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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Kugelhahn nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren.
zur Gängigmachung
eines Kugelhahns.
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Bei einem bekannten Kugelhahn dieser
Art (
DE 1 700 173 A )
weist das Gehäuse
sphärische Sitzflächen auf,
die im wesentlichen mit der Aussenfläche der Kugel übereinstimmen.
Die Spindel ist in einem rohrförmigen
Gehäuseteil
gelagert, das ringförmige
Stirnflächen
gegenüber
abgeflachten Seiten der Kugel aufweist und in dem dazwischen liegenden Spalt
sind Ringscheiben aus Teflon angeordnet. Zwischen den sphärischen
Sitzflächen
und dem rohrförmigen
Gehäuseteil
erstreckt sich eine Lücke,
die einen Totraum bildet, in welchen sich Medium ansammeln kann,
das die Abdichtbarriere am abzudichtenden Spalt zwischen Gehäuse und
Kugel überwunden hat.
Solches Medium kann festbacken und die Gängigkeit der Kugel beeinträchtigen.
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Bei einem weiteren bekannten Kugelhahn dieser
Art (
DE 28 07 913 C2 )
wird die Ventilkugel von zwei Dicht- oder Lagerschalen beaufschlagt,
welche die Oberfläche
der Kugel vom Rande der durch die Kugel führenden Bohrung oder des Medienschaltkanals
bis zu einer Stelle in gewissem Abstand zu dem Eingriff der Ventilbetätigungsspindel
in die Ventilkugel umgeben. Die Dichtschalen weisen jeweils eine den
Mediumkanal umgebende Nut mit V-förmigem Querschnitt auf, in
welchen ein Druckring mit ähnlichem
Querschnitt eingreift, um mittels der Kraft von Tellerfedern jeweils
Randbereiche der Dichtschalen, die durch die V-förmige Nut mit geringer Wandstärke ausgebildet sind,
gegen die Oberfläche
der Kugel zu drücken
und so eine Dichtwirkung zu bewirken. Als Material der Dichtschalen
ist Kunststoff genannt, von dem man sich vorstellen kann, daß er die
geforderte Anschmiegsamkeit an die Kugeloberfläche erreicht. Die Verwendung
von Kunststoff als Dichtungsmaterial hat aber auch Nachteile, insbesondere
was die Verschleißfestigkeit
bei der Förderung
von abrassiven Materialien angeht, die im Falle von sehr feinen Partikeln
an der Oberfläche
der Ventilkugel haften können
und in den Spalt zwischen Kugel und Dichtschale hineingeschleppt
werden können.
Dies kann im übrigen
zu äußerster
Schwergängigkeit
des Kugelhahns führen,
so daß der
Ventilantrieb die Ventilbetätigungsspindel
nicht mehr drehen kann. Eine weitere Schwierigkeit bei der Verwendung
von Kunststoff kann die Feuersicherheit betreffen, d.h. die Dichtigkeit
des Ventils zur Atmosphäre
hin bei auftretendem Feuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Kugelhahn der angegebenen Art so auszubilden, daß mit ihm
der Gefahr der Schwergängigkeit
begegnet werden kann. Die Lösung
der Aufgabe ist in den Ansprüchen
angegeben.
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Im einzelnen ist das Ventilgehäuse im Bereich
des Überganges
zwischen Ventilspindel und Ventilkugel unter Bildung eines Spaltes
bis nahe an die Ventilkugel herangeführt. Der Spalt wird durch ein Axiallager
abgedichtet, das zwei Gleitlagerringe mit aneinander angepaßten, äußerst glatten
Lagerflächen
umfaßt,
die mit Federdruck aneinander anliegen. Dadurch werden nicht nur
jegliche Toträume
im Inneren des Kugelhahns vermieden, es wird auch eine zusätzliche
Dichtung geschaffen, die für
die Feuersicherheit beiträgt.
Ferner wird die Voraussetzung für
die Herabsetzung des benötigten
Betätigungsdrehmomentes
des Kugelhahns geschaffen, indem gewisse freie Gestaltungsmöglichkeiten
bei der Abdichteinrichtung an der Ventilkugel eröffnet werden.
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Die Ventilkugel weist zweckmäßigerweise
im Bereich des Übergangs
zur Ventilspindel eine Abflachung auf, die einer entsprechenden
Abflachung des Gehäuses
gegenübersteht,
wobei die Gleitlagerringe in Nuten untergebracht sind, die in diesen
Abflachungen eingearbeitet sind. Auf diese Weise kann man mit ebenen
Flächen
arbeiten, die sich bekanntlich leichter als gekrümmte Flächen bearbeiten lassen.
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Die Ventilkugel ist zweckmäßig symmetrisch ausgebildet,
d.h. es ist eine weitere Abflachung an der Ventilkugel vorgesehen,
und ein weiteres Axiallager aus Gleitlagerringen ist symmetrisch
zum ersten Axiallager angeordnet. Die Gleitlagerringe bestehen aus
einem geläppten
und polierten keramischen Werkstoff, wobei insbesondere Siliciumcarbid
in Betracht kommt. Es können
aber auch andere keramische Oxide, Carbide und Nitride verwendet
werden.
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Um die Gleitlagerringe gleichzeitig
als Federdruckelemente auszunutzen, können die Gleitlagerringe mit
Graphitringen hinterlegt sein, die eine Elastizität von beispielsweise
8 bis 10% aufweisen. Dadurch können
Wärmedehnungen
abgefangen werden, die an den Bauteilen des Ventils auftreten, ohne daß das Ventil
klemmt oder undicht wird.
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Die Abdichteinrichtung an der Ventilkugel umfaßt mindestens
einen hydraulischen Kolben, der ringförmig den Mediumkanal umgibt
und in Richtung auf die Kugel und deren Abdichteinrichtung bzw.
in Gegenrichtung geführt
ist. In dem Gehäuse
führt eine hydraulische
Druckzuführleitung
zu einem Druckbeaufschlagungsraum des Kolbens, um diesen in Richtung
auf die Kugelabdichtung zu verschieben. Dadurch kann erreicht werden,
daß die
Anpressung der Kugelabdichteinrichtung an die Erfordernisse des Betriebs
angepaßt
werden kann, d.h. beispielsweise bei auftretender Schwergängigkeit
des Kugelhahns auch herabgesetzt werden kann. Die zugeführte hydraulische
Flüssigkeit
wird außerdem
als Sperrflüssigkeit
verwendet, die den Austritt des geförderten Mediums durch Spalten
am Gehäuse
des Kugelhahns sicher verhindert.
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Der Kolben weist eine der Kugelabdichtung benachbarte,
ringförmige
Trennfläche
auf, die gegenüber
dem hydraulischen Druck und – größtenteils – gegenüber dem
Mediumdruck abgedichtet ist. Die ringförmige Trennfläche zwischen
Kolben und Kugelabdichtung sollte einen Durchmesser aufweisen, der mindestens
dem Durchmesser der Ventilkugel gleichkommt. Auf diese Weise kann
man die Ventilkugel samt ihrer Kugelabdichtung aus dem Gehäuse abziehen,
wenn dieses ein rohrförmiges
Spindelgehäuseteil
aufweist, das in den Hauptteil des Gehäuses mit einem Durchmesser
eingefügt
ist, der wenigstens dem Durchmesser der ringförmigen Trennfläche gleichkommt.
Eine derartige Gestaltung des Kugelhahns ist dann wichtig, wenn
mit Störungen
der Förderung
gerechnet werden muß,
beispielsweise weil es sich um stark klebende und aushärtende Massen
oder auch um stark abrassive Pulver handelt. Nach Stillegung des
Förderstrangs
kann der Kugelhahn leicht gewartet werden.
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Der hydraulische Kolben kann mit
seiner Innenseite ein Stück
der Wand des Mediumkanals bilden. In diesem Fall weist der Druckbeaufschlagungsraum
zum Mediumkanal einen Spalt auf, der zweckmäßigerweise durch eine Dichtung
mit Abstreifer abgedichtet ist. Auf diese Weise bleibt der Kolben
gängig,
auch wenn stark klebende und aushärtende sowie abrassive Medien
gefördert
werden, weil die Dichtfläche
am Kolben ständig
freigeschabt und damit von Verunreinigungen freigehalten wird.
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Der Druckbeaufschlagungsraum kann
als Ringspalt zwischen einem gehäusefesten
Teil und dem hydraulischen Kolben ausgebildet sein, d.h. eine minimale
Größe aufweisen.
Es ist aber auch möglich,
daß ausgehend
von dem Ringspalt noch achsparallele, am Ringspalt verteilt angeordnete Bohrungsfortsätze vorgesehen
sind, in denen jeweils eine Druckfederanordnung sitzt, die auf diese
Weise Federgruppen bilden. Jede Druckfedereinrichtung oder alle
Gruppenglieder weisen eine Schraubenfeder, einen Zwischenring, einen
Federring und einen Aufnahmering auf, die teilweise im Gehäuse und
teilweise im hydraulischen Kolben angeordnet sind. Zweckmäßigerweise
werden die Schraubenfeder und der Zwischenring gehäuseseitig
und der Federring und der Aufnahmering kolbenseitig angeordnet, da
man den Bohrungsfortsatz größerer Tiefe
bequemer im Gehäuse
unterbringen kann.
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Wenn ein Kugelhahn allzu schwergängig geworden
ist oder gar blockiert, wird die Abdichteinrichtung an der Kugel
unter hydraulischen Wechseldruck gesetzt. Wenn der hydraulische
Druck niedrig ist, legt man ein Drehmoment an die Spindel an, welche
daraufhin die Kugel zu drehen versucht. Nach mehrmaligem Wechsel
ist das störende
Material im allgemeinen zermalmt worden, und die Kugel kann gedreht werden.
Sollte dies doch nicht der Fall sein, kann man die Kugel samt Spindel
und einen Teil des Gehäuses
samt Kugelabdichtung abziehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen Kugelhahn, teilweise weggebrochen,
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2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II in 1, 3 eine Einzelheit aus 1 bei angelegtem Hydraulikdruck
und
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4 die
gleiche Einzelheit bei fehlendem Hydraulikdruck.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch die Hälfte
eines Kugelhahns, den man sich demgemäß nach der anderen Seite hin
ergänzt
zu denken hat. Die hauptsächlichsten
Teile des Kugelhahns sind ein Gehäuse 1, eine Ventilkugel 2,
eine Ventilbetätigungsspindel 3,
eine Abdichteinrichtung 4 an der Ventilkugel, eine Abdichteinrichtung 5 an
der Ventilbetätigungsspindel
und ein Axiallager 6 im Übergangsbereich des Spaltes
zwischen Gehäuse
einerseits und Ventilkugel bzw. Spindel andererseits. Aus Symmetriegründen ist
ein weiteres Axiallager 7 vorgesehen, so daß die Axiallager 6 und 7 zu
beiden Seiten einer Kugelkanal- und Leitungskanalachse K liegen.
Die Axiallager 6 und 7 weisen jeweils zwei Gleitlagerringe 8 und 9 auf,
deren Achse mit der Symmetrie- oder Spindelachse S zusammenfallen.
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Das Gehäuse 1 enthält ein Hauptgehäuseteil 10,
ein Spindelgehäuse 11 und
zwei Kanaleinsätze 12 zur
Auskleidung eines Mediumkanals 13, der Zufuhr- oder Abfuhrkanal
für das
Medium sein kann. Der Kanaleinsatz 12 ist in eine entsprechende
Bohrung des Hauptgehäuseteils 10 eingesetzt
und wird dort mittels einer Reihe von Inbusschrauben 14 gehalten.
Der Mediumskanal 13 setzt sich bei entsprechender Stellung
der Ventilkugel 2 in dem Kugelkanal 33 der Ventilkugel 2 fort.
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Das Spindelgehäuse 11 ist im großen und ganzen
rohrförmig
ausgebildet und in eine schlüssellochförmige Öffnung 15 (2) des Gehäuseteils 10 mit
seinem kugelseitigen Ende eingesetzt, welches einen Außendurchmesser
DS mit wenigstens dem Durchmesser D der Kugel 2 aufweist.
Die dreieckförmigen
Nuten 15a, 15b in der Wand des Gehäuses 10 sind
als Führungen
beim Herausheben der ringförmigen
Abdichtungen 4 vonnöten.
Das Spindelgehäuse 11 weist
ferner zwei Flansche 16 und 17 auf und ist mit
einem Kranz von Dehnungsschrauben 18 am Hauptgehäuseteil 10 festgeschraubt.
Ein Stopfbuchsendeckel 19 ist am Flansch 17 des
Spindelgehäuses 11 befestigt.
Das Spindelgehäuse 11 weist
eine der Form der Spindel 3 angepaßte Spindelbohrung 20 auf,
die mit Nuten zur Aufnahme der Spindelabdichteinrichtung 5 vorgesehen
sind.
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Die Spindelabdichteinrichtung ist
in zwei Dichtungsgruppen 21 und 22 unterteilt,
die unabhängig
voneinander arbeiten. Im Stopfbuchsendeckel 19 sind Tellerfedern 23 untergebracht,
die über
Druck- und Führungsringe 24 auf
die Gruppe 21 der Dichtringe einwirkt. Bei der Gruppe 22 der
Dichtringe sorgt eine Druckfeder 25, gegebenenfalls über ein
Führungslager 26,
für Vorspannung.
Die Spindel 3 weist ein verdicktes Ende 27 mit
Hohlraum 28 zur Aufnahme eines Kugelzapfens 29 auf,
der an der Kugel 2 angeformt ist und die gleiche Form wie
der Hohlraum 28 aufweisen kann, um ein Drehmoment von der Spindel 3 auf
die Kugel 2 übertragen
zu können.
Am Übergang
des Zapfens 29 zur Kugel 2 ist eine Abflachung 30 gebildet,
die sich kreisringförmig
um den Zapfen 29 herum erstreckt. Hier ist die Wandung 31 des
Zapfengehäuses 11 bis
nahe an den verdickten Teil 27 des Zapfens bzw. die Abflachung 30 der
Kugel herangeführt,
so daß nur
ein schmaler Spalt 32 zwischen diesen Teilen verbleibt.
Der Spalt 32 biegt im Bereich der Abflachung 30 radial
nach außen
ab und setzt sich in dem winzigen Spalt zwischen den beiden Gleitlagerringen 8 und 9 des
Axiallagers 6 fort. Die aufeinander gleitenden Flächen der
Gleitlagerringe 8 und 9 sind geschliffen, geläppt und
poliert, um die Rauhigkeiten auf 1 μm herabzudrücken und die Lagerflächen so
zu einer Abdichtung des Spaltes 32 zu gestalten. Prinzipiell
ist dies mit allen Gleitwerkstoffpaarungen 8/9 möglich, bevorzugt
werden aber keramische Materialien für die Gleitlagerringe im Bereich ihrer
Berührung
aneinander. Eine bevorzugte Paarung ist Siliciumcarbid auf Siliciumcarbid.
Die Lagerflächen 8/9 sollen
mit einem gewissen Druck aneinander liegen, der sich aber bei der
Ausdehnung der Teile nicht stark verändern soll. Dies wird durch
federndes Andrücken
der Gleitlagerringe 8 und 9 aufeinander erreicht.
Um gleichzeitig die Abdichtung auf der Rückseite der Gleitlagerringe 8 und 9 sicherzustellen,
weisen diese Reinstgraphitringbereiche an dieser Rückseite
auf, die jeweils an der Nutwandung der Kugel bzw. des Spindelgehäuses anliegen
und den dortigen Spalt abdichten. Die Graphitringbereiche sind um
8 bis 10 % elastisch zusammendrückbar und
liefern so die zur Abdichtung benötigte Andrückung bei den zwischen Kugel
und Gehäuse
auftretenden unterschiedlichen Wärme-
und Druckdehnungen.
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Aus Symmetriegründen kann ein weiterer Zapfen 35 an
der Kugel vorgesehen sein, der über ein
Führungslager 36 im
Gehäuseteil 10 abgestützt sein
kann. Es ist aber auch möglich,
die Teile 35, 36 fortfallen zu lassen, was vor
allem dann bei der feuersicheren Ausführung in Betracht kommt, um
der Kugel ein gewisses Ausweichen zu ermöglichen.
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Die Kugelabdichteinrichtung 4 besteht
aus zwei Ringanordnungen zur Kanalachse K, von denen die eine in 1 im Schnitt zu sehen ist. Wie ersichtlich,
können
ein Mantel 40 und eine Füllung 41 vorgesehen
sein. Innerer Aufbau und verwendete Materialien der Kugelabdichteinrichtung 4 werden
in Abhängigkeit
von dem zu fördernden
Medium und von dem Material der Kugel 2 gewählt.
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Wenn die Kugel 2 aus Edelstahl
der Bezeichnung 1.4571 oder 1.4408 besteht, kann das Material des
Dichtsitzes 4 Polytetrafluorethylen (PTFE), gegebenenfalls
als Suspensionspolymerisat, mit Tetrafluormethylen modifiziert sowie
mit Glasfasern versetzt sein. Die Ventilkugel kann auch verchromt
sein. Als weiteres Dichtsitzmaterial kommt Kohle, imprägniert mit
Antimonmetall, in Betracht. Die Sitzabdichtung 4 kann auch
eine metallische Beschichtung WoCrNiBSi + WC 75 HRC aufweisen, die
gegen eine Ventilkugel aus WoCrNi läuft. In allen diesen Fällen ist
die Oberfläche 43 der
Sitze 4 äußerst fein
bearbeitet, ebenso wie die Fläche
der Ventilkugel 2, so daß diese mit minimalem Spalt
aneinander gleiten können.
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Die Kugelabdichtung 4 weist
eine Rückseite 45 auf,
die zur gemeinsamen Fläche 15c (2) der Nuten 15a, 15b fluchtet,
so daß nach
Lösen der Schrauben 18 das
Spindelgehäuse 11 zusammen mit
der Spindel 3 und der Kugel 2 und den Kugelabdichtungen 4 in
der Zeichnung nach oben aus dem Hauptgehäuseteil 10 entnommen
bzw. von oben montiert werden kann (sogenannte Top-Entry-Ausführung).
Eine solche Ausführung
kann auch mit einer modifizierten Dichtung 4 erreicht werden,
bei der die Rückseite 45 zylindrisch überdreht
ist und der Außendurchmesser
DS des Spindelgehäuses
dieser zylindrisch überdrehten
Rückseite 45 entspricht.
Die Öffnung 15 wird
dann rein kreisförmig,
d.h. die Nuten 15a, 15b können entfallen.
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An der Rückseite 45 des Dichtsitzes 4 liegt ein
hydraulischer Kolben 50 an, der eine Innenseite 51 entsprechend
dem Mediumkanal 13, eine Vorderseite 52 entsprechend
der Fläche 45,
eine Rückseite 53 entsprechend
der Frontseite des Kanaleinsatzes 12 und eine Außenseite 54 entsprechend
dem Außendurchmesser
des Kanaleinsatzes 12 aufweist, wie am besten aus 3 und 4 ersichtlich. Zwischen der Frontfläche des
Kanaleinsatzes 12 und der Rückseite 53 des Kolbens 50 wird
ein ringförmiger Druckbeaufschlagungsraum 55 gebildet,
der sich in dem Spalt zwischen den Teilen bis zu einer Dichtung 56 fortsetzt,
die in einer Ringaussparung 57 zwischen den Teilen 12 und 50 angeordnet
ist. Die Ringaussparung 57 beherbergt im übrigen noch
einen Abstreifer 58, um die Rückseite 53 des Kolbens 50 im Bereich
der Aussparung 57 sauberzuhalten. Vom ringförmigen Druckbeaufschlagungsraum 55 gehen desweiteren
eine Reihe von Bohrungen 59 aus, die gleichmäßig am Umfang
des Ringspaltes 55 verteilt angeordnet sind und sich parallel
zur Richtung der Achse K erstrecken. Den Bohrungen 59 gegenüberliegend
sind Einsenkungen 60 in der Rückseite 53 des Kolbens 50 angebracht,
die zur Aufnahme jeweils eines Federringes 61 und eines
Aufnahmeringes 62 dienen. In den Bohrungen 59 sind
jeweils eine Schraubenfeder 63 und ein Zwischenring 64 angeordnet.
Die Teile 61 bis 64 bilden eine Druckfedergruppe,
um den Kolben 50 mit einer zu wählenden Vorspannungskraft gegen
die Rückseite
des Dichtsitzes 4 zu drängen.
Dies geschieht im wesentlichen durch entsprechende Wahl der Federkraft
der Schraubenfedern 63.
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Neben der konstanten Anpressung durch
die Federn 63 kann noch eine variable Anpressung infolge
hydraulischer Druckbeaufschlagung des Kolbens 50 erfolgen.
Hierzu wird hydraulische Druckflüssigkeit
in den Druckbeaufschlagungsraum 55 eingeführt, und
zwar über
einen Druckanschluß 65 (1), der über einen Kanal 66 zum
Spalt 54 oder in den Raum 59 führt, von wo aus die hydraulische Druckflüssigkeit
in den Druckbeaufschlagungsraum 55 gelangt. Die weitere
Ausbreitung der Hydraulikflüssigkeit
in den Spalten des Gehäuses 1 wird
durch weitere Dichtungen verhindert, nämlich eine Dichtung 67 zwischen
Kanaleinsatz 12 und Hauptgehäuseteil 10, eine Dichtung 68 zwischen
Hauptgehäuseteil 10 und
Spindelgehäuse 11,
eine Dichtung 69 zwischen Kolben 50 und Dichtungssitz 4 und
eine Flachdichtung 70 zwischen Hauptgehäuse 10 und Flansch 16 des
Spindelgehäuses 11.
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Bei der am Anschluß 65 zugeführten Hydraulikflüssigkeit
handelt es sich um eine geeignete Sperrflüssigkeit in Anbetracht des
zu fördernden
Mediums, die einen um 1,5 bis 2,0 bar höheren Druck als der Druck des
Mediums aufweist. Unter diesen Umständen werden alle Lückenräume bis
zu den Dichtungen 56, 67, 69, 70 sowie 5 mit
der Sperrflüssigkeit
aufgefüllt,
wenn die Luft in diesen Lückenräumen verdrängt wird.
Das zu fördernde
Medium kann normalerweise nicht in diese Lückenräume gelangen. Beim Abschalten
des Hydraulikdrucks nehmen die Dichtungen die in 4 gezeigte Stellung ein, d.h. es wird
eine gewisse Pumpwirkung in den Lückenräumen ausgeübt, wodurch die Gängigkeit
der Dichtungen 4 und der Kolben 50 aufrechterhalten wird.
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Im allgemeinen genügt es, den
Hydraulikdruck von einem nicht gezeichneten Thermosyphonbehälter zu
beziehen. Es können
natürlich
auch andere Druckquellen angewendet werden, um die hydraulische
Sperrflüssigkeit
gesteuert zuzuführen. Man
kann die Anpressung der Abdichtungen 4 hydraulisch steuern
und sich damit den Gegebenheiten am Kugelhahn anpassen. Beispielsweise
ist es möglich,
den Druck in den Augenblicken der Umschaltung des Kugelhahns abzuschalten
und dadurch die Reibungskraft zu vermindern, die bei der Betätigung des Kugelventils überwunden
werden muß.
Wenn man feststellt, daß das
Betätigungsmoment
für den
Kugelhahn zu groß geworden
ist, kann man ferner die hydraulische Kraft zu- und abschalten und
während
der Abschaltphasen den Hahn zu drehen versuchen, bis dies mit dem
erforderlichen geringen Drehmoment gelingt. Auf diese Weise läßt sich
das Kugelventil gängig
machen.