Schließelement für ein Durchflussventil

Die Erfindung betrifft ein Schließelement für ein selbsttätig schließendes Durchflussventil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Durchflussventil mit einem Ventilsitz und mit einem entsprechenden Schließelement.

In der Fluid- und Pumpentechnik kommen üblicherweise Rückschlag-Ventile zum Einsatz, die zum Ausrichten einer Fluidstroms in eine Strömungsrichtung genutzt werden. Sie erlauben eine Durchströmung eines zu fördernden Fluids in nur eine Richtung, verhindern jedoch den Rückfluss in Gegenrichtung.

Gängig ist hierbei der Einsatz von Kugelventilen. Bei einem Kugelventil wirkt eine Ventilkugel als Schließelement mit einem Kugelsitz, allgemein auch als Ventilsitz bezeichnet, zusammen. Durch die Auflage der Kugel auf dem Kugelsitz wirkt die Kugel in einer Strömungsrichtung als ein Absperrkörper und dichtet im geschlossenen Zustand, unterstützt vom Strömungsdruck ab. Wenn die Kraft eines das Kugelventil aus der anderen Strömungsrichtung anströmenden Fluids an der Unterseite der Kugel ausreicht, um diese aus dem Ventilsitz zu heben, kommt es zu einem Durchfluss des Fluids.

Insbesondere bei der Förderung von hochviskosen, zähflüssigen und massebehafteten Fluiden, z.B. von Aufschlämmungen in der Keramik- und Porzellanherstellung, ergeben sich beim Einsatz von Kugelventilen allerdings Probleme, da die eingesetzten Schließelemente, also die Ventilkugeln, an der Kontaktfläche schnell verschleißen. Bei der Ventilkugel resultiert hierbei im ungünstigsten Fall durch die im Betrieb auftretenden Kräfte eine umlaufende Rinne auf der Kugeloberfläche, die die störungsfreie Funktion des Kugelventils beeinträchtigt und den regelmäßigen Austausch der Ventilkugel erforderlich macht.

Der Erfindung liegt als eine erste Aufgabe zugrunde, ein Schließelement mit einer gegenüber Schließelementen des Stands der Technik verbesserten Haltbarkeit anzugeben. Als eine zweite Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde, ein Durchflussventil mit einem aufgrund der verbesserten Haltbarkeit des Schließelements verlängerten Lebensdauer anzugeben.

Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schließelement für ein selbsttätig schließendes Durchflussventil, umfassend einen zylindrischen Grundkörper, einen axial endseitig am Grundkörper angeordneten Dom, sowie ein an der dem Grundkörper zugewandten Seite des Doms angeordnetes Dichtelement, wobei in den Außenumfang des zylindrischen Grundkörper eine Anzahl von sich axial erstreckenden Rinnen eingebracht ist.

In einem ersten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass entweder der Ventilsitz oder aber die Ventilkugel eines entsprechenden Durchflussventils verändert werden könnte, um den beobachteten Verschleiß zu reduzieren. Eine Änderung des Ventilsitzes ist jedoch mit einem hohen technischen Aufwand verbunden und zudem kostenintensiv. Stattdessen geht die Erfindung von dem Ansatz aus, die Ventilkugel als Schließelement zu optimieren. Dazu wird die Ventilkugel überraschend durch ein geometrisch anders gestaltetes Schließelement ersetzt, bei welchem die Verschleißerscheinungen reduziert sind oder die Verschlei ßteile kostengünstiger ausgetauscht werden können.

Hierzu erkennt die Erfindung in einem zweiten Schritt, dass durch den Einsatz eines Schließelements mit einem zylindrischen Grundkörper - anstelle eines kugelförmigen Grundkörpers - der vorbeschriebenen Problematik begegnet werden kann. Das Schließelement umfasst hierzu einen zylindrischen Grundkörper, einen axial endseitig am Grundkörper angeordneten Dom, sowie ein an der dem Grundkörper zugewandten Seite des Doms angeordnetes Dichtelement, wobei in den Außenumfang des zylindrischen Grundkörper eine Anzahl von sich axial erstreckenden Rinnen eingebracht ist.

Das Schließelement wird als Teil eines Durchflussventils in einen entsprechenden Ventilsitz eingesetzt. Es dient als ein Absperrkörper und dichtet im geschlossenen Zustand, unterstützt vom Strömungsdruck ab. Dabei dichtet das Dichtelement gegenüber dem Ventilsitz ab und ist zugleich ein vergleichsweise kostengünstiges Verschleißelement. Wenn die Kraft eines das Schließelement aus der anderen Strömungsrichtung anströmenden Fluids an der Unterseite des Doms des

Schließelements ausreicht, um dieses aus dem entsprechenden Ventilsitz zu heben, kommt es zu einem Durchfluss des Fluids. Das Fluid strömt hierbei durch die in den zylindrischen Grundkörper eingebrachten axialen Rillen. Die oder jede axiale Rinne ist bevorzugt kreisbogenförmig in den zylindrischen Grundkörper eingesenkt. Derartig ausgebildete Rinnen begünstigen den Durchfluss des Fluids.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere axiale Rinnen über den Außenumfang des zylindrischen Grundkörpers verteilt, wobei die mehreren axiale Rinnen durch zwischen diesen ausgebildeten, sich in radialer Richtung erstreckenden Führungsflügeln in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Durch die Führungsflügel wird sichergestellt, dass das Schließelement im verbauten Zustand sicher innerhalb des Ventilsitzes geführt wird und nicht verkantet. So kann die störungsfreie Funktion eines selbsttätigen Durchflussventils mit dem entsprechenden Schließelement sichergestellt werden.

Der zylindrische Grundkörper ist vorzugsweise an seinem dem Dom zugewandten Ende durch eine Auflagefläche für das Dichtelement geschlossen, wobei der zylindrische Grundkörper und der Dom unter Zwischenlage des Dichtelements aneinander befestigt sind. Das Dichtelement verhindert bei in einem Ventilsitz eingesetztem Schließelement im geschlossenen Zustand den Durchtritt fluider Medien. Zu einer stabilen und sicheren Positionierung des Dichtelements ist der Dom vorzugsweise mit einer als Ausnehmung ausgebildeten Auflagefläche für das Dichtelement ausgebildet. Das Dichtelement ist zweckmäßigerweise als eine Dichtscheibe ausgebildet, die in der Ausnehmung des Doms aufgenommen ist. Der Durchmesser der Dichtscheibe ist hierbei vorzugsweise größer als der Durchmesser der Auflagefläche des zylindrischen Grundkörpers. Auf diese Weise wird die gewünschte Dichtwirkung sichergestellt. Bei sicherem Halt verbleibt ein freier Rand des Dichtelements, der gegen den Ventilsitz abdichtet.

Der Durchmesser des Doms ist zweckmäßigerweise größer als der Durchmesser des zylindrischen Grundkörpers. Im eingesetzten Zustand des Schließelements sichert der Dom die korrekte Positionierung des Schließelements innerhalb des Ventilsitzes. Das dem Ventilsitz im geschlossenen Zustand anliegende Dichtelement stützt sich im geschlossenen Zustand gegen den Dom ab.

Die vom zylindrischen Grundkörper abgewandte Seite des Doms kann gekrümmt oder nicht gekrümmt ausgebildet sein. Insbesondere kann die Oberseite des Doms beispielsweise kegelförmig ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Dom auf seiner vom zylindrischen Grundkörper abgewandten Seite kuppelartig gewölbt. Eine solche Ausgestaltung wirkt sich positiv auf das Strömungsverhalten von an dem Dom vorbeifließenden Fluiden aus.

Es ist weiter von Vorteil, wenn der Grundkörper mit einem sich axial erstreckenden Zapfen ausgebildet ist. Der Zapfen dient der Positionierung des Dichtelements und insbesondere einer Dichtscheibe an der Auflagefläche des zylindrischen Grundkörpers. Hierzu durchgreift der Zapfen im zusammengebauten Zustand vorzugsweise eine in dem Dichtelement bzw. der Dichtscheibe ausgebildete Öffnung.

Weiter ist es zweckmäßig, wenn der zylindrische Grundkörper mit einer ihn axial durchsetzenden Bohrung ausgebildet ist. Auch der Dom ist vorzugsweise mit einer ihn axial durchsetzenden Bohrung ausgebildet. So können der Dom und der zylindrische Grundkörper aneinander befestigt werden. Die Befestigung der beiden Bauteile erfolgt vorzugsweise mittels einer Schraube, wozu die den Dom axial durchsetzende Bohrung oder die den zylindrischen Grundkörper axial durchset- zende Bohrung zweckmäßigerweise als eine Gewindebohrung ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht auch einen einfachen Austausch des Dichtelements.

Das Schließelement ist bevorzugt aus einem Material gefertigt, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Stahl, Messing, Aluminium und Kunststoff enthält. Je nach Einsatzgebiet und unter Berücksichtigung der durchströmenden Medien kann so ein Schließelement aus dem passenden Material ausgewählt werden.

Die zweite Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Durchflussventil mit einem Ventilsitz und mit einem Schließelement nach einem der vorbeschriebenen Ausgestaltungen, wobei der Ventilsitz einen Flansch und einen keramischen Einsatz umfasst, wobei der Ventilsitz mit einer diesen axial durchsetzenden Durchflussöffnung ausgebildet ist, in welcher der zylindrische Grundkörper des Schließelements aufgenommen ist, und wobei das Schließelement mit dem Dichtelement im geschlossenen Zustand des Durchflussventils an einer Anlagefläche des keramischen Einsatzes des Ventilsitzes anliegt.

Das Durchflussventil ist dank des mit einem zylindrischen Grundkörper ausgebildeten Schließelements deutlich weniger störungsanfällig als die häufig als Durchflussventile eingesetzten Kugelventile. Das Durchflussventil ist für vielfältige Einsatzgebiete geeignet. Vorzugsweise wird der Ventilsitz in Membranpumpen und/oder Plungerpumpen eingesetzt. Insbesondere ist das Durchflussventil als Rückschlagventil einsetzbar. Das Dichtelement ist leicht und kostengünstig austauschbar.

Vorzugsweise kommen die radial nach außen gerichtete Enden der Führungsflügel des Schließelements am Innenumfang des Ventilsitzes zur Anlage. Das Schließelement wird durch die Anlage der Führungsflügel innerhalb des Ventilsitzes geführt, so dass ein Verkanten im Betrieb eines Durchflussventils verhindert wird. Der Flansch des Ventilsitzes ist zweckmäßigerweise im Wesentlichen als ein Hohlzylinder mit einer rotationssymmetrischen Aufnahmetasche im Inneren ausgebildet, wobei die Aufnahmetasche an ihrem oberen Ende von einem radial nach innen gerichteten, umlaufenden Bund des Flansches begrenzt ist. Die Aufnahmetasche ist beispielsweise in Form einer Ausnehmung am Innenumfang des hohlzylindrischen Flansches in diesen eingebracht. Rotationssymmetrie bedeutet hierbei, dass die Aufnahmetasche bis auf etwaige fertigungsbedingte Toleranzen oder bis auf vereinzelte Befestigungselemente bei einer Drehung um jeden beliebigen Winkel um ihre Symmetrieachse auf sich selbst abbildbar ist. Die Einbringung der Aufnahmetasche am Innenumfang des Flansches erfolgt vorzugsweise durch eine spanende Bearbeitung während der Fertigung des Flansches. Alternativ wird der Flansch durch ein Gussverfahren gefertigt.

Vorzugsweise ist der keramische Einsatz im Wesentlichen als ein Hohlzylinder ausgebildet, der in der Aufnahmetasche aufgenommen ist. Aufgrund der hohlzylindrischen Ausgestaltung wird der Durchfluss strömender Medien sichergestellt. Der radial nach innen gerichtete, umlaufende Bund des Flansches dient nach Aufnahme des keramischen Einsatzes in der Aufnahmetasche der sicheren Positionierung des keramischen Einsatzes und schützt diesen auf der Seite des Bundes vor einem Verrutschen und/oder Herausfallen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der keramische Einsatz über einen Haltering gegen den Bund abgestützt. Über den Haltering wird der in der Aufnahmetasche eingesetzte keramische Einsatz sicher und fest gehalten. Insbesondere ermöglicht der Haltering einen Austausch des Einsatzes. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Haltering mit einer umlaufenden Nut ausgebildet, in welche ein Dichtring zur Abdichtung gegenüber dem keramischen Einsatz eingesetzt ist. Auf diese Weise wird sowohl ein Austritt fluider Medien aus dem Flansch als auch der Eintritt von Verunreinigungen in das Strömungsmedium verhindert. Insbesondere verhindert der Dichtring einen Druckabfall im Strömungssystem. Das Durchflussventil ist für vielfältige Einsatzgebiete geeignet. Vorzugsweise wird das Durchflussventil in Membranpumpen und/oder Plungerpumpen eingesetzt. Insbesondere ist der Ventilsitz für einen Einsatz als Rückschlagventil ausgebildet.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in einem Längsschnitt einen zylindrischen Grundkörper eines

Schließelements,

Fig. 2 in einem Querschnitt den zylindrischen Grundkörper gemäß Fig. 1 ,

Fig. 3 in einem Längsschnitt einen Dom eines Schließelements,

Fig. 4 in einem Querschnitt den Dom gemäß Fig. 3, sowie

Fig. 5 in einem Längsschnitt einen Ventilsitz eines Durchflussventils.

In Fig. 1 ist als ein Teil eines Schließelements 1 dessen zylindrischer Grundkörper 3 in einem Längsschnitt A-A gezeigt. Der zylindrische Grundkörper 3 ist vorliegend aus einem Stahl gefertigt. In den Außenumfang 5 des zylindrischen Grundkörpers 1 sind sich axial erstreckenden Rinnen 7 eingebracht, die durch zwischen diesen ausgebildeten, sich in radialer Richtung 9 erstreckenden Führungsflügeln 1 1 in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Die axialen Rinnen 7 sind kreisbogenförmig in den zylindrischen Grundkörper 1 eingesenkt.

Der zylindrische Grundkörper 3 ist an einem Ende 13 durch eine Auflagefläche 15 geschlossen. Im zusammengesetzten Zustand befindet sich dieses Ende 13 des zylindrischen Grundkörpers 3 an der einem Dom (siehe Fig. 3) zugewandten Seite 17. Auf der Auflagefläche 15 ist vorliegend ein als Dichtscheibe ausgebildetes Dichtelement 19 angeordnet. Das Dichtelement 19 ist beispielsweise aus einem Hartkunststoff gefertigt. Weiter ist der zylindrische Grundkörper 3 an der im zusammengesetzten Zustand einem Dom zugewandten Seite 17 mit einem sich axial erstreckenden Zapfen 21 ausgebildet. Der Zapfen 21 greift in eine Öffnung 23 der Dichtscheibe 19 ein. Der Durchmesser 25 der Dichtscheibe 19 ist größer ist als der Durchmesser 27 des zylindrischen Grundkörpers 3, so dass die Dichtscheibe 19 in radialer Richtung 9 über die Auflagefläche 15 des zylindrischen Grundkörpers 3 hinausragt und dort eine Auflagefläche zum Abdichten gegenüber einem Ventilsitz bildet..

Weiter ist der zylindrische Grundkörper 3 mit einer ihn axial durchsetzenden Bohrung 29 ausgebildet. Die Bohrung 29 dient der Befestigung an einem Dom zur Ausbildung des Schließelements 1 unter Zwischenlage der Dichtscheibe 19. Hierzu wird vorliegend eine nicht gezeigte Schraube eingesetzt, die die Bohrung 29 durchragt und in eine Gewindebohrung des Doms (siehe Fig. 3) eingreift.

In Fig. 2 ist der zylindrische Grundkörper 3 gemäß Fig. 1 in einem Querschnitt gezeigt. Die Schnittebene A-A der Fig. 1 ist eingezeichnet. Anhand dieser Darstellung sind die in den Außenumfang 5 des zylindrischen Grundkörpers 3 kreisbogenförmig eingesenkten Rinnen 7 sowie die zwischen diesen ausgebildeten Führungsflügel 1 1 deutlich zu erkennen. Die Rinnen 7 sind hierbei von den sich in radialer Richtung 9 erstreckenden Führungsflügeln 1 1 in Umfangsrichtung 30 gleichmäßig voneinander beabstandet.

Im eingesetzten Zustand des zylindrischen Grundkörpers 3 als Teil des Schließelements 1 in einen Ventilsitz eines Durchflussventils kommen die radial nach außen gerichtete Enden 31 der Führungsflügel 1 1 am Innenumfang des Ventilsitzes zur Anlage. Das Schließelement 1 bzw. dessen zylindrischer Grundkörper 3 wird durch die Anlage der Führungsflügel 1 1 innerhalb des Ventilsitzes geführt, so dass ein Verkanten im Betrieb des entsprechenden Durchflussventils verhindert wird.

In Fig. 3 ist ein beispielsweise aus einem Stahl gefertigter Dom 41 als Teil eines Schließelements 3 in einem Längsschnitt gezeigt. Der Dom 41 wird unter Ausbildung des Schließelements 1 mit dem zylindrischen Grundkörper 3 gemäß den Fig. 1 und 2 verbunden, insbesondere verschraubt. Der Durchmesser 42 des Doms 41 ist hierbei größer als der Durchmesser 27 des zylindrischen Grundkörpers 3. Das Dichtelement 19 ist somit sicher am Dom 41 gegengelagert.

Der Dom 41 ist auf seiner im verbauten Zustand dem zylindrischen Grundkörper 3 eines Schließelements 1 zugewandten Seite 43 mit einer als Ausnehmung 45 ausgebildeten Auflagefläche 47 für die in Fig. 1 gezeigte Dichtscheibe19 ausgebildet. Werden der zylindrische Grundkörper 3 und der Dom 41 unter Zwischenlage der Dichtscheibe 19 aneinander befestigt, so wird die durch den Zapfen 21 an der Auflagefläche 15 des zylindrischen Grundkörpers 3 gehaltene Dichtscheibe 19 in der Ausnehmung 45 des Doms 41 aufgenommen. Durch ein Verschrauben des zylindrische Grundkörpers 3 und des Doms 41 wird die Dichtscheibe 19 zwischen den beiden Bauteilen 3, 41 fixiert.

Zur Befestigung des Doms 41 und des zylindrischen Grundkörpers 3 aneinander ist der Dom 41 ebenfalls mit einer ihn axial durchsetzenden Bohrung 49 ausgebildet. Eine zur Befestigung eingesetzte Schraube wird hierzu durch die den zylindrischen Grundkörper 3 axial durchsetzende Bohrung 29 in die Bohrung 49 des Doms geschraubt. Hierzu ist die Bohrung 49 des Doms 41 mit einem Gewinde 51 ausgebildet.

Weiter ist zur Verbesserung des Strömungsverhaltens von an dem Dom 41 vorbeifließenden Fluiden dieser auf seiner im verbauten Zustand vom zylindrischen Grundkörper 3 abgewandten Seite 49 kuppelartig gewölbt.

Fig. 4 zeigt den Dom 41 gemäß Fig. 3 in einem Querschnitt. Anhand der Darstellung ist insbesondere die den Dom 41 durchsetzende Bohrung 49 zu erkennen, über welche der Dom 41 unter Zwischenlage eines Dichtelements 19 mit dem zylindrischen Grundkörper 3 unter Ausbildung eines Schließelements 1 für ein Durchflussventil verschraubt werden kann. Das Schließelement 1 wird dann in einen Ventilsitz eingesetzt und insbesondere zur Förderung von hochviskosen, zähflüssigen und massebehafteten Fluiden eingesetzt werden. In Fig. 5 ist ein Durchflussventil 60 mit einem beispielhaften Ventilsitz 61 und einem vorbeschriebenen Schließelement 1 gezeigt. Der Ventilsitz 61 umfasst einen als Hohlzylinder ausgebildeten Flansch 63, der beispielsweise aus Stahl gefertigt ist. Der Ventilsitz 61 bzw. der Flansch 63 ist mit einer ihn axial durchsetzenden Durchflussöffnung 64 ausgebildet, in welchen das Schließelementl eingesetzt werden kann.

Der Flansch 63 ist an seinem oberen, in zusammengebauten Zustand dem Schließelement 1 zugewandten Ende 65 mit einem radial nach innen gerichteten, umlaufenden Bund 67 ausgebildet. Der Bund 67 begrenzt eine an dessen Innenumfang 69 eingebrachte rotationssymmetrische Aufnahmetasche 71 . In die Aufnahmetasche 71 ist ein hohlzylindrischer keramischer Einsatz 75 eingesetzt.

Im eingesetzten Zustand eines Schließelements 1 liegen die radial nach außen gerichteten Enden 31 der Führungsflügel 1 1 des zylindrischen Grundkörpers 3 am Innenumfang 77 des keramischen Einsatzes 75 an. Der Innenumfang 77 des keramischen Einsatzes 75 bildet somit eine Anlagefläche 79 für die Enden 31 der Führungsflügel 1 1 .

An der dem Bund 67 abgewandten Seite 81 ist ein Haltering 89 angeordnet, der den keramischen Einsatz 75 gegen den Bund 67 presst. Der Haltering 89 ist über Schrauben 91 lösbar am Bund 67 befestigt und mit einer umlaufenden Nut 93 ausgebildet. In die Nut 93 ist ein Dichtring 95 zur Abdichtung gegenüber dem keramischen Einsatz 75 eingesetzt, um ein Ausströmen eines Fluids aus dem Inneren des Flansches 63 ebenso verhindert, wie der Eintritt von Verunreinigungen. Zur Befestigung an Rohrleitungen und/oder Pumpen umfasst der Flansch 63 ein Flanschblatt 97 mit Bohrungen 99. Die Oberseite 100 des keramischen Einsatzes 75 bildet zugleich die Auflagefläche für das Dichtelement 19 des eingesetzten Schliesselements 1 . Bezugszeichenliste

1 Schließelement

3 zylindrischer Grundkörper

5 Außenumfang

7 Rinne

9 radiale Richtung

1 1 Führungsflügel

13 Ende

15 Auflagefläche

17 Seite

19 Dichtelement

21 Zapfen

23 Öffnung

25 Durchmesser Dichtscheibe

27 Durchmesser Grundkörper

29 Bohrung

30 Umfangsrichtung

31 Ende Führungsflügel

41 Dom

42 Durchmesser Dom

43 Seite

45 Ausnehmung

47 Auflagefläche

49 Bohrung

51 Gewinde

60 Durchflussventil

61 Ventilsitz

63 Flansch

64 Durchflussöffnung

65 Ende

67 Bund

69 Innenumfang Aufnahmetasche keramischer Einsatz Innenumfang Anlagefläche Seite

Haltering

Schrauben

Nut

Dichtring

Flanschblatt Bohrung