einer Temperatur von –200°C in seinem flüssigen Zustand gehalten und muss beispielsweise zum Abfüllen durch derartige Installationen hindurchgeleitet werden. Die zu dem vorstehend beschriebenen Kugelhahn gehörenden Dichtungsan-Ordnungen eignen sich jedoch nicht, damit der Kugelhahn in eine Installation eingebaut werden kann, die von tiefgekühlten Fluiden durchströmt werden sollen. Bei diesen tiefen Temperaturen verfügt der als Vorspannelement dienende elastische Dichtring nicht mehr über materialelastische Eigenschaften, um den gewünschten Anpressdruck der Dichtschale auf der Mantelfläche des Stellorgans bereitzustellen. Aufgrund der bei hohen Temperaturdifferenzen eintretenden Materialverformung, insbesondere unterschiedlichen Materialverformungsraten zwischen der Dichtschale aus Kunststoff und den übrigen Metallbestandteilen eines solchen Kugelhahnes eignet sich ein solcher Dichtring nicht, um den benötigten Stellhub allein aufgrund seiner Materialelastizität bereitzustellen.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten, gattungsgemäßen Kugelhahn dergestalt weiterzubilden, dass sich dieser ebenfalls für einen Einbau in Installationen eignet, die von tiefgekühlten Fluiden durchströmt werden sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen eingangs genannten, gattungsgemäßen Kugelhahn gelöst, bei dem das auf das Dichtelement wirkende Vorspannelement ein nach Art eines Wellrohres ausgebildeter Abschnitt als Teil eines in eine Anschlussbohrung des Gehäuseblockes eingesetzten und an dem Gehäuseblock festgelegten Einsatzes ist, wobei das Vorspannelement materialelastische Eigenschaften aufweist und das Vorspannelement gestaucht ist, wenn der Einsatz am Gehäuseblock festgelegt ist, welcher Einsatz zudem über einen Anschlussabschnitt verfügt, in welchem der Einsatz gegenüber dem Gehäuseblock abgedichtet ist.

Bei diesem Kugelhahn ist vorgesehen, dass zumindest einer der Anschlussbohrungen mit einer kälteunempflindlichen und vor allem gegen hohe Temperaturschwankungen unempfindlichen Dichtungsanordnung ausgestattet ist. Typischerweise handelt es sich bei dieser Anschlussbohrung um den Zulauf. Zweckmäßigerweise sind jedoch alle Anschlussbohrungen des Kugelhahns mit einer solchen Dichtungsanordnung ausgerüstet. Eine solche Dichtungsanordnung umfasst ein Vorspannelement, das nach Art eines Wellrohres ausgebildet ist. Das Vorspannelement ist Teil eines Einsatzes, und zwar zweckmäßigerweise an diesem angeformt.

Somit ist der Einsatz mit seinem Wellrohrabschnitt zweckmäßigerweise aus einem einzigen Werkstück gefertigt. Der Einsatz ist in die Anschlussbohrung des Gehäuseblockes eingesetzt und darin festgelegt, beispielsweise in die Anschlussbohrung eingeschraubt. Das Vorspannelement ist Teil des Einsatzes und wird durch den Vorgang des Einsetzens und Festlegens innerhalb der Anschlussbohrung gestaucht, da sich dieses mit seinem vorderen freien Endabschnitt an dem Dichtelement und dieses wiederum an der Mantelfläche des Stellorgans abstützt. Hierdurch wird die gewünschte Vorspannung zwischen dem Dichtelement und der Mantelfläche des Stellorgans bereitgestellt. Um dieses zu erreichen, weist das nicht vorgespannte Vorspannelement eine entsprechend größere axiale Erstreckung auf als in seiner gestauchten Stellung. Die eigentliche Vorspannkraft resultiert aus der Materialelastizität des Vorspannelementes, wobei die gewählte Wellrohrform des vorgespannten Spannelementes das Maß der Materialelastizität vorgibt. Dieses erfolgt in Abhängigkeit von der Höhe der einzelnen Wellabschnitte des Vorspannelementes. Diese Ausbildung gewährleistet, dass die Vorspannung, mit dem der Dichtring auf die Mantelfläche des Stellorgans wirkt, auch bei großen Temperaturschwankungen aufrechterhalten bleibt. Ein solches Vorspannelement kann unter Beibehaltung einer ausreichenden Vorspannung auch größere Längenänderungen kompensieren. Hier wirkt das Vorspannelement nach Art einer sich entspannenden Ziehharmonika.

Der Einsatz verfügt neben dem Vorspannelement über einen Anschlussabschnitt, mit dem der Einsatz gegenüber dem Gehäuseblock bzw. der Innenwand der Anschlussbohrung abgedichtet ist. Eine Längenänderung in axialer Richtung bezüglich des Stauchgrades des Vorspannelements erfolgt unabhängig von der äußeren Abdichtung des Einsatzes gegenüber der Innenwand der Anschlussbohrung. Typischerweise verfügt der Anschlussabschnitt des Einsatzes über Mittel zum Anschließen einer Leitung, insbesondere einer medienbeaufschlagten Leitung. Der Anschluss der Leitung braucht dann lediglich gegenüber dem Anschlussabschnitt des Einsatzes und nicht gegenüber weiteren Elementen, beispielsweise dem Gehäuseblock abgedichtet zu sein.

Das Vorspannelement ist zweckmäßigerweise aus einem Metallwerkstoff hergestellt, wobei Werkstoffe wie etwa Bronze oder Edelmetall bevorzugt sind. Diese Werkstoffe weisen nicht nur die notwendige Gasdichtheit auf, sondern bleiben auch innerhalb der zu betrachtenden Temperatur ausreichend materialelastisch.

Zum Herbeiführen der Abdichtung des Einsatzes gegenüber der Innenwand der Anschlussbohrung sind gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein oder mehrere Stufen vorgesehen. Durch diese ist der Durchmesser in Richtung zum Stellorgan hin jeweils verjüngt. Jede Stufe dient als Anlagefläche für einen Dichtring. Auch wenn grundsätzlich eine Abdichtung mit einer oder nur im Bereich einer Stufe ausreichend ist, wird man typischerweise aus Redundanzgründen zwei oder mehrere Stufen mit jeweils einem Dichtring vorsehen.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte 1 beschrieben. 1 zeigt einen schematisierten Querschnitt durch einen Kugelhahn 1, der als 2/2-Wege-Kugelhahn ausgebildet ist. Der Kugelhahn 1 verfügt über einen Gehäuseblock 2, in dem einen nach Art einer Kugel ausgebildeten Stellorgan 3 um die Achse der an das Stellorgan 3 angeschlossenen Schaltwelle 4 drehbar gelagert ist. Zum Betätigen der Schaltwelle 4 verfügt diese an ihrem aus dem Gehäuseblock 2 heraustretenden Ende über einen Vierkantkopf 5. Auf diesem kann ein Stellhebel zum Drehen der Schaltwelle 4 aufgesetzt werden. Das Stellorgan 3 weist eine das Stellorgan 3 querende Bohrung 6 auf.

In den Gehäuseblock 2 sind zwei Anschlussbohrungen 7, 8 eingebracht. Die Anschlussbohrungen 7, 8 dienen zur Aufnahme jeweils eines Einsatzes 9, 10, an den die Installation, beispielsweise die Rohrleitungen angeschlossen werden. Die Einsätze 9, 10 weisen jeweils einen der Längserstreckung der Anschlussbohrungen 7 bzw. 8 folgenden zentralen Kanal 11, 12 auf. 1 zeigt die Schaltwelle 4 bzw. das Stellorgan 3 in Durchflussstellung. Der Kanal 11 des Einsatzes 9 fluchtet mit der Bohrung 6 des Stellorgans 3 und diese wiederum mit dem Kanal 12 des Einsatzes 10.

Der in die Anschlussbohrung 7 eingebrachte Einsatz 9 verfügt über einen Anschlussabschnitt 13. Der Anschlussabschnitt 13 trägt im Bereich eines Teils seiner äußeren Mantelfläche ein Außengewinde 14, welches in der in

1 gezeigten montierten Stellung des Einsatzes 9 in ein komplementäres Innengewinde der Anschlussbohrung 7 eingreift. Der Anschlussabschnitt 13 und komplementär hierzu ebenfalls die Innenwandung der Anschlussbohrung 7 sind gestuft ausgebildet, wobei eine der Stufen dem Zweck dient, zwischen der Stufe des Einsatzes 9 und derjenigen der Anschlussbohrung 7 einen Dichtring 15 anzuordnen. Der Dichtring 15 dient zum Abdichten des Einsatzes 9 gegenüber der Innenwandung der Anschlussbohrung 7. Der sich an das Außengewinde 14 des Einsatzes 9 nach außen hin anschließende Abschnitt, der in 1 mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet ist, dient zum Anschließen des Einsatzes 9 an eine Installation. Die Verbindungsmittel zum Herstellen der Verbindung zwischen dem Einsatz 9 und der Installation sind der Einfachheit halber in 1 nicht dargestellt.

Teil des Einsatzes 9 ist ferner ein wellrohrförmiger Abschnitt, der das Vorspannelement 17 für eine von dem Einsatz 9 gehaltene Dichtschale ist. Die Dichtschale stützt sich mit ihrer einen Seite an der Mantelfläche des Stellorgans 3 ab. Die Abstützanordnung der Dichtschale 18 auf der Mantelfläche des Stellorgans 3 steht unter Vorspannung, die von dem Vorspannelement 17 bereitgestellt wird. In dem in 1 gezeigten montierten Zustand des Einsatzes 9 ist das Vorspannelement 17 in längsaxialer Richtung etwas gestaucht, was aufgrund der wellrohrförmigen Ausbildung des Vorspannelementes 17 und seiner materialelastischen Eigenschaft ohne Weiteres möglich ist. Da das Vorspannelement 17 materialelastische Eigenschaften aufweist, liegt die Dichtschale 18 unter Vorspannung stehend an der Mantelfläche des Stellorgans 3 an. Der Einsatz 9 des dargestellten Ausführungsbeispiels ist aus Edelstahl hergestellt. Dieses Material ist nicht nur gasdicht, sondern weist auch eine hinreichende Materialelastizität bei sehr tiefen Temperaturen auf.

Der Einsatz 10 ist ebenso aufgebaut wie der Einsatz 9. Der Kugelhahn 1 eignet sich aufgrund der Ausgestaltung seiner Einsätze vor allem zum Einbau in Installationen, die von unter Druck stehenden tiefgekühlten Fluiden durchströmt werden sollen, wie beispielsweise tiefgekühlte Gase.

Im Hinblick auf die bei einem solchen Einsatz erheblichen Temperaturdifferenzen zwischen Umgebungstemperatur und den Temperaturen, wenn der Kugelhahn 1 von tiefgekühltem Gas durchströmt ist, bedingt dieses nicht unbeträchtliche Längenänderungen der zumindest in unmittelbarem Kontakt mit dem tiefgekühlten Fluid stehenden Elemente, wie beispielsweise die Einsätze und die Dichtschalen. Die Längenänderungen sind ungleichmäßig, da die aus Kunststoff gefertigte Dichtschale 18 ein anderes Temperaturverhalten zeigt als der aus Edelstahl hergestellte Einsatz 9 mit seinem Vorspannelement 17.

Durch Ausbilden des Vorspannelementes 17 als Teil des Einsatzes 9 wird keine zusätzliche axiale Dichtung bei eintretenden Längenänderungen benötigt. Die durch den Dichtring 15 erfolgende Außenabdichtung ist von einer eintretenden Längenänderung infolge Temperaturschwankungen unbeeinflusst. Unabhängig von der Ausdehnung oder dem Stauchen des Vorspannelementes 17 in längsaxialer Richtung des Einsatzes 9 ist regelmäßig eine bestimmungsgemäße Außenabdichtung gegeben.

In einem weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Kugelhahn vorgesehen, der grundsätzlich aufgebaut ist wie der in 1 gezeigte Kugelhahn 1. Im Unterschied zu diesem verfügt dieser Kugelhahn nur an seiner medienbeaufschlagten Anschlussseite – der Druckseite – einen in die diesbezügliche Anschlussbohrung eingeschraubten Einsatz, der entsprechend dem Einsatz 9 bzw. 10 ausgebildet ist. In die andere Anschlussbohrung des Gehäuseblockes ist ein anderer Einsatz eingeschraubt, und zwar ein solcher, der nur eine äußere Abdichtung gegenüber der Innenwandung der Anschlussbohrung aufweist und nicht auch über ein an der Mantelfläche des Stellorgans anliegendes Dichtelement.

1
Kugelhahn
2
Gehäuseblock
3
Stellorgan
4
Schaltwelle
5
Vierkantkopf
6
Bohrung
7
Anschlussbohrung
8
Anschlussbohrung
9
Einsatz
10
Einsatz
11
Kanal
12
Kanal
13
Anschlussabschnitt
14
Außengewinde
15
Dichtring
16
Abschnitt
17
Vorspannelement
18
Dichtschale


Anspruch[de]
Kugelhahn mit einem drehbar in einem Gehäuseblock (2) mit zumindest zwei Anschlussbohrungen (7, 8) gelagerten, wenigstens eine Durchtrittsbohrung (6) aufweisenden Stellorgan (3) und mit einer zumindest einer Anschlussbohrung (7, 8) zugeordneten Dichtungsanordnung, umfassend jeweils ein an der Mantelfläche des Stellorgans (3) mittels eines Vorspannelements (17) unter Vorspannung anliegenden, ringförmigen Dichtelement (18), dadurch gekennzeichnet, dass das auf das Dichtelement (18) wirkende Vorspannelement (17) ein nach Art eines Wellrohres ausgebildeter Abschnitt als Teil eines in eine Anschlussbohrung (7, 8) des Gehäuseblockes (2) eingesetzten und an dem Gehäuseblock (2) festgelegten Einsatzes (9, 10) ist, wobei das Vorspannelement (17) materialelastische Eigenschaften aufweist und das Vorspannelement (17) gestaucht ist, wenn der Einsatz (9, 10) am Gehäuseblock (2) festgelegt ist, welcher Einsatz (9, 10) zudem über einen Anschlussabschnitt (13) verfügt, in welchem der Einsatz (9, 10) gegenüber dem Gehäuseblock (2) abgedichtet ist. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussabschnitt (13) des Einsatzes (9, 10) zum Anschließen einer Leitung ausgebildet ist. Kugelhahn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (9, 10) mittels eines im Bereich seines Anschlussabschnittes (13) angeordneten Außengewindes (14) in die ein komplementäres Innengewinde aufweisende Anschlussbohrung (7, 8) des Gehäuseblockes (2) eingeschraubt ist. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussbohrung (7, 8) und der Einsatz (9, 10) ein oder mehrere, komplementär zueinander ausgebildete, den Durchmesser in Richtung zum Stellorgan (3) verjüngende Stufen zum Anordnen jeweils eines Dichtringes (15) auf zumindest einer Stufe aufweisen. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (17) eine ringförmige Aufnahme zur Aufnahme des an der Mantelfläche des Stellorgans (3) anliegenden Dichtelements (18) aufweist. Kugelhahn nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement eine Dichtschale (18) ist. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (9, 10) aus Metall hergestellt ist. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Anschlussbohrung (7, 8) des Gehäuseblockes mit einem solchen Einsatz (9, 10) ausgestattet ist.






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