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Dokumentenidentifikation DE69912742T2 30.09.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001047894
Titel KUGELWELLEDICHTUNG
Anmelder Xomox Corp., Cincinnati, Ohio, US
Erfinder SANDLING, J., Michael, Loveland, US;
KIRK, M., Steven, Cincinnati, US
Vertreter Betten & Resch, 80333 München
DE-Aktenzeichen 69912742
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.01.1999
EP-Aktenzeichen 999014848
WO-Anmeldetag 15.01.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/US99/00854
WO-Veröffentlichungsnummer 0099036716
WO-Veröffentlichungsdatum 22.07.1999
EP-Offenlegungsdatum 02.11.2000
EP date of grant 12.11.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.09.2004
IPC-Hauptklasse F16K 5/06

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft allgemein Ventile und insbesondere Dichtungen in Ventilen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Kugeldichtung für eine Welle in einem Ventil.

Hintergrund der Erfindung

Insbesondere in Industrieanlagen werden Ventile verwendet, verschiedene Gase, Flüssigkeiten und Schlämme über einen weiteren Bereich von Temperaturen und Drücken zu transportieren und zu steuern. Viele Arten von Ventilen sind entstanden, um den breiten Bereich der industriellen Anwendungen abzudecken, wie etwa Kegelventile, Kugelventile, Drosselventile, Schiebeventile, Rückschlagventile etc.. Viele Ventile sind handbetrieben, während andere Ventile automatische Aktuatoren aufweisen, um ein Ventil von einem entfernten Ort aus zu betätigen oder um Ventile zu betätigen, die zu groß sind für Betätigung durch menschliche Benutzer.

Die meisten Ventile weisen ein Ventilelement (beispielsweise der Stopfen in einem Kegelventil, die Kugel in einem Kugelventil, die Scheibe in einem Drosselventil etc.) auf, welcher in einem Strömungsweg angeordnet ist. Das Ventilelement hat eine Öffnungsposition, die den Fluss des Mediums durch das Ventil erlaubt, und eine Schließposition, die das Medium daran hindert, durch das Ventil zu fließen. Typischerweise wird eine Welle dazu verwendet, das Ventilelement zwischen seiner geöffneten und seiner geschlossenen Position zu bewegen. Die Welle ist normalerweise mit dem Ventilelement verbunden und erstreckt sich aus dem Ventil, wo sie entweder manuell oder automatisch betätigt werden kann.

Ventile verwenden eine oder mehrere Dichtungen, um den Fluss des Mediums durch das Ventil zu steuern und Undichtigkeiten zu verhindern. Undichtigkeit kann als intern oder extern charakterisiert werden. Interne Undichtigkeit bezieht sich auf einen Fluss des Fluids um die Dichtung und zurück in der Strömungsweg. Ein Beispiel einer internen Undichtigkeit ist ein Ventil in der geschlossenen Position, das trotzdem den Fluss einer gewissen Menge des Fluids durch das Ventil erlaubt. Andererseits bezieht sich externe Undichtigkeit auf die Undichtigkeit von innerhalb des Ventils in die äußere Umgebung. Da die Natur von Ventilen darin liegt, den Fluidfluss zu steuern, ist jede Art von Undichtigkeit natürlich unerwünscht.

Wellendichtungen werden verwendet, externe Undichtigkeiten um die Welle zu verhindern. Mit der heutigen zunehmenden Betonung von Emissionen ist die Bedeutung von effektiven Wellendichtungen evident. Jedoch haben Wellendichtungen viele Konstruktionsparameter, die die Konstruktion von Wellendichtungen erschweren. Beispielsweise bewegen sich Wellen im Betrieb (beispielsweise drehen sich), wobei eine Wellendichtung ihre Funktionsfähigkeit während des Betriebes beibehalten muss. Über die normalen Betriebsbewegungen hinaus sind die Wellen oft betriebsfremden Bewegungen resultierend von externen Kräften (Seitenbelastung, axiale Belastung usw.) ausgesetzt. Eine Wellendichtungskonstruktion behält ihre Dichtungsfunktionalität vorzugsweise bei, auch wenn sie solchen außergewöhnlichen Bewegungen ausgesetzt ist. Eine Temperaturwechselbeanspruchung ist ein weiterer Konstruktionsparameter. Da viele Ventile während der Benutzung großen Temperaturänderungen unterliegen, wird eine ideale Wellendichtung ihre Dichtungsqualität während der Dimensionsänderungen beibehalten, die von der Temperatunnrechselbeanspruchung resultieren. Zusätzlich wird eine Welle vorzugsweise eine externe Abdichtung in Hochtemperaturumgebungen beibehalten, die etwa unter Feuerbedingungen auftreten, die viel Dichtmaterial verbrauchen würden. Daher besteht ein Bedarf für eine Wellendichtung, die die vorangehenden Konstruktionsparameter erfüllt.

Zusammenfassung der Erfindung

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Wellendichtung vorzuschlagen. Weitere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden dem Fachmann zum Teil bei der Prüfung oder Ausführung der Erfindung deutlich werden. Diese Aufgaben und Vorteile der Erfindung können durch die in den beiliegenden Ansprüchen insbesondere hervorgehobenen Mittel und Kombinationen realisiert und erhalten werden.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Wellendichtungsbaugruppe. Eine Welle weist ein oberes Ende und ein unteres Ende auf und ist so gestaltet, dass sie in einen Ventilkörper passt und mit einem Ventilelement innerhalb des Ventilkörpers in Verbindung steht. Ein mit der Welle verbundenes Kugelsegment hat eine nach oben weisende Oberseite und eine nach unten weisende Unterseite. Eine erste Dichtung greift in die Oberseite des Kugelsegments und eine zweite Dichtung greift in die Unterseite des Kugelsegments ein. Vorzugsweise enthält die Welle einen zylindrischen Abschnitt oberhalb des Kugelsegments und enthält ferner eine dritte Dichtung zum Eingriff in den zylindrischen Abschnitt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Ventilbaugruppe. Ein Körper hat einen Einlass, einen Auslass und einen zwischen Einlass und Auslass [sich?] erstreckenden Strömungsweg. Eine Wellenöffnung verläuft zwischen der Außenseite und der Innenseite des Körpers. Ein Ventilelement wie ein Stopfen, eine Kugel oder eine Scheibe ist beweglich in dem Strömungsweg angeordnet und hat eine Öffnungsposition und eine Schließposition. Wenigstens eine In-Line-Dichtung ist zwischen dem Körper und dem Ventilelement angeordnet. Eine Welle ist in der Wellenöffnung angeordnet. Die Welle hat ein oberes Ende, eine in das Ventilelement eingreifendes unteres Ende, ein oberes sphärisches Segment und ein unteres sphärisches Segment mit dem gleichen radialen Ursprung wie das obere sphärische Segment. Eine erste Wellendichtung ist zwischen dem oberen sphärischen Segment und dem Körper angeordnet. Eine zweite Wellendichtung berührt das untere sphärische Segment.

Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft eine Wellendichtungsbaugruppe. Eine Welle hat ein nahes Ende, ein fernes Ende und eine Rotationsachse. Eine imaginäre Ebene senkrecht zu der Achse teilt die Welle in einen nahen Abschnitt und einen fernen Abschnitt. Ein erstes sphärisches Segment am fernen Abschnitt der Welle wird definiert durch Drehung eines ersten Bogens um die Achse. Der erste Bogen hat einen Radius mit Ursprung an dem Schnittpunkt der Ebene und der Achse und erstreckt sich zwischen ersten und zweiten fernen spitzen Winkeln relativ zu der Achse. Eine erste Dichtung greift in das erste sphärische Segment ein. Das zweite sphärische Segment an dem fernen Abschnitt der Welle ist definiert durch Drehung eines zweiten Kreisbogens um die Achse. Der zweite Kreisbogen erstreckt sich zwischen ersten und zweiten fernen spitzen Winkeln relativ zu der Achse. Der Radius des zweiten Kreisbogens beginnt an dem Schnittpunkt der Ebene mit der Achse und ist vorzugsweise gleich dem Radius des ersten Kreisbogens. Eine zweite Dichtung greift in das zweite sphärische Segment ein.

Noch weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele deutlich, die der Illustration eines der bevorzugten Ausführungen zur Ausführung der Erfindung dient. Es wird deutlich, dass die Erfindung andere und naheliegende Aspekte umfasst, ohne von der Erfindung abzuweichen. Entsprechend sind die Zeichnungen und Beschreibungen ihrer Natur nach illustrativ und nicht beschränkend.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung bilden, illustrieren verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit deren Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.

1 illustriert eine Ventilbaugruppe.

2 ist eine Detailansicht einer Wellendichtung mit einer optionalen Undichtigkeitserfassungs-Öffnung.

3 illustriert eine alternative Wellendichtungsanordnung.

4 illustriert eine alternative Wellendichtungsanordnung.

5 illustriert eine alternative Wellendichtungsanordnung.

6 zeigt eine Wellendichtung mit einem optionalen Wellenlager.

7 demonstriert eine nicht betriebsbedingte Bewegung resultierend von einer Seitenbelastung.

8 zeigte eine Metall-Metall-Dichtung in dem Fall, wenn der Dichtungseinsatz verbraucht ist.

Es wird nun Bezug genommen auf das vorliegende bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in den beiliegenden Zeichnungen beispielhaft illustriert ist, wobei gleiche Bezugsziffern das gleiche Element in verschiedenen Ansichten bezeichnen.

Detaillierte Beschreibung

1 zeigt eine Ventilbaugruppe 10. Zu Illustrationszwecken wird die Erfindung in Verbindung mit einem Kugelventil demonstriert; die Erfindung ist jedoch auch mit anderen Ventilkonfigurationen nützlich, umfassend Kegelventile, Drosselventile und andere drehbare Ventile. Die Ventilbaugruppe 10 umfasst einen Ventilkörper 20, der durch zwei miteinander verschraubte Hälfte gebildet wird. Der Körper 20 hat einen Einlass 21, einen Auslass 22 und einen sich zwischen Einlass 21 und Auslass 22 erstreckenden Strömungsweg 23. Der Körper 20 enthält auch eine Wellenöffnung 26, die sich zwischen dem Außenraum 24 und dem Innenraum 25 des Körpers erstreckt. Durch die Wellenöffnung 26 erstreckt sich die Welle 40, die als mechanische Verbindung zwischen dem Betätigungsglied 15 und dem Ventilelement 30 dient. Wie hier gezeigt, ist das Betätigungsglied 15 ein manuell betätigter Handgriff. Jedoch können durch Elektrizität, unter Druck stehende Fluide, Federn oder dergleichen angetriebene Betätigungsglieder ebenfalls verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Ventilelement eine Kugel 30 mit einer Öffnung 31, die sich durch das Ventilelement erstreckt. Interne Dichtungen 32 sind zwischen dem Körper 20 und dem Ventilelement 30 angeordnet und ausgebildet, eine interne Undichtigkeit zu verhindern.

Das Ventilelement 30 ist drehbar im Strömungsweg 23 angeordnet und hat eine Öffnungsposition und eine Schließposition. Wie in 1 gezeigt, befindet sich das Ventilelement 30 in seiner Öffnungsposition, in der die Öffnung 31 mit dem Strömungsweg 23 ausgerichtet ist. In der Öffnungsposition besteht eine Fluidverbindung zwischen dem Einlass 21 und dem Auslass, die es dem Medium erlaubt, durch das Ventil 10 zu fließen. Die Ventilelementgrenzfläche 48 der Welle 40 ist verbunden mit und greift ein in die Wellengrenzfläche 33 des Ventilelements 30. In einem Ausführungsbeispiel bilden die Grenzflächen 33, 38 einen Schlitzgleiterverschluss, der die Umsetzung einer Drehbewegung der Welle 40 auf das Ventilelement 30 erlaubt. Die Gleitverbindung hat den Vorteil, dass sie in der Lage ist, Drehmoment zu übertragen, auch wenn die Welle 40 und das Ventilelement 30 nicht vertikal oder axial zueinander ausgerichtet sind. Wenn das Betätigungsglied 15 um 90° gedreht wird, wird die Drehung auf die Welle 40 umgesetzt, die wiederum auf das Ventilelement 30 umgesetzt wird, wodurch die Ventilanordnung 10 geschlossen wird. In der Schließposition ist der Durchlass 31 nicht mit dem Strömungsweg 23 ausgerichtet, wodurch der Fluss des Mediums zwischen Einlass 21 und Auslass 22 blockiert wird.

2 illustriert eine Detailansicht des Wellendichtungsbaugruppenabschnitts der Ventilbaugruppe 10. Die Welle 40 wurde um 90° gedreht, um das Ventilelement 30 in der geschlossenen Position zu zeigen. Das Betätigungsglied 15 ist von der Welle entfernt, um die Betätigungsendfläche 47 der Welle 40 zu zeigen. Die Ansicht der Welle 40 illustriert auch die Dimensionierung der Ventilelementgrenzfläche 48, die das Außenglied der Gleitkopplung zwischen Welle 40 und Ventilelement 30 bildet. Die Welle 40 hat ein oberes oder äußeres Ende 41, das außerhalb des Körpers 20 angeordnet ist, und ein unteres oder nahes Ende 42, das innerhalb des Körpers 20 angeordnet ist. Das obere Ende 41 ist außerhalb des Körpers 20 in dem Sinne angeordnet, dass das obere Ende 41 nicht dem unter Druck stehenden Medium innerhalb des Ventils ausgesetzt ist. Die Wellendichtungsbaugruppe wird verwendet, um ein externes Austreten jeglichen unter Druck stehenden Fluids von innerhalb des Ventils 25 nach außerhalb des Ventils 24 zu verhindern.

Das Kugelsegment 43, das vorzugsweise am Stück mit der Welle 40 ausgebildet ist, hat eine nach oben weisende Oberseite 44 und eine nach unten weisende Unterseite 45. Die Oberseite 44 des Kugelsegments 43 ist ein sphärisches Segment mit einem radialen Ursprung 62. Der Begriff "radialer Ursprung" bezieht sich auf den Ursprungspunkt des Radius. Entsprechend ist die Unterseite 45 ebenfalls ein sphärisches Segment mit dem gleichen radialen Ursprung 62 wie die Oberseite 44. Da die Ober- und Unterseiten 44, 45 Teile des gleichen Kugelsegments sind, sind die Radien der Oberflächen 44, 45 gleich. Vorzugsweise sind die Ober- und Unterseiten 44, 45 kontinuierlich, wie in 2 gezeigt ist.

Geometrisch ausgedrückt hat die Welle 40 eine Drehachse 60, die sich zwischen dem fernen Ende 42 und dem nahen Ende 41 erstreckt. Eine imaginäre Ebene senkrecht zu der Achse 60 schneidet einen Punkt 62 und teilt die Welle 40 in einen nahen Abschnitt und einen fernen Abschnitt auf. Ein erstes sphärisches Segment entsprechend der Oberseite 44 befindet sich am fernen Abschnitt der Welle 40. Das erste sphärische Segment 44 wird definiert durch Drehung eines Kreisbogens um die Achse 60. Dieser Kreisbogen hat einen Radius mit Ursprung an der Schnittstelle der Ebene und der Achse (d. h. dem Radiusursprung 62) und erstreckt sich zwischen den ersten und zweiten fernen spitzen Winkeln relativ zu der Achse 60. Ein zweites sphärisches Segment entsprechend der Unterseite 45 befindet sich am nahen Abschnitt der Welle 40. Das zweite sphärische Segment 45 ist definiert durch, Drehung eines zweiten Kreisbogens um die Achse 60. Der zweite Kreisbogen erstreckt sich zwischen ersten und zweiten fernen spitzen Winkeln relativ zu der Achse 60. Der zweite Kreisbogen hat einen radialen Ursprung 62, definiert durch den Schnittpunkt der imaginären Ebene in der Achse 60. Vorzugsweise ist der Radius des zweiten Kreisbogens gleich dem Radius des ersten Kreisbogens.

Die obere Dichtung 51 dichtet die Oberseite 44 des Kugelsegments 43 ab und die untere Dichtung 52 dichtet die Unterseite 45 des Kugelsegments 43 ab. Vorzugsweise sind die obere und untere Dichtung 51 und 52 in einem Stück ausgebildet mit einem einzigen Dichtungseinsatz 50, gebildet aus kontinuierlichem Material, vorzugsweise aus fluoroplastischem Material wie Polytetrafluorethylen ("PTFE"), fluoriertem Ethylen-Propylen ("FEP"), Perfluoralkoxy ("PFA"), und Ähnlichem. Andere Materialien wie Graphit, Keramik, gemahlenes Metall, Metall, Hochtemperaturkunststoff und dergleichen kann ebenfalls als obere und/oder untere Dichtungen verwendet werden. Ein Ring 53 ist radial zwischen dem Kugelsegment 43 und dem Dichtungseinsatz 50 und axial zwischen der oberen und unteren Dichtung 51, 52 gehalten.

Während der Montage wird der Dichtungseinsatz 50 zuerst auf der Wellenöffnung 26 angeordnet und gegen das Lager 29 gehalten. Das obere Ende 41 der Welle wird dann durch den Dichtungseinsatz 50 und durch die Wellenöffnung 26 geschoben, bis die Oberseite 44 die untere Dichtung 52 berührt. Alternativ wird der Dichtungseinsatz 50 gegen das Kugelsegment gehalten und die Anordnung wird aufwärts durch die Wellenöffnung 26 geschoben. Eine Beeinflussung besteht zwischen dem Kugelsegment 43 und der unteren Dichtung 52. Das Kugelsegment ist so dimensioniert, dass die Welle 40 aufwärts gedrückt werden kann, um die untere Dichtung 52 radial zu bewegen, bis die Oberseite 44 die obere Dichtung 51 berührt. Alternativ könnte der Radius des Kugelsegments zwischen der Oberseite und der Unterseite 44, 45 verringert oder abgeflacht sein, um die gegenseitige Beeinflussung zwischen unterer Dichtung 52 und Kugelsegment 43 während der Montage zu verringern.

Während des Betriebes wird Druck von dem Innenraum des Ventils 25 eine nach oben wirkende Kraft auf die Welle 40 ausüben. Der nach oben wirkenden Kraft wird wenigstens zum Teil durch eine abwärts wirkende Kraft von dem Lager 29 durch den Dichtungseinsatz 50 entgegengewirkt, welche wiederum auf die Oberseite 44 wirkt. Diese Kräfte bewirken eine fluiddichte Abdichtung zwischen der Oberseite 44 und der oberen Dichtung 51 und dem Lager 29 und dem Dichtungseinsatz 50. Mit anderen Worten ist die Dichtung druckunterstützt. Weiterhin nimmt bei einer Zunahme des inneren Drucks im Ventil die Belastung der oberen Dichtung 51 proportional zu, wodurch die Dichtigkeit der Dichtung um das Lager 40 erhöht wird. Die andere Dichtung ist vorzugsweise eine druckunterstützte Dichtlippe. Der Druck von dem Innenraum 25 des Ventils wird eine Last auf die untere Dichtung 52 erzeugen, der eine normale Last von der Unterseite 45 entgegenwirkt. Diese Last und Gegenlast erzeugt eine fluiddichte Abdichtung zwischen der unteren Dichtung 52 und der Unterseite 45. Da die untere Dichtung 52 druckunterstützt ist, nimmt die Dichtungsdichtigkeit proportional mit dem internen Druck im Ventil zu. Die druckunterstützten Dichtungen 51, 52 sind insbesondere nützlich, wenn die Welle dem vollen Leitungsdruck ausgesetzt ist, wie bei einem schwebenden Kugelventil, Kegelventilen, Drosselventilen, Schiebeventilen und dergleichen.

Da die Dichtungen 51, 52 symmetrisch um die Drehachse 60 sind, kann sich die Welle 40 relativ zu dem Körper 20 drehen, wobei die Dichtungsdichtigkeit in der Wellenöffnung 26 erhalten bleibt. Die Wellendichtung wird auch während nicht betriebsbedingter Bewegungen in Form einer Abwärtsverschiebung der Welle 40 relativ zu dem Körper 20 beibehalten. Während eine extreme Abwärtslast die Oberseite 44 von der oberen Dichtung 51 lösen wird, nimmt die Dichtungslast zwischen der unteren Dichtung 52 und der Unterseite 45 aufgrund der erhöhten radialen Zusammenwirkung zwischen Kugelsegment 43 und unterer Dichtung 52 zu, wodurch die Dichtungsdichtigkeit um das Kugelsegment 43 beibehalten wird.

Die Welle 40 weist ferner einen zylindrischen Abschnitt 46 auf, der oberhalb des Kugelsegments 43 angeordnet ist. Die Wellenmanschette 54 ist zwischen der zylindrischen Oberfläche 46 und dem Körper 20 angeordnet, um eine dritte Dichtung zur Verhinderung einer externen Undichtigkeit in dem Ventil zu bilden. Die Wellenmanschette wird durch eine feste Rohrdurchführung 55 komprimiert, die eine abwärts wirkende Last von einer Rohrdurchführungs-Halterung 56 erfährt. Die abwärts wirkende Last kann auf verschiedene geeignete Art und Weise wie eine Schraubverbindung mit dem Körper 20, eine Schraubverbindung mit der Welle 40, einen Federring und dergleichen erzeugt werden.

Die Dimensionierung des Kugelsegments 43 kann relativ zu der Dimensionierung des zylindrischen Abschnitts 46 als Verhältnis zwischen deren Radien (d. h. Kugelsegmentradius zu Radius des zylindrischen Abschnitts) ausgedrückt werden. Vorzugsweise ist das Verhältnis von 1 : 3 bis 3 : 1, insbesondere zwischen 1,2 : 1 und 2,0 : 1 und besonders bevorzugt von 1,3 : 1 bis 1,6 : 1. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet beispielsweise eine 2-Inch-Kugel mit einem Wellen-zu-Zylinder-Verhältnis von 1,43.

Optional erstreckt sich eine Undichtigkeitserfassungsöffnung 27 von außerhalb des Ventils 24 zu dem Ring zwischen der Wellenmanschette 54 und der oberen Dichtung 51. Die Undichtigkeitserfassungsöffnung 27 wird benutzt, um zu bestimmen, ob eine Undichtigkeit um die Dichtungen 51 und 52 auftritt. Wenn keine solche Undichtigkeit erfasst wird, kann die Wellenmanschette 54 entfernt und ohne Drukkentlastung des Ventils 10 ersetzt werden, wodurch ein Ersetzen der Wellenmanschette während des Betriebes erleichtert wird. Wie der Fachmann unschwer feststellt, sollten Sicherheitsvorkehrungen eingehalten und geeignetes Sicherheitswerkzeug verwendet werden, insbesondere wenn dass Flussmedium potentiell gefährlich ist, bevor ein Ersatz der Wellenmanschette während des Betriebs angestrebt ist. Normalerweise wird die Undichtigkeitserfassungsöffnung 27 abgedeckt oder blockiert, um jegliche mögliche Undichtigkeit während des normalen Betriebes durch die Undichtigkeitserfassungsöffnung 27 zu vermeiden.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Dichtungskonfiguration um das Kugelsegment 43. Eine druckunterstützte Dichtungslippe 52 berührt die Unterseite 45. Eine zweite druckunterstützte Dichtungslippe 58 berührt den Körper 20, was die Dichtungsdichtigkeit durch die Wellenöffnung gegen den Körper verstärkt. Das Temperaturzyklus-Lager 29A erstreckt sich radial nach außen und axial nach oben, um eine konisch zulaufende Oberfläche zu bilden. Wenn die Dichtung 10 einer Temperaturwechselbeanspruchung unterliegt, können sich Kugelsegment 43 und Körper 20 mit unterschiedlichen Raten ausdehnen oder schrumpfen. Das abgewinkelte Lager 29A hilft dabei, die Dichtungsdichtigkeit zwischen der Dichtung 50 und dem Körper 20 während einer solchen Temperaturwechselbeanspruchung zu erhalten. Wenn sich beispielsweise der Körper 20 stärker ausdehnt als die Welle 40, erhöht sich die Last zwischen dem Dichtungseinsatz 50 und dem angewinkelten Lager 29A. Gleichzeitig erhält die aufwärts gerichtete Last auf die Welle aufgrund des Druckunterschiedes von dem Innenraum 25 zu dem Außenraum 24 des Ventils die Dichtungslast gegen das obere sphärische Segment 44 aufrecht.

4 zeigt ein alternatives Temperaturwechselbeanspruchungs-Lager 29B, das auf die gleiche Art und Weise arbeitet wie Lager 29A, aber die Querschnittsform eines abwärts weisenden Dreiecks annimmt. 5 zeigt noch ein weiteres Temperaturwechselbeanspruchungs-Lager 29C, welches eine rechteckförmige Querschnittsform aufweist. 6 zeigt ein optionales Wellenlager 57, das zwischen der Welle 40 und dem Körper 20 angeordnet und zwischen der Wellenmanschette 54 und dem Dichtungseinsatz 50 positioniert ist. Das Wellenlager 57 wird verwendet, um die axiale Ausrichtung der Welle 40 relativ zu dem Körper 20 beizubehalten. Eines oder mehrere Lager können überall entlang der Welle angeordnet sein. Der in 6 gezeigte Dichtungseinsatz 50 umfasst eine feste Oberfläche, die das Lager 29 berührt und umfasst außerdem eine Abschrägung, die sich von der unteren Dichtung 52 zu dem Körper 20 erstreckt.

7 illustriert, wie die Dichtungsdichtigkeit zwischen den oberen und unteren Dichtungen 51 und 52 und dem Kugelsegment 43 während nicht betriebsbedingten Bewegungen resultierend von Seitenlasten gewährleistet wird. Die Phantom-Verschiebungen 49 der Welle 40 sind übertrieben, um die Bewegung der Welle in Reaktion auf eine seitliche Last zu zeigen. Da das obere und untere sphärische Segment 44 und 45 beide den gleichen Radiusursprung aufweisen, wird die Dichtigkeit gegenüber dem Kugelsegment 43 gewährleistet.

8 illustriert die Dimensionswechselwirkung zwischen dem Kugelsegment 43 und der Wellenöffnung 26, die verhindert, dass sich die Welle von dem Körper 20 befreit. Die Wellenöffnung 26 ist so dimensioniert, dass wenigstens ein Abschnitt einen kleineren Radius aufweist als das obere sphärische Segment 44 des Kugelsegments 43. 8 illustriert eine Metall-Metall-Dichtung, die entsteht, wenn der Dichtungseinsatz 50 verbraucht ist, was in Hochtemperaturumgebungen wie in einem Feuer auftreten kann. Wenn der Dichtungseinsatz 50 verbraucht ist, zwingt der Druckunterschied von der dem Ventilinnenraum zu dem Außenraum 24 des Ventils die Welle 40 nach oben. Die Kante 28 des Lagers 29 berührt das obere sphärische Segment 44, um eine Metall-Metall-Dichtung zu bilden, die eine externe Undichtigkeit verhindert. Vorzugsweise hat die Kante 28 eine leichte Abschrägung oder einen Radius, um die Dichtungsfläche mit der Oberseite 44 zu verbessern.

Die vorangehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung wurde zu Zwecken der Illustration und Beschreibung präsentiert. Sie ist nicht gedacht, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die offenbarte genaue Form einzuschränken. Viele Alternativen, Modifikationen oder Veränderungen sind für den Fachmann im Lichte der obigen Lehre offensichtlich. Entsprechend ist beabsichtigt, dass die Erfindung alle Alternativen, Modifikationen und Veränderungen umfasst, die in den breiten Bereich der beiliegenden Ansprüche fallen.


Anspruch[de]
  1. Wellendichtungsbaugruppe, umfassend eine Welle und eine Dichtung, wobei die genannte Baugruppe eine Welle (40) mit einem oberen Ende und einem unteren Ende hat, wobei die genannte Welle (40) so gestaltet ist, dass sie in einen Ventilkörper (20) passt und mit einem Ventilelement (30), einem Kugelsegment (43) integral mit der Welle (40) Verbindung hat, wobei das genannte Kugelsegment eine nach oben weisende Oberseite (44) und eine nach unten weisende Unterseite (45) hat, gekennzeichnet durch einen integralen Dichtungseinsatz (50) mit einem ersten Dichtungsabschnitt (51), der in die Oberseite (44) des Kugelsegments (43) eingreift, und einem zweiten Dichtungsabschnitt (52), der in die Unterseite (45) des Kugelsegments (43) eingreift, so dass die Welle (41) radial um das Kugelsegment (43) abgelenkt werden kann, wobei die Dichtung zwischen dem Dichtungseinsatz (50) und dem Kugelsegment (43) intakt bleibt.
  2. Wellendichtungsbaugruppe nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zylindrischen Abschnitt (46) auf der Welle (41) und eine dritte Dichtung (54), die in den genannten zylindrischen Abschnitt (46) eingreift, wobei sich der genannte zylindrische Abschnitt (46) über dem Kugelsegment (43) befindet.
  3. Wellendichtungsbaugruppe nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Ringspalt (53), der vom Kugelsegment (43) und vom Dichtungseinsatz (50) radial und vom ersten und vom zweiten Dichtungsabschnitt (51, 52) axial begrenzt wird.
  4. Wellendichtungsbaugruppe nach Anspruch 1, bei der der zweite Dichtungssabschnitt (52) eine druckunterstützte Lippe aufweist.
  5. Wellendichtungsbaugruppe nach Anspruch 1, ferner umfassend eine druckunterstützte Lippe (52) zum Abdichten gegen einen Ventilkörper (20).
  6. Ventilbaugruppe mit einem Körper (20), der einen Einlass (21), einen Auslass (22) und einen zwischen dem Einlass (21) und dem Auslass (22) verlaufenden Strömungsweg (23) hat, wobei eine Wellenöffnung zwischen der Außenseite des Körpers und der Innenseite des Körpers verläuft, wobei ein Ventilelement (30) in dem Strömungsweg (23) zwischen einer Öffnungsposition und einer Schließposition beweglich ist, wobei sich wenigstens eine Inline-Dichtung (32) zwischen dem Körper (20) und dem Ventilelement (30) befindet, wobei sich in der Wellenöffnung (26) eine Welle (41) befindet, wobei die genannte Welle (41) ein oberes Ende, in mit dem Ventilelement (30) in Eingriff befindliches unteres Ende, ein oberes sphärisches Segment (44) und ein unteres sphärisches Segment (45) mit demselben radialen Ursprung (62) wie das obere sphärische Segment (44) hat, gekennzeichnet durch

    einen Dichtungseinsatz (50) aus einem durchgehenden Material, wobei der Dichtungseinsatz (52) folgendes umfasst:

    (i) eine erste Wellendichtung (51) zwischen dem oberen sphärischen Segment (44) und dem Körper (20) und im dichtenden Eingriff mit dem oberen sphärischen Segment (44); und

    (ii) eine zweite Wellendichtung (52) im dichtenden Eingriff mit dem unteren sphärischen Segment (45);

    so dass die Welle (41) als Reaktion auf Seitenlasten unter Beibehaltung des Dichtungseingriffs der ersten und der zweiten Wellendichtung (44, 45) radial um den radialen Ursprung (62) des oberen und des unteren sphärischen Segments (51, 52) kippen kann.
  7. Ventilbaugruppe nach Anspruch 6, ferner umfassend ein oberhalb der sphärischen Segmente (44, 45) befindliche zylindrische Oberfläche (46) auf der Welle (41) und eine zwischen der zylindrischen Oberfläche (46) und dem Körper (20) befindliche dritte Wellendichtung (54).
  8. Ventilbaugruppe nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Leckerkennungsöffnung (27) in dem Körper (20), die sich zwischen der ersten und der dritten Wellendichtung (51, 54) befindet.
  9. Ventilbaugruppe nach Anspruch 8, ferner umfassend ein Wellenlager (57) um die zylindrische Oberfläche (46).
  10. Ventilbaugruppe nach Anspruch 6, wobei die zweite Wellendichtung (52) eine druckunterstützte Lippe ist.
  11. Ventilbaugruppe nach Anspruch 6, wobei wenigstens ein Abschnitt der Wellenöffnung (26) kleiner ist als ein Abschnitt des oberen sphärischen Segments (44), wobei sich der genannte Abschnitt der Wellenöffnung (26) über dem oberen sphärischen Segment (44) befindet.
  12. Ventilbaugruppe nach Anspruch 6, wobei die Wellenöffnung (26) so dimensioniert ist, dass in dem Fall, dass die erste Wellendichtung (51) verbraucht ist, das obere sphärische Segment (44) in den Körper (20) eingreift und eine Metall-auf-Metall-Dichtung bildet.
  13. Ventilbaugruppe nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Thermozyklusausgleichsfläche (29) auf dem Körper (20) neben der ersten Wellendichtung (51).
  14. Ventilbaugruppe nach Anspruch 6, wobei das Ventilelement (30) ein Kugel in einem Kugelventil, einen Stöpsel in einem Hahnventil oder eine Scheibe in einem Drosselklappenventil ist.
  15. Ventilbaugruppe nach Anspruch 6, wobei das obere und das untere sphärische Segment (44, 45) denselben Radius haben.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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