DE4321787C2 - Kugelrückschlagventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelrückschlagventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kugelrückschlagventile sind in vielfältiger Form bekannt. Da­ bei kann die Ventilkugel entweder durch Schwerkraft oder üblicherweise durch Federvorspannung gegen den Sitz gedrängt werden, so daß das Ventil bei einem die Vorspannkraft über­ steigenden resultierenden Strömungsmitteldruck in Ventilöff­ nungsrichtung öffnet und ansonsten schließt.

Bei bestimmten Anwendungsfällen, beispielsweise Dosierpumpen und ähnlichen Anwendungen, wo es auf Genauigkeit des Öffnens und Schließens und insbesondere auch das dichte Abschließen im Schließzustand sowie das leichte Öffnen ankommt, steht zum einen das Erfordernis im Raum, mit nur geringer Vorspann­ kraft auf die Ventilkugel zu arbeiten, um ein leichtes Öffnen zu gewährleisten, sei es, weil die verfügbare Strömungsdruck­ differenz nur verhältnismäßig gering ist, oder sei es, um ein schnelles und exaktes Ansprechen des Ventils in Öffnungsrich­ tung zu gewährleisten, und andererseits soll aber auch unter diesen Gegebenheiten im Schließzustand des Ventils ein dichtes und sicheres Schließen gewährleistet sein, also irgendein Durchlecken von Strömungsmittel in der einen oder anderen Richtung durch das geschlossene Ventil sicher ausge­ schlossen werden.

Diese Anforderungen können nicht leicht erfüllt werden, weil die Dichtigkeit bei bekannten Kugelrückschlagventilen eben von der Oberflächenqualität von Ventilkugel und Ventilsitz sowie dem auf die Ventilkugel im Schließzustand wirkenden An­ preßdruck gegen den Ventilsitz abhängt. Ist dieser Anpreß­ druck zur Erzielung guter Dichtigkeit hoch, wird das Öffnen erschwert, und bei den obenerwähnten besonderen Anwendungs­ fällen kann dies zu Ungenauigkeiten und anderen Nachteilen führen.

Insbesondere ist es bereits bekannt, als Kugelrückschlag­ ventil eine gummielastische Ventilkugel in einem konischen Ventilkanalabschnitt zu verwenden, der sich von einem Durch­ messer kleiner als dem Ventilkugeldurchmesser bis auf einen Durchmesser größer als der Ventilkugeldurchmesser erweitert, wobei die Ventilkugel in der Schließstellung mit der koni­ schen Wand dieses sich erweiternden Ventilkanal abdichtet. Dies hat allerdings den Nachteil, daß, wenn der Kegelwinkel des Ventilkanalabschnitts relativ groß ist, sich eine schlechte Abdichtung ergibt bzw. eine große Vorspannkraft auf die Ventilkugel auszuüben ist, wenn hingegen der Kegelwinkel des Ventilkanals relativ klein ist, besteht die Gefahr, daß die gummielastische Ventilkugel sich in der Schließstellung mit der konischen Ventilkanalwand verkeilt und nur noch schwer zu öffnen ist.

Aus dem US-Patent 4 340 084 ist ein Kugelrückschlagventil mit einer gummielastischen Ventilkugel in einem konischen Ventilkanalabschnitt bekannt, wobei der Ventilkugel allerdings ein im engeren Teil des konischen Ventilkanalabschnitts sitzendes metallenes Stützteil zugeordnet ist, das außen etwas stärker konisch als der Ventilkanalabschnitt ist und an seiner der Ventilkugel zugewandten Stirnseite eine hohlkegelige Aufnahmeöffnung für den benachbarten Bereich der Ventilkugel aufweist. Hier ist das Ventilelement gewissermaßen zweiteilig und besteht aus dem starren, aber schlecht dichtenden Stützteil und der elastischen und daher gut dichtenden Ventilkugel. Das Stützteil verhindert das obenerwähnte Verklemmen der elastischen Kugel im konischen Ventilkanal, während die gummielastische Ventilkugel für eine gute Abdichtung sorgt. Das hier vorliegende Problem, nämlich gute Abdichtung sowohl bei kleiner Öffnungskraft als auch bei kleiner Schließkraft bei einem Kugelrückschlagventil zu erhalten, kann damit allerdings auch nicht bewältigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem aufgezeigten Problem abzuhelfen, d. h. ein Kugelrückschlagventil zu schaffen, bei welchem einerseits nur geringe Ventilbetäti­ gungskräfte, also insbesondere eine nur geringe Vorspannung der Ventilkugel zum sicheren Schließen erforderlich sind, andererseits aber ein Höchstmaß an Dichtigkeit im Schließ­ zustand und bei alledem ein sicheres, präzises und leichtes Öffnen stattfinden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im An­ spruch 1 angegebene und in den Unteransprüchen weiter ausge­ staltete Kugelrückschlagventil gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der anliegenden Zeichnung im Axialschnitt dargestellt, und zwar in

Fig. 1 mit halbgeschlossener Ventil­ kugel,

Fig. 2 mit vollständig geschlossener Ventilkugel, und

Fig. 3 mit herausgenommener Ventil­ kugel,
wobei die Darstellungen zum besseren Verständnis weitgehend schematisiert sind.

Die Darstellungen zeigen in einem nur schematisch angedeute­ ten Ventilgehäuseblock 1 einen Strömungskanal 2 mit einer darin befindlichen Ventilkugel 3 und einer die Ventilkugel in Schließrichtung vorspannenden, ebenfalls nur schematisch an­ gedeuteten Druckfeder 4. Der Strömungskanal 2 gliedert sich in einen Ventileinlaß 21 in Form eines zylindrischen Kanalab­ schnitts mit einem Durchmesser, der deutlich kleiner als der Ventilkugeldurchmesser ist, weiter in einen Ventilauslaß 22 mit sich konisch erweiternder Form und einen Ventilsitzbe­ reich 23.

Zwischen dem konischen Ventilauslaß 22 und dem Ventilsitzbe­ reich 23 ist eine ringförmige erste Dichtkante 24 gebildet, und zwischen dem Ventilsitzbereich 23 und dem Ventileinlaß 21 ist eine ebenfalls ringförmige zweite Dichtkante 25 gebildet.

Die Ausgestaltung des Ventilsitzbereichs 23 mit den Dicht­ kanten 24 und 25 zwischen Ventileinlaß 21 und Ventilauslaß 22 ist am besten aus Fig. 3 ersichtlich, wo die Ventilkugel 3 und die Feder 4 weggelassen sind.

Die Ventilkugel 3 ist gummielastisch ausgebildet. Ihr Durch­ messer D1 ist geringfügig größer als der Durchmesser D2 der Dichtkante 24.

In Fig. 1 ist die Ventilkugel 3 in Vollinien in einer Posi­ tion dargestellt, wo sie mit ihrem Umfang ohne elastische Verformung der Kugel gerade an der ersten Dichtkante 24 an­ liegt. Außerdem ist die Ventilkugel 3 in Fig. 1 strichpunk­ tiert in der Öffnungsstellung angedeutet, in welcher Strö­ mungsmittel zwischen ihr und der konischen Wand des Ventil­ auslasses 22 hindurchtreten kann.

In Fig. 2 ist die Ventilkugel 3 in ihrer vollständig ge­ schlossenen Stellung dargestellt, d. h. die gummielastische Ventilkugel ist unter gewisser elastischer Verformung voll­ ständig in die hohlkugelige Sitzfläche 23 hineingedrückt, und liegt mit ihrem Umfang unter Spannung an der ersten Dicht­ kante 24 sowie außerdem an der zweiten Dichtkante 25 an. Die geometrische Auslegung der ersten Dichtkante 24, der zweiten Dichtkante 25 und des hohlkugeligen Sitzflächenbereichs 23 ist derart, daß die beiden Dichtkanten 24 und 25 auf einer gemeinsamen Kugeloberfläche mit dem Durchmesser D2 der ersten Dichtkante 24 liegende konzentrische Kreise darstellen. Der hohlkugelige Sitzflächenbereich 23 zwischen diesen beiden Dichtkanten stellt ebenfalls einen Abschnitt dieser Kugel­ oberfläche mit dem Durchmesser D2 dar, d. h. der Krümmungs­ radius R des Sitzflächenbereichs 23 ist der halbe Durchmes­ ser D2. Dabei handelt es sich um den maximalen Krümmungs­ radius, den der Sitzflächenbereich 23 haben kann.

Alternativ dazu kann der Sitzflächenbereich 23 einen etwas kleineren Krümmungsradius R haben, so daß er also nicht mehr genau hohlkugelig, sondern etwas mehr bauchig ist. In diesem Fall erhält man die Wirkung, daß die Ventilkugel 3, wenn sie sich in ihrer vollständig geschlossenen Stellung gemäß Fig. 2 befindet, sie nicht mehr unbedingt vollständig flächig an dem Sitzflächenbereich 23 anliegt, sondern der dichtende Kontakt hauptsächlich linienförmig sowohl an der ersten Dichtkante 24 als auch an der zweiten Dichtkante 25 hergestellt ist.

Es ergibt sich folgende Funktion:

Bei Bewegung der Ventilkugel 3 in Schließrichtung kommt diese mit ihrem Umfang gemäß Fig. 1 zunächst mit der ersten Dicht­ kante 24 in Berührung. In diesem Augenblick ist die gummi­ elastische Kugel noch nicht verformt. Der Kugelmittelpunkt befindet sich in diesem Zustand in einer Distanz H (siehe Fig. 1) oberhalb der Ebene der ersten Dichtkante 24. Die Ver­ bindungslinie zwischen den Kugelmittelpunkt und der ersten Dichtkante 24 bildet in diesem Zustand mit der Ebene der ersten Dichtkante 24 einen Winkel β. Bei weiterem Druck auf die Ventilkugel 3 in Schließrichtung durch die Feder 4 und/oder einen Strömungsmittelgegendruck wird die gummi­ elastische Kugel 3 nun vollständig in den Ventilsitzbe­ reich 23 hineingedrückt, bis sie an der zweiten Dichtkante 25 ebenfalls anliegt. Dabei wird die Kugel gummielastisch etwas zusammengedrückt, wobei die Kraftachsen zwischen Kugelmittel­ punkt und der ersten Dichtkante 24, wie aus Fig. 1 ersicht­ lich, ein flaches, sehr stumpfwinkliges Dreieck ergeben. Mit relativ geringfügiger Kraft F auf die Kugel 3 läßt sich die Kugel nach dem Kniehebelprinzip also vollständig in den Sitz­ flächenbereich 23 hineindrücken.

Das eben erwähnte Kniehebelprinzip meint folgendes: In der in Fig. 1 dargestellten Stellung der Ventilkugel können die in Fig. 1 eingezeichneten Kugelradien, die mit dem Durchmesser der ersten Dichtkante 24 ein flaches stumpfwinkliges Dreieck ergeben, wie zwei Hebel betrachtet werden, die zusammen eine Kniehebelanordnung bilden, wobei der Kugelmittelpunkt das Kniegelenk darstellt. Weil diese Kniehebelanordnung sich fast in der Streckstellung befindet, reicht eine relativ geringfügige Kraft F auf, um die Kugel 3 um die Distanz H in den Ventilsitzbereich 23 hineinzudrücken, wo die Kugel nun im Durchmesser elastisch gestaucht ist und die radiale Stauchkraft ein Vielfaches der Kraft F beträgt.

Bei vollständig im Sitzflächenbereich 23 sitzender Ventil­ kugel 3 befindet sich deren Mittelpunkt (siehe Fig. 2) in der Ebene der ersten Dichtkante 24. In der unteren Hälfte ist die Kugel elastisch zusammengedrückt, in der oberen Hälfte nicht. Daraus resultiert eine selbsttätige Rücksprung-Tendenz der Ventilkugel in Öffnungsstellung, was bei entsprechender Strö­ mungsmitteldruckkraft F′ in Öffnungsrichtung ein leichtes Öffnen der Ventilkugel bewirkt.

Damit wird erreicht, daß auch bei geringfügigen Unterschieden zwischen der Kraft F und F′ ein sensibles Öffnen und Schließen der Ventilkugel 3 mit geringer Federvorspannung der Feder 4 stattfindet.

Claims (3)

1. Kugelrückschlagventil mit einer gegebenenfalls federbe­ lasteten, gummielastischen Ventilkugel (3) in einem konischen Ventilkanalabschnitt und mit einem damit zusammenwirkenden Ventilsitz (23, 24, 25), der eine Einlaßöffnung (21) um­ schließt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) der Ventilsitz weist eine ringförmige erste Dichtkante (24) auf, deren Durchmesser (D2) geringfügig kleiner als der Ventil­ kugeldurchmesser (D1) ist, und
• b) an die Dichtkante (24) schließt sich eine hohlkugelartige Sitzfläche (23) an, die die Einlaßöffnung (21) umschließt.

2. Kugelrückschlagventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sitzfläche (23) mit der Einlaßöffnung (21) eine zweite ringförmige Dichtkante (25) bildet, und die erste ringförmige Dichtkante (24) und die zweite ringförmige Dicht­ kante (25) konzentrische Kreislinien auf einer gemeinsamen Kugelfläche einer Kugel bilden, deren Durchmesser gleich dem Durchmesser (D2) der ersten Dichtkante (24) ist, und daß der Krümmungsradius (R) der Sitzfläche (23), im Axialschnitt gesehen, maximal gleich dem halben Durchmesser (D2) der ersten Dichtkante (24) ist.

3. Kugelrückschlagventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Krümmungsradius (R) der Sitzfläche (23), im Axialschnitt gesehen, kleiner als der halbe Durchmesser (D2) der ersten Dichtkante (24) ist.