Absperrkugel eines Kugelhahns und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Absperrkugel eines Kugelhahns sowie eine solche Absperrkugel mit einem Durchlasskanal, der zur Ausbildung einer Flugverbindung zwischen einem Emlass- und einem Auslasskanal eines Kugelhahns in einer ersten, geöffneten Stellung der Absperrkugel dient sowie mit einer Wandung zur Unterbrechung dieser Flugverbindung des Kugelhahns in einer zweiten, geschlossenen Stellung der Absperrkugel Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kugelhahn mit einem mindestens einen Einlasskanal und einen Auslasskanal aufweisenden Gehäuse mit einer in dem Gehäuse angeordneten, zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten Stel- lung in dem Gehäuse verdrehbaren Absperrkugel, welche mindestens einen Durchlasskanal aufweist, der in der geöffneten Stellung der Absperrkugel eine Flugverbindung zwischen Ein- und Auslasskanal bildet und in der geschlossenen Stellung die Flugverbindung zwischen Ein- und Auslasskanal unterbricht, und mit einem Betatigungsmittel zum Verschwenken der Absperrkugel aus der geschlos- senen in die geöffnete Stellung und zurück

Kugelhahne und Absperrkugeln der vorbezeichneten Art sind in verschiedenen konstruktiven Ausgestaltungen bekannt So zeigt DE 202 04 546 U1 einen Ku-

gelhahn mit einer verbesserten Konstruktion zur Durchstromung des Totraums zwischen Absperrkugel und Kugelhahngehause DE 202 11 356 U1 offenbart einen Drei-Wege-Kugelhahn mit einer Absperrkugel, die mindestens zwei, im Winkel von 120° zueinander verlaufende in Flugverbindung stehende Sackboh- rungen in einer Ebene und einen senkrecht dazu verlaufenden zu diesen in Flugverbindung stehenden Einlasskanal aufweist

Die Absperrkugeln von Kugelhahnen werden aus Messing, Rotguss oder Edelstahl mit mindestens einem, meist zylindrischen Durchlasskanal als Gussteile Schmiedeteile oder vollständig oder teilweise durch Zerspanung hergestellte Bauteile ausgeführt Nachteilig an dieser Ausfuhrungsform ist, dass mit steigender Abmessung des Kugelhahns das Gewicht der Absperrkugel ansteigt insbesondere im Vergleich zum Gehausegewicht uberproportional ansteigt Aufgrund des damit steigenden Trägheitsmoments nimmt die Trägheit der Absperrkugel gegenüber änderungen in der Drehgeschwindigkeit zu Dies ist insbesondere von Nachteil, wenn schnelle Schaltvorgange gefordert sind, bei denen die Absperrkugel aus einer ruhenden Position heraus durch Drehung um die eigene Achse schnell in eine zweite Position verdreht und dazu kurzfristig beschleunigt und wieder abgebremst werden muss Außerdem sind die zur Herstellung der Absperrkugeln eingesetzten Werkstoffe teuer, was hohe Fertigungskosten zur Folge hat

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermindern

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Absperrkugel eines Kugelhahns gelost, bei dem eine Hohlkugelform aus einem ersten Material bereitgestellt wird, deren Wandung zumindest zwei Offnungen aufweist und die mit einem zweiten Material ausgekleidet wird, so dass zwischen den zumindest zwei Offnungen der Hohlkugelform ein Durchlasskanal entsteht

Die Absperrkugel kann insbesondere in ihrer Außenwand Mittel zur Drehmo- mentubertragung, wie beispielsweise eine Quer- oder Keilnut aufweisen, die zur drehmomentstarren Kopplung einem Betatigungsmittel zum Verschwenken der Absperrkugel aus einer geschlossenen in eine geöffnete Stellung und zurück

dienen Mit Hohlkugelform wird im Folgenden inbesondere ein Bauteil mit einer im Wesentlichen kugelförmigen äußeren Oberflache und einer ebenfalls im Wesentlichen kugelförmigen inneren Oberflache bezeichnet, wobei die Mittelpunkte beider kugelförmigen Oberflachen vorzugsweise zusammenfallen und der Radius der inneren kugelförmigen Oberflache kleiner ist als der Radius der äußeren kugelförmigen Oberflache, so dass zwischen der inneren und äußeren kugelförmigen Oberflache eine im Vergleich zum Kugeldurchmesser dünne Wandung besteht

Kugelhahne werden an fluiddurchflossene Leitungen angeschlossen und dienen dazu, den Durchfluss des Fluids zu dosieren, freizugeben oder zu sperren Dazu besitzt der Kugelhahn ein Gehäuse, in dem ein Einlasskanal und ein Auslasskanal ausgebildet ist, die einen Durchlasskanal zwischen einer Einlass- und einer Auslassoffnung bilden Die im Kugelhahngehause angeordnete Absperrkugel weist zumindest einen Durchlasskanal auf, durch den das Fluid vom Einlass- in den Auslasskanal fließen kann Dieser Durchlasskanal wird in der vorliegenden Erfindung hergestellt, indem in den inneren, hohlen Bereich der Hohlkugelform ein weiteres vom Material der Hohlkugelform verschiedenes Material eingebracht wird

Die Erfindung ermöglicht es, durch eine geschickte Wahl der Materialien für die Hohlkugelform und deren innere Auskleidung das Gesamtgewicht der Kugel sowie die Kosten der eingesetzten Werkstoffe im Vergleich zu einer Ausfuhrung in nur einem Material zu reduzieren Vorzugsweise wird als erstes Material für die

Hohlkugelform ein Metall, insbesondere Messing, Rotguss oder Edelstahl, und für das zweite Material zum Auskleiden der Hohlkugelform ein Material mit geπn- gerer spezifischer Dichte als das erste Material eingesetzt, beispielweise ein

Thermoplast, insbesondere Acrylnitπl-Butadien-Styrol (ABS) oder Polyoxymethy- len (POM) In dieser Ausfuhrungsform ist das genannte zweite Material sowohl leichter als auch preislich gunstiger als das genannte erste Material, so dass

Gewicht und Herstellungskosten gegenüber einer Ausfuhrung ganz aus Metall reduziert werden

-

Em weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch die beschriebene Ausfuhrungsform mit einer Hohlkugelform aus den üblicherweise in der Herstellung von Absperrkugeln eingesetzten Materialien, insbesondere Messing, Rotguss oder Edelstahl, die für die Funktion und konstruktive Ausgestaltung des Kugelhahns wichtigen äußeren Oberflacheneigenschaften, wie Harte, Reibungswert, Ver- schleißfestigkeit, der Absperrkugel erhalten bleiben

Eine bevorzugte Verfahrensfortbildung sieht vor, dass die Bereitstellung der Hohlkugelform die folgenden Schritte umfasst

Bereitstellen eines Rohrabschnitts aus einem ersten Material,

- Umformen des Rohrabschnitts zu der im Wesentlichen kugelförmigen Hohlkugelform

Diese Verfahrensfortbildung beschreibt die vorteilhafte Herstellung der Hohlkugelform durch Verformen eines entsprechend abgelangten Metallrohres

In zwei weiteren Fortbildungsvananten kann der Rohrabschnitt entweder durch Pressen oder durch Innenhochdruckumformen zu einer im Wesentlichen kugelförmigen Hohlkugelform umgeformt werden In der genannten ersten Variante wird das Rohrteil durch Druckumformen von außen mittels Kalt- oder Warm- Konturpressen umgeformt In der genannten zweiten Variante kommt als Umformverfahren das Innenhochdruckumformen (IHU, auch bekannt unter dem englischen Begriff Hydroforming), zum Einsatz Hierbei wird ein rohrformiges Werkstuck durch Innendruck aufgeweitet und gfs gleichzeitig durch eine Axialkraft gestaucht Der Innendruck wird durch Wasser oder schwer entflammbare Hydraulikflussigkeiten auf Wasserbasis (sog HFA-Flussιgkeιten), wie Wasser-Ol- Emulsionen, als Wirkmedium übertragen Die Einleitung der Axialkraft erfolgt über zwei Dichtstempel an den Rohrenden

Alternativ werden in einer Fortbildung des erfindungsgemaßen Verfahrens Wirk- medien, die Wachs und/oder hochviskose Flüssigkeiten, insbesondere Polymerschmelzen wie Polyurethan (PUR) enthalten, zum Innenhochdruckumformen eingesetzt Beim Innenhochdruckumformen können hohe Drucke von ca 300 bis

uber 4 000 bar zum Einsatz kommen Insbesondere bei hohen Drucken können die alternativen Wirkmedien deren Viskosität temperaturabhangig gesteuert werden kann Abdichtungsproblemen im Fluidsystem entgegenwirken

Eine weitere Fortbildungsform sieht vor, dass die zumindest zwei Offnungen in der Wandung der Hohlkugelform ineinander übergehen Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Zu- und Abflussleitung des Kugelhahns in spitzem

Winkel zueinander verlaufen und ihre Querschnitte im Bereich der Absperrkugel ineinander übergehen Die zwei ineinander übergehenden Offnungen in der

Wandung der Hohlkugelform können in diesem Fall als Vertiefung in der Ab- sperrkugel ausgebildet sein

Eine weitere bevorzugte Fortbildungsform sieht vor, dass sich die zumindest zwei Offnungen der Hohlkugelform gegenüberliegen Diese Fortbildungsform ist insbesondere dann zu bevorzugen, wenn die Absperrkugel für einen Kugelhahn verwendet wird, dessen Zu- und Abflussleitung in einer Linie angeordnet sind

Eine weitere Fortbildungsform sieht vor dass die zumindest zwei Offnungen einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und zwischen ihnen durch das Auskleiden der Hohlkugelform mit dem zweiten Material ein zumindest abschnittsweise zylindrischer Durchlasskanal entsteht

Das Verfahren kann weiter dadurch fortgebildet werden, dass das zweite Material im Spritzgießverfahren auf die Innenflache der Wandung der Hohlkugelform aufgebracht wird Das Spritzgießverfahren wird insbesondere vorteilhaft eingesetzt, wenn das zweite Material ein Thermoplast, insbesondere Acrylnitnl- Butadien-Styrol (ABS) oder Polyoxymethylen (POM) ist

In einer weitere Fortbildung umfasst das Verfahren einen Maldanierungsschntt nach dem Auskleidungsvorgang mit dem zweiten Material Insbesondere durch die Abkühlung des wahrend des Spritzgießvorgangs erwärmten zweiten Materials kann die Auskleidung schrumpfen Dadurch können Hohlräume zwischen der Innenflache der Hohlkugelform und der Auskleidung entstehen Mit dem genannten Maldanierungssschπtt ist es möglich, diese Hohlräume zu füllen

Der Maldanierungsschπtt dient dazu, Hohlräume im ersten oder zweiten Material oder zwischen Hohlkugelform und Auskleidung zu reduzieren oder vollständig zu schließen Unter einem Maldanierungsschπtt soll hierbei eine Abfolge von Pro- zesschπtten verstanden werden, umfassend

- Beaufschlagen der Absperrkugel mit einem Unterdruck in einem geschlossenen Behalter,

Hinzugeben eines flüssigen, aushärtbaren Materials, insbesondere eines Kunststoffs in den Behälter,

Entfernen des Unterdrucks und

- Ausharten desn flussigen Materials

Im Moment der Entfernung des Unterdrucks wird das flüssige Material in Poren und Spalten eingezogen und dichtet diese ab. Hierdurch kann die Dichtigkeit und mechanische Festigkeit der Absperrkugel verbessert werden

Eine weitere Fortbildungsform sieht vor, dass das zweite Material einen Klebstoff enthalt, der eine adhäsive Verbindung des zweiten Materials mit der Innenflache der Wandung der Hohlkugelform herstellt Dadurch wird gewahrleistet, dass das auf die innere Seite der Hohlkugelform aufgebrachte zweite Material fest mit der Hohlkugelform verbunden wird.

Eine adhäsive Verbindung zwischen erstem und zweitem Material kann in einer weiteren Verfahrensfortbildung auch dadurch hergestellt werden, dass die innere Wandung der Hohlkugelform zumindest teilweise mit Klebstoff beschichtet wird, bevor das zweite Material aufgebracht wird In dieser Fortbildungsform ist der Klebstoff nicht mit dem zweiten Material vermischt, sondern lediglich im Verbindungsbereich zwischen erstem und zweitem Material angeordnet

Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelhahns nach Anspruch 16 und eine kugelförmige Absperrkugel nach Anspruch 17 Die Absperrkugel nach Anspruch 17 kann fortgebildet werden nach den Ansprüchen 18 bis 28 Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Ku-

gelhahn nach Anspruch 29 Zu den Vorteilen, Ausfuhrungsvarianten und Ausfuh- rungsdetails dieser weiteren Aspekte der Erfindung und ihrer Fortbildungen wird auf die zuvor beschriebenen, entsprechenden Aspekte derjenigen Verfahren und Fortbildungen verwiesen, die für die entsprechenden weiteren Aspekte der Erfin- düng relevant sind

Eine nach den Ansprüchen 21 bis 24 fortgebildete erfindungsgemaße Absperrkugel wird bevorzugt in einem Drei-Wege-Kugelhahn eingesetzt Eine Absperrkugel für den Einsatz in einem Drei-Wege-Kugelhahn weist einen oder mehrere Durchlasskanale auf, die in einer geöffneten Stellung eine Flugverbindung zwi- sehen einem oder beiden der mindestens zwei in einer Ebene liegenden Aus- lasskanale und einem senkrecht dazu angeordneten Einlasskanal bilden und in einer geschlossenen Stellung die Flugverbindung zwischen dem Einlasskanal und den Auslasskanalen unterbrechen

Alle genannten Aspekte der Erfindung können in Kugelhahnen verschiedenster Ausgestaltungen zum Einsatz kommen, wie ein Fachmann erkennen kann Die Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung sind nicht durch die beschriebenen Einsatzmoglichkeiten begrenzt

Eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung wird beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren beschrieben Es zeigen

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemaßen Absperrkugel,

Figur 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemaße Absperrkugel nach Fig 1

Figur 3 eine in der Schnittebene E-E in Fig 2 geschnittene Frontalansicht der Absperrkugel nach Fig 1 , und

Figur 4 eine in der Schnittebene D-D in Fig 2 geschnittene Seitenansicht der Absperrkugel gemäß Fig 1

Fig 1 zeigt eine erfindungsgemaße Absperrkugel 10, die eine Hohlkugelform 1 1 aus Messing (CuZn40Pb2) umfasst, mit einer ersten öffnung 21 und einer zweiten, der ersten öffnung gegenüberliegenden öffnung (nicht dargestellt), mit einer

durch den Mittelpunkt der ersten öffnung verlaufenden Langsachse 41 und einer Quernut 30 zur Aufnahme eines Betatigungsmittels (nicht dargestellt) zum Verschwenken der Absperrkugel

Fig 2 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemaße Absperrkugel aus Fig 1 Die Quernut 30 ist quer zur Langsachse 41 eines Durchlasskanals 50 zwischen den Offnungen 21 und 22 eingebracht D-D und E-E kennzeichnen die Schnittebenen für Figuren 3 und 4

Fig 3 stellt die erfindungsgemaße Absperrkugel aus Fig 1 und 2 im Querschnitt der Ebene E-E von Fig 2 dar Die quer zum Durchlasskanal 50 eingebrachte Quernut 30 kann erkannt werden Die Absperrkugel 10 umfasst eine im Wesentlichen kugelförmige Hohlkugelform 11 aus Messing mit einer inneren Seite 13 der Wandung Auf diese innere Seite 13 der Wandung der Hohlkugelform 11 wird eine Füllung 12 aus Acrylnitπl-Butadien-Styrol (ABS) / Polyoxymethylen (POM) aufgebracht, die den Durchlasskanal 50 begrenzt Der Durchlasskanal 50 hat einen kreisförmigen Durchmesser

Die Dicke der Wandung der Hohlkugelform 11 betragt beispielsweise 2,5mm, der Außendurchmesser der Hohlkugelform 11 betragt beispielsweise 62,5mm der Durchmesser der öffnungen 21 und 22 und des Durchlasskanals 50 betragt 40mm

Fig 4 ist ein weiterer Querschnitt der erfindungsgemaßen Absperrkugel nach Fig 1 und 2 in der Schnittebene D-D nach Fig 2 Die Absperrkugel 10 umfasst eine im Wesentlichen kugelförmige Hohlkugelform 1 1 aus Messing mit einer inneren Seite 13 der Wandung, auf die eine Füllung 12 aus ABS/POM aufgebracht ist so dass zwischen den beiden kreisförmigen, sich gegenüberliegenden Offnungen 21 und 22 ein zylindrischer Durchlasskanal 50 entsteht Die durch die Mittelpunkte der kreisförmigen Offnungen 21 und 22 verlaufende Achsen 41 fallt mit der Langsachse des zylindrischen Durchlasskanals 50 zusammen Um einen stoffschlussigen Verbund zwischen der Füllung 12 und der Hohlkugelform 1 1 herzustellen, wird auf die Innenseite 13 der Hohlkugelform 11 ein Klebstoff auf-

gebracht, bevor die Füllung 12 aufgebracht wird Alternativ dazu kann das Material der Füllung 12 einen Klebstoff enthalten

Die vorstehende Ausfuhrungsform, insbesondere die genannten Materialien und Abmessungen, sind lediglich beispielhaft zu verstehen und sind nicht als die vorliegende Erfindung begrenzend auszulegen