DE9413091U1 - Sealing element, in particular for use in actuators for liquid or gaseous media - Google Patents

Sealing element, in particular for use in actuators for liquid or gaseous media

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Pfeiffer Chemie-Armaturenbau GmbHPfeiffer Chemical Valves Construction GmbH

Hooghe Weg 41Hoogheweg 41

D-47906 KempenD-47906 Kempen

Dichtungselement, insbesondere zur Anwendung in Stellgliedern für flüssige oder gasförmige MedienSealing element, particularly for use in actuators for liquid or gaseous media

Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement, insbesondere zur Anwendung in Stellgliedern für flüssige oder gasförmige Medien, bestehend aus einem im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Bauteil aus Kunststoffmaterial.The invention relates to a sealing element, in particular for use in actuators for liquid or gaseous media, consisting of a substantially ring-shaped component made of plastic material.

Es ist bekannt, in derartigen Stellgliedern beispielsweise im Durchführungsbereich von Bauteilen durch koaxiale Öffnungen oder zwischen sich verdrehenden oder verschiebenden Bauteilen Dichtungsringe aus Kunststoffmaterial anzuordnen. In manchen Fällen ist es wünschenswert, koaxial zum Dichtungsring ein federndes Bauelement beispielsweise eine Tellerfeder anzuordnen, um eine definierte Spannungsverteilung am Dichtungsring zu erreichen. Hierbei stellt sich das Problem,It is known to arrange sealing rings made of plastic material in such actuators, for example in the area where components pass through coaxial openings or between rotating or moving components. In some cases it is desirable to arrange a spring component, such as a disc spring, coaxially to the sealing ring in order to achieve a defined stress distribution on the sealing ring. The problem here is that

daß bei Stellgliedern für agressive Medien diese, im allgemeinen aus Metall bestehenden, Federelemente nicht in Berührung mit dem Medium kommen sollen,that in actuators for aggressive media these spring elements, generally made of metal, should not come into contact with the medium,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dichtungselement der eingangs und im Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 erwähnten Bauart so auszubilden, daß es gleichzeitig als Abdichtelement und Federelement wirksam ist und auch an Dichtungsstellen eingesetzt werden kann, wo es im Kontakt mit einem agressiven Medium steht.The invention is based on the object of designing a sealing element of the type mentioned at the beginning and in the preamble of claim 1 in such a way that it is effective as a sealing element and a spring element at the same time and can also be used at sealing points where it is in contact with an aggressive medium.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Schutzanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Dichtungselementes sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved according to the invention with the features from the characterizing part of claim 1. Advantageous further developments of the sealing element according to the invention are described in the subclaims.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß das Dichtungselement aus zwei einstückig miteinander verbundenen Teilringen aufgebaut ist, von denen einer ein Federelement, beispielsweise eine Tellerfeder enthält, und die äußeren Bereiche der beiden Teilringe durch eine Umfangsnut voneinander getrennt sind, die auf die Größe der Tellerfeder so abgestimmt ist, daß deren Beweglichkeit in axialer Richtung sichergestellt ist. Hierzu soll die Umfangsnut eine Mindesttiefe und Mindestbreite haben, die durch den gewünschten Einsatzzweck festgelegt ist. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Tiefe der Umfangsnut mindestens so bemessen ist, daß der Nutenboden bei mindestens 50 % der radialen Dicke des ringförmigen Bauteils liegt und sich in etwa gegenüber der Mittellinie des Rings der Tellerfeder befindet. Dies wird weiter unten anhand eines AusführungsbeispielesThe basic idea of the invention is that the sealing element is constructed from two part rings that are connected to one another in one piece, one of which contains a spring element, for example a disc spring, and the outer areas of the two part rings are separated from one another by a circumferential groove that is matched to the size of the disc spring so that its mobility in the axial direction is ensured. For this purpose, the circumferential groove should have a minimum depth and minimum width that is determined by the desired purpose. It has proven to be useful if the depth of the circumferential groove is at least such that the groove base is at least 50 % of the radial thickness of the ring-shaped component and is located approximately opposite the center line of the ring of the disc spring. This is explained below using an example.

- 3 näher
erläutert.- 3 closer
explained.

Es hat sich gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Dichtungselement bei geringem Verschleiß sich ein sehr guter Toleranzausgleich erzielen läßt. Insbesondere in einer weiter unten beschriebenen Anwendung des Dichtungselementes zum Abdichten des Hahnkükens bei einem Kugelhahn hat sich gezeigt, daß ein ausgezeichneter Spannungsausgleich zu erreichen ist, insbesondere, wenn bei einem Temperaturanstieg und entsprechender Wärmeausdehnung der Bauteile ohne entsprechenden Ausgleich durch ein Federelement ein außerordentlich hoher Anstieg des Drehmoments zur Betätigung des Hahns auftreten würde. Durch die vollständige Umhüllung der Tellerfeder mit Kunststoffmaterial ist das Dichtungselement auch an Stellen einsetzbar, wo es im Kontakt mit agressiven Medien steht.It has been shown that with the sealing element according to the invention, very good tolerance compensation can be achieved with little wear. In particular, in an application of the sealing element described below for sealing the valve plug on a ball valve, it has been shown that excellent stress compensation can be achieved, especially when an increase in temperature and corresponding thermal expansion of the components without appropriate compensation by a spring element would result in an extraordinarily high increase in the torque for actuating the valve. By completely covering the disc spring with plastic material, the sealing element can also be used in places where it is in contact with aggressive media.

Im folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel für ein Dichtungselement nach der Erfindung und seine Anwendung in einem Kugelhahn näher erläutert.In the following, an embodiment of a sealing element according to the invention and its application in a ball valve are explained in more detail with reference to the accompanying drawings.

In den Zeichnungen zeigen:The drawings show:

Figur 1 einen radialen Querschnitt durch ein Dichtungselement nach der Erfindung;Figure 1 shows a radial cross section through a sealing element according to the invention;

Figur 2 im Axialschnitt einen Kugelhahn mit durch zwei Dichtungselemente nach Figur 1 gelagertem Hahnküken.Figure 2 shows an axial section of a ball valve with a valve plug supported by two sealing elements as shown in Figure 1.

Figur 1 zeigt ein Dichtungselement, das als ringförmiges Bauteil aufgebaut ist, welches durch eine am äußeren Umfang angeordnete Nut 3 in zweiFigure 1 shows a sealing element which is constructed as an annular component which is divided into two

-A--A-

einstÜGkig miteinander verbundene koaxial zueinanderliegende Teilringe 1 und 2 aufgeteilt ist. Innerhalb des ersten Teilrings 1 ist eine ringförmige Tellerfeder 4 derart angeordnet, daß sie von dem Kunststoffmaterial des Teilrings 1 vollständig umschlossen ist. Als Kunststoffmaterial für die beiden Teilringe 1 und 2 kann ein für diese Anwendungen übliches Kunststoffmaterial verwendet werden.one-piece, coaxially connected partial rings 1 and 2. An annular disc spring 4 is arranged within the first partial ring 1 in such a way that it is completely enclosed by the plastic material of the partial ring 1. A plastic material that is common for these applications can be used as the plastic material for the two partial rings 1 and 2.

Wichtig für die Funktionsweise des Dichtungselementes ist die Tiefe und Breite der Umfangsnut 3, In Figur 1 ist mit D der maximale Außendurchmesser des Bauteils, mit d der minimale Innendurchmesser des Bauteils, mit Dn der Durchmesser des Nutenbodens 3.1 der Umfangsnut 3 und mit Dt der Mittendurchmesser der Tellerfeder 4 bezeichnet. Es hat sich herausgestellt, daß gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die Tiefe der Umfangsnut 3 so bemessen ist, daß gilt: Dn-^-D - d. Das heißt, daß die Tiefe der Umfangsnut so groß sein soll, wie das in Anbetracht der Verschleißfestigkeit möglich ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn gilt: Dn^· Dt was bedeutet, daß der Nutenboden 3.1 in etwa der Mittellinie auf dem Ring der Tellerfeder gegenüberliegt.The depth and width of the circumferential groove 3 are important for the functioning of the sealing element. In Figure 1, D is the maximum external diameter of the component, d is the minimum internal diameter of the component, Dn is the diameter of the groove base 3.1 of the circumferential groove 3 and Dt is the center diameter of the disc spring 4. It has been found that good results are achieved if the depth of the circumferential groove 3 is dimensioned such that: Dn-^-D - d. This means that the depth of the circumferential groove should be as large as possible considering the wear resistance. It is also advantageous if: Dn^· Dt which means that the groove base 3.1 is approximately opposite the center line on the ring of the disc spring.

Auch das Verhältnis der Dicke der beiden Teilringe 1 und 2 zur Weite der Umfangsnut 3 kann gut an die speziellen Einsatzverhältnisse angepaßt werden. So kann das Dichtungselement beispielsweise so aufgebaut sein, daß die beiden Teilringe 1 und 2 im wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen. Es hat sich aber als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dicken des die Tellerfeder 4 enthaltenden Teilrings 1, die Nutenbreite der Umfangsnut 3 und die Die: ces anderen Teilringes 2 sich verhalten wieThe ratio of the thickness of the two partial rings 1 and 2 to the width of the circumferential groove 3 can also be well adapted to the specific application conditions. For example, the sealing element can be constructed in such a way that the two partial rings 1 and 2 have essentially the same thickness. However, it has proven to be advantageous if the thicknesses of the partial ring 1 containing the disc spring 4, the groove width of the circumferential groove 3 and the diameter of the other partial ring 2 behave as follows:

40-60:9-10:35-40 wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel als vorteilhaftes Verhältnis 50 zu 9,5 zu 37 gewählt ist.40-60:9-10:35-40, whereby in the illustrated embodiment the advantageous ratio is 50 to 9.5 to 37.

An den nach außen weisenden Stirnflächen besitzen die beiden Teilringe 1 und 2 Anlageflächen die ebenfalls an den speziellen Einsatzzweck angepaßt sind. So ist beispielsweise die äußere Stirnfläche des ersten Teilrings 1 kegelstumpfförmig nach innen abfallend mit einem Winkel von etwa 9 zur Ringebene ausgebildet, während die äußere Stirnfläche 2.1 des anderen Teilrings 2 als Kugelzone ausgebildet ist und zwar im Hinblick auf die nachfolgend anhand von Figur 2 geschilderte Anwendung des Dichtungselementes innerhalb eines Kugelhahns.On the outward-facing end faces, the two partial rings 1 and 2 have contact surfaces that are also adapted to the specific application. For example, the outer end face of the first partial ring 1 is designed as a truncated cone, sloping inwards at an angle of approximately 9 to the ring plane, while the outer end face 2.1 of the other partial ring 2 is designed as a spherical zone, with a view to the application of the sealing element within a ball valve, as described below with reference to Figure 2.

Figur 2 zeigt einen üblichen Kugelhahn mit einem aus den Teilen 5.1 und 5.3 aufgebauten Gehäuse, das über Flansche 5.2 und 5.4 an Rohrleitungsteile anschließbar ist. Das Gehäuse ist an seiner Innenseite mit einer Auskleidung 6 aus Kunststoffmaterial versehen. Die beiden Gehäuseteile 5.1 und 5.3 sind an ihrer Unterseite über eine Schrauben-Bolzenverbindung 7.1-7.2 miteinander verbunden. Im Inneren des Gehäuses ist ein Hahnküken 8 angeordnet mit einer Durchtrittsbohrung 8.1, das über eine Welle 9 verdrehbar ist, die durch den auf das Gehäuse aufgesetzten Deckel 11 hindurchgeführt ist und an ihrer Außenseite mit einem Element 10 zum Anschluß eines Drehantriebs verbunden ist. Die Durchführung der Welle 9 durch das Gehäuse nach außen geschieht mittels einer Dichtung 14, die über einen Zwischenring 13 durch Tellerfedern 12 mit Spannung beaufschlagt ist, die innerhalb des Deckels 11 angeordnet sind.Figure 2 shows a conventional ball valve with a housing made up of parts 5.1 and 5.3, which can be connected to pipe parts via flanges 5.2 and 5.4. The housing is provided on its inside with a lining 6 made of plastic material. The two housing parts 5.1 and 5.3 are connected to one another on their underside via a screw-bolt connection 7.1-7.2. Inside the housing there is a valve plug 8 with a through-hole 8.1, which can be rotated via a shaft 9, which is led through the cover 11 placed on the housing and is connected on its outside to an element 10 for connecting a rotary drive. The shaft 9 is led through the housing to the outside by means of a seal 14, which is subjected to tension via an intermediate ring 13 by disc springs 12, which are arranged inside the cover 11.

Im Inneren des Gehäuses sind koaxial zur Durch-Inside the housing are coaxial to the through-

trittsöffnungsachse der Bohrung 8.1 des Hahnkükens 8 zwei Dichtungselemente 15 und 16 angeordnet, die in der oben anhand von Figur 1 beschriebenen Weise ausgebildet sind. Mit den Stirnseiten der die Tellerfedern enthaltenden ersten Teilringe stützen sich die Dichtungselemente 15 und 16 an Innenschultern im Gehäuse ab, während die als Kugelzonen ausgebildeten nach innen weisenden Stirnflächen der Dichtungselemente 15 und 16 dem Hahnküken 8 zugewandt sind, das über entsprechend ausgebildete Kugelzonen 8.2 und 8.3 an ihnen anliegt. Das Hahnküken 8 ist somit über die Dichtungselemente 15 und 16 im Gehäuse 5.1-5,3 drehbar gelagert und durch die elastischen Eigenschaften der Dichtungselemente 15 und 16 ist sichergestellt, daß auch bei einem zur Ausdehnung der Bauteile führenden Temperaturanstieg das zur Betätigung des Kugelhahns erforderliche Drehmoment nicht in unzulässiger Weise ansteigt.Two sealing elements 15 and 16 are arranged on the outlet opening axis of the bore 8.1 of the valve plug 8, which are designed in the manner described above with reference to Figure 1. The front sides of the first partial rings containing the disc springs support the sealing elements 15 and 16 on inner shoulders in the housing, while the inward-facing front surfaces of the sealing elements 15 and 16, designed as spherical zones, face the valve plug 8, which rests against them via correspondingly designed spherical zones 8.2 and 8.3. The valve plug 8 is thus rotatably mounted in the housing 5.1-5.3 via the sealing elements 15 and 16, and the elastic properties of the sealing elements 15 and 16 ensure that even if the temperature increases, causing the components to expand, the torque required to operate the ball valve does not increase to an unacceptable extent.

Infolge der völligen Umschließung der Tellerfedern durch die ersten Teilringe der Dichtungselemente 15 und 16 kommen diese nicht in Berührung mit dem durch die Leitung strömenden Medium.As a result of the disc springs being completely enclosed by the first partial rings of the sealing elements 15 and 16, they do not come into contact with the medium flowing through the line.

Zur besseren Übersichtlichkeit sind in Figur 2 die Dichtungselemente 15 und 16 nur schematisch und nicht in allen in Figur 1 gezeigten Einzelheiten dargestellt.For better clarity, the sealing elements 15 and 16 are shown only schematically in Figure 2 and not in all the details shown in Figure 1.

Claims (11)

SchutzansprücheProtection claims 1. Dichtungselement insbesondere zur Anwendung in Stellgliedern für flüssige oder gasförmige Medien bestehend aus einem im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Bauteil aus Kunststoff material , dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Bauteil durch eine am äußeren Umfang angeordnete Umfangsnut (3) mit vorgegebener Tiefe in zwei einstückig miteinander verbundene koaxial zueinander liegende Teilringe (1, 2) aufgeteilt ist, wobei in einem ersten der beiden Teilringe (1) koaxial zur Ringachse mindestens ein im wesentlichen ringförmiges, metallisches Federelement (4) so angeordnet ist, daß es vom Kunststoffmaterial vollständig umschlossen ist.1. Sealing element, in particular for use in actuators for liquid or gaseous media, consisting of a substantially ring-shaped component made of plastic material, characterized in that the ring-shaped component is divided into two coaxially connected partial rings (1, 2) by a circumferential groove (3) arranged on the outer circumference with a predetermined depth, wherein in a first of the two partial rings (1) at least one substantially ring-shaped, metallic spring element (4) is arranged coaxially to the ring axis in such a way that it is completely enclosed by the plastic material. 2. Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement als Tellerfeder (4) ausgebildet ist.2. Sealing element according to claim 1, characterized in that the spring element is designed as a disc spring (4). 3. Dichtungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Umfangsnut (3) so bemessen ist, daß gilt: Dn^-D-d, wobei Dn der Durchmesser des Nutenbodens, D der maximale Außendurchmesser und d der minimale Innendurchmesser des ringförmigen Bauteils (1-2) sind.3. Sealing element according to claim 1 or 2, characterized in that the depth of the circumferential groove (3) is dimensioned such that: Dn^-D-d, where Dn is the diameter of the groove bottom, D is the maximum outer diameter and d is the minimum inner diameter of the annular component (1-2). 4. Dichtungselement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Nut (3) und Tellerfeder (4) so zueinanderliegen, daß gilt: Dn^ü-Dt wobei Dn der Durchmesser des Nutenbodens und Dt der Mittendurchmesser der Tellerfeder (4) ist4. Sealing element according to claim 2 or 3, characterized in that the groove (3) and the disc spring (4) are arranged relative to one another in such a way that: Dn^ü-Dt where Dn is the diameter of the groove base and Dt is the center diameter of the disc spring (4) 5. Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilringe (1, 2) im wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen,5. Sealing element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the two partial rings (1, 2) have substantially the same thickness, 6. Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken des das Federelement enthaltenden ersten Teilrings (1), die Nutenbreite und die Dicke des anderen Teilrings (2) sich verhalten wie 40-60:9-10:35-40.6. Sealing element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thicknesses of the first partial ring (1) containing the spring element, the groove width and the thickness of the other partial ring (2) are in the ratio 40-60:9-10:35-40. 7. Dichtungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dicken des das Federelement enthaltenden ersten Teilrings (1), die Nutenbreite und die Dicke des anderen Teilrings (2) verhalten wie 50:9,5:37.7. Sealing element according to claim 6, characterized in that the thicknesses of the first partial ring (1) containing the spring element, the groove width and the thickness of the other partial ring (2) are in the ratio 50:9.5:37. 8. Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Bauteil (1-2) an beiden Stirnseiten von außen nach innen abfallende Anlageflächen (1.1, 2.1) aufweist.8. Sealing element according to one of claims 1 to 7, characterized in that the annular component (1-2) has contact surfaces (1.1, 2.1) sloping from the outside to the inside on both end faces. 9. Dichtungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die an der äußeren Stirnfläche des ersten Teilrings (1) angeordnete Anlagefläche (1.1) kegelstumpfförmiger ausgebildet ist.9. Sealing element according to claim 8, characterized in that at least the contact surface (1.1) arranged on the outer end face of the first partial ring (1) is frustoconical. mmmm 10. Dichtungselement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die an der äußeren Stirnfläche des zweiten Teilrings (2) angeordnete Anlagefläche als Kugelzone (2,1) ausgebildet ist.10. Sealing element according to claim 8 or 9, characterized in that the contact surface arranged on the outer end face of the second partial ring (2) is designed as a spherical zone (2,1). 11. Dichtungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es Teil eines Kugelhahns ist, indem das an seiner Außenfläche .ugelzonen (8.2, 8.3) aufweisende Hahnküken (8) im Hahngehäuse (5.1-5.3) derart gelagert ist, daß es sich an zwei diametral einander gegenüberliegenden Seiten an den Anlageflächen des zweiten Teilringes je eines Dichtungselementes (15, 16) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 abstützt, die koaxial zur Eintritts- bzw. Austrittsleitung angeordnet sind und sich an Innenschultern des Hahngehäuses (5.1-5.3) abstützen.11. Sealing element according to claim 10, characterized in that it is part of a ball valve, in that the valve plug (8) having ball zones (8.2, 8.3) on its outer surface is mounted in the valve housing (5.1-5.3) in such a way that it is supported on two diametrically opposite sides on the contact surfaces of the second partial ring of a sealing element (15, 16) according to one of claims 1 to 9, which are arranged coaxially to the inlet and outlet lines and are supported on inner shoulders of the valve housing (5.1-5.3).
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