Aufbau einer metallisch dichtenden Schrägsitzgeometrie mittels Laserschmelzen

Die Erfindung betrifft ein Hubventil mit einem in einem Armaturengehäuse schräg angeordneten Ventilsitz nach dem Oberbegriff des Anspruchs eins, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schrägsitzgeometrie.

Ventile sind in verschiedenen Ausführungen bekannt, wobei die Ausgestaltung eines Ventilsitzes unterschiedlich angelegt sein kann. Um bei geringer Baugröße einen maximalen Durchlass durch das Ventil zu ermöglichen, also den Durchlasswiderstand auf ein Minimum zu reduzieren, hat sich allgemein das schräge Anordnen des Ventilsitzes als vorteilhaft herausentwickelt.

Die DE 36 09 772 C2 zeigt ein Ventil mit einem schräg angeordneten Ventilsitz, wobei die spezielle Führung des Absperrkörpers für eine Abdichtung mit geringer Leckage sorgt.

Die DE 1 97 1 1 839 A1 zeigt ebenfalls ein Ventil mit Schrägsitz, bei dem die Form der Sitzfläche derart gewählt ist, dass die Dichtwirkung optimiert ist und die Sitzfläche durch spanabhebende Verfahren herstellbar ist. Diese kostengünstige Herstellung verhindert jedoch die weitere Optimierung der Form der Sitzfläche.

Die US 4 009 865 A zeigt einen Ventilsitz, bei dem der Ventilsitz von einer kegelförmigen Aussparung und zwei zylinderförmigen Innenwänden zweier Bohrungen und die Dichtlinie zwischen Verschlussteil und Ventilsitz von zwei kegelförmigen Aussparungen ausgebildet ist. Diese so genannte Y-förmige Ausführung, bei der die Spindel zur Durchflussrichtung geneigt ist, hat den Nachteil, dass Antriebssysteme nur schwer oder aufwändig anbringbar sind, wobei die Herstellung des Ventilsitzes einfach ist. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schrägsitzgeometrie bei einem Ventilsitz in einem Armaturengehäuse mit einem Ein- und Austritt, wobei ein metallisches Verschlussteil vorgesehen ist, das an seiner Außenkontur kegelförmig ausge- staltet ist, zu schaffen, die einfach herstellbar und metallisch dichtend ist. Das Ventil soll durch einen Ventilantrieb auf einfache Weise erweiterbar sein.

Dies wird erreicht, indem der Ventilsitz in einer T-förmigen Ausgestaltung ausgeführt ist, wobei das metallische Gehäuse als Verschneidung von drei Kegeln ausgebildet ist, wo- bei zwei Kegel in dem Armaturengehäuse in einer Durchgangsöffnung so angelegt sind, dass der Ventilsitz als Kantensitz ausgebildet ist. Durch herkömmliche Herstellungsverfahren ist es nicht möglich, einen derartigen Ventilsitz zu fertigen. Weder zerspanende Bearbeitung noch Eingießen von Sitzringen ermöglichen die Schaffung eines metallisch dichtenden Sitzes. Erfindungsgemäß sind die Bauteile des Sitzes mittels Laserschmel- zen hergestellt. Bei der T-förmigen Ausgestaltung ist die Spindel senkrecht zum Durch- fluss ausgerichtet. Dies hat den Vorteil, dass einfache Antriebssysteme ohne größeren Aufwand anbaubar sind. Die Sitzgeometrie ist jedoch wesentlich komplizierter zu konstruieren. Bei einer Y-förmigen Ausgestaltung wie in oben genanntem Stand der Technik können aus einem Rohteil durch Bohr- und Drehbearbeitung zylinderförmige Konturen erzeugt werden. Mit dem Kegelförmigen Verschlussteil lässt sich ein Ventilsitz ausgestalten, der jedoch schwer mit Antriebssystemen ausstattbar ist. Anders ist dies bei der erfindungsgemäßen T-förmigen Ausgestaltung, bei der jedoch der komplette Ventilsitz als

Schichtaufbau hergestellt werden muss, da die erfindungsgemäße Geometrie mit den vorhandenen Hinterschneidungen durch herkömmliche spanabhebende Verfahren nicht herstellbar ist.

Zum Schichtaufbau eignen sich Verfahren, die allgemein als 3D-Drucken bekannt sind. Entsprechend der Anwendungen der Armaturen sind Laserschmelzverfahren anzuwenden, bei denen ausgewählte Bereiche eines Metallpulvers in Schichten an einen darunter liegenden Körper angeschwei ßt werden. Die Oberfläche des Werkstücks, die später mit einem Fluid in Kontakt stehen wird, kann durch den Laserstrahl speziell geglättet oder im Bereich des Ventilsitzes gehärtet werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung schließt der Kegel der Außenkontur des Verschlussteils einen Öffnungswinkel σ von 25° bis 35° ein, speziell wird ein Winkel von 30° bevorzugt. Dieser Winkel wird so gewählt, dass eine maximale Dichtwirkung erreicht werden kann. Durch das Verschneiden zweier Kegelmantelflächen zu Herstellung eines Dichtsitzes im Ventilgehäuse entsteht eine Dichtlinie, mit der die Außenkontur des Verschlussteils zusammenwirkt. Entsprechend ist die Außenkontur so zu wählen, dass ein einfaches und sicheres Öffnen und Schließen und eine maximale Abdichtung des Ventils möglich ist.

In einer weiteren Ausgestaltung wird im Armaturengehäuse ein Ventilsitz gebildet aus einem ersten Kegel mit einem Öffnungswinkel α von 5° bis 1 5°, bevorzugt 7,5° und aus einem zweiten Kegel mit einem Öffnungswinkel ß von 45° bis 60°, bevorzugt einem Winkel von 55°. Durch die Überlagerung der beiden Kegel entsteht eine klar definierte Dichtlinie, die mit dem Verschlussteil eine metallisch dichtende Sitzgeometrie bildet.

Der große Öffnungswinkel des zweiten Kegels ermöglicht ein sicheres Annähern des Verschlussteils ohne im Rahmen der üblichen Toleranzen bei Fertigung und Anwendung zu übermäßigem Verschleiß zu führen. Der Kleine Winkel des ersten Kegels hingegen gewährleistet die notwendige Dichtheit des Ventilsitzes.

In einer weiteren Ausgestaltung wird das Verschlussteil schräg aus dem Ventilsitz be- wegt, wobei die Richtung um 30° bis 60° gegen das Armaturengehäuse geneigt ist, bevorzugt 45°. Dies reduziert die Belastung im Ventil und vermindert eine notwendige Um- lenkung des Fluids.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind das Armaturengehäuse und/oder das Verschlussteil aus korrosionsbeständigen, abriebfesten Werkstoffen hergestellt. Dies verhindert ungewollte Korrosion an dem Ventil.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen eine erfindungsgemäße Ventilsitzanordnung. Im Einzelnen zeigt die

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Ventilsitzanordnung, die

Fig. 2 ein Detail A aus diesem Schnitt, umfassend den Gehäuseteil, die

Fig. 3 ein Detail A aus diesem Schnitt, umfassend den Ventilkegel und die

Fig. 4 die Anordnung des Ventilkegels im Gehäuseteil. In der Fig. 1 ist eine Armatur in Form eines Hubventils dargestellt. An dem Gehäuse 1 ist ein Eintritts- und ein Austrittsflansch ausgeführt. Dazwischen befindet sich ein Ventilkegel 2, der das Absperrorgan bildet und das Gehäuse entlang eines Sitzrings 3 abdichtet. Der Sitzring 3 ist eine direkt in das metallische Gehäuse 1 eingearbeitete Pass- fläche, die den ebenfalls metallisch ausgeführten Ventilkegel 2 zur Abdichtung aufnimmt. Über einen Bügel 4 wird die Vorrichtung zum Heben und Senken des Ventilkegels 2 im Gehäuse 1 gehalten. Insbesondere ist hier ein Handrad 5 dargestellt, mittels dessen eine Spindel 6 zu auf- abwärts gerichteten Bewegungen angetrieben werden kann. Alternativ kann statt des Handrades 5 natürlich auch ein anderer Antrieb vorge- sehen sein. Zur Abdichtung des Durchtritts der Spindel 6 durch das Gehäuse 1 ist eine Sicherheitsstopfbuchspackung 8 vorgesehen, bei der zusätzlich ein Faltenbalg 7 vorgesehen ist.

In der Fig. 1 ist das Ventil geschlossen dargestellt. Durch drehen am Handrad 5 wird die Spindel 6 so bewegt, dass sich der Ventilkegel 2 anhebt und den Weg zwischen Eintritt und Austritt freigibt. Die Schrägsitzanordnung vermindert die Umlenkung des Fluids im Bereich des Verschlusselements, also des Sitzrings 3, und ermöglicht gleichzeitig, das Ventil mit sehr geringer Baulänge auszuführen. Die wesentliche Schwierigkeit besteht jedoch darin, den Ventilsitz so auszuführen, dass er metallisch dichtend ist und der technische Aufwand so gering wie möglich gehalten wird. Aus der Figur ist zu erkennen, dass der Zugang zum Bereich des Sitzrings 3 sehr beschränkt ist.

Zur genaueren Darstellung der Dichtflächen ist in der Fig. 1 ein Bereich A markiert, der als vergrößerter Ausschnitt in der Fig. 2 dargestellt ist.

Die Fig. 2 zeigt im Detail die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen metallisch dichtenden Sitzpartie. Die beiden Komponenten, die diese Sitzpartie darstellen sind der in Fig. 1 gezeigte Ventilkegel 2 und eine Dichtpartie 9, mit der der Ventilkegel 2 zusammenwirkt und die hier im Detail gezeigt wird. Den eigentlichen Weg zwischen Einritt- und Austrittsöffnung des Ventils bildet eine Durchgangsöffnung 10, deren Randbereich im gezeigten Beispiel aus einer Überlagerung von zwei Ausschnitten aus verschiedenen Kegelmantelflächen gebildet wird. Hieraus ergibt sich eine erste Sitzfläche (1 1 , 1 1 ^' ), die dem Ventilkegel 2 zugewandt ist und eine zweite Sitzfläche (12,12 ^' ). Diese daraus geformte Dichtpartie ist so ausgeformt, dass die zwei Kegelflächen in der Sitzpartie so übereinander gelegt sind, dass sie, wenn man die Dicke der Gehäusewand g betrachtet, etwa mittig die geringste Öffnung des Ventils ausbilden, wobei sich diese zu den beiden Gehäuseoberflächen hin vergrößert. Dadurch ergibt sich als wirksame Dichtpartie eine Dichtlinie, gebildet aus der Schnittkante der beiden Kegel des Sitzrings 3 und der Dichtpartie des Ventilkegels 2.

Die Form der zweiten Sitzfläche (1 2, 12 ^' ) wird erreicht durch die Ausbildung eines Ke- gels mit einem Öffnungswinkel a, wobei dieser gegen die Fläche der Durchgangsöffnung 10 um ß gedreht ist. Vom Zentrum C der Durchgangsöffnung 1 0 ist die Spitze des Kegels um a in Richtung senkrecht zur Durchgangsfläche 10 und um eine Strecke b parallel verschoben, wobei der Kegel eine Höhe c hat. Die erste Sitzfläche (1 1 , 1 1 ^' ) wird durch einen weiteren Kegel mit einem Öffnungswinkel δ gebildet, wobei dieser um einen Winkel γ gegen die Fläche der Durchgangsöffnung 10 gedreht ist und dessen Spitze einen Abstand d parallel zu Durchgangsöffnung 10 und e senkrecht dazu aufweist. Die Höhe dieses Kegels ist mit f dargestellt. Die Darstellung zeigt deutlich die schwierige Konstruktion der Dichtlinie, die bei der Herstellung einen kostspieligen Einsatz von exakt ausgerichteten SpezialWerkzeugen nötig macht, wenn die Form durch klassische span-abhebende Verfahren hergestellt werden soll. Im Rahmen der Herstellung der Sitzflächen durch ein Laserschmelzverfahren ist lediglich darauf zu achten, dass alle Stellen der Stize durch den Laser fertigbar sind. Dies ist insbesondere unproblematisch bei einer Herstellung in einem Schichtaufbau. Die Fig. 3 zeigt den Ventilkegel 2 aus Fig. 1 in einer Detaildarstellung. Eine umlaufende Dichtfläche (1 3, 14) ist erkennbar als Abschnitt einer Kegelmantelfläche eines Kegels mit dem Öffnungswinkel σ und einer Höhe h. Der Kegel ist um φ gegen die Grundfläche des Ventilkegels 2 gekippt. Benachbart zur Dichtfläche 14 ist eine Aufnahme für eine Ventilbetätigung dargestellt. Diese ist ebenfalls um den Winkel φ gegen die Grundfläche gedreht angeordnet, damit der Ventilkegel 2 aus der Durchgangsöffnung (10 in Fig. 2) gehoben werden kann. Die Fig. 3b zeigt den Ventilkegel 2 im Gehäuse 1 , wobei der Winkel φ anzeigt in welcher Richtung der Ventilkegel 2 entfernt wird.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse 1 1 erste Sitzfläche der Sitzpartie

2 Ventilkegel 1 1 ^' erste Sitzfläche der Sitzpartie

3 Sitzring 12 zweite Sitzfläche der Sitzpartie

4 Bügel 12 ^' zweite Sitzfläche der Sitzpartie

5 Handrad A Ausschnitt

6 Spindel B Ausgangspunkt

7 Faltenbalg C Ausgangspunkt

8 Stopfbuchspackung a - 1 Längenmaße

9 Gehäuse α - φ Winkel

10 Durchgangsöffnung