Kugelhahn

Die nachfolgend geschilderte Erfindung bezieht sich auf einen Kugelhahn mit einem wenigstens zwei in einen Innenraum mündende Anschlüsse aufweisenden Gehäuse und einem in dem Innenraum drehweglich gelagerten von einer Stellvorrichtung angetriebenen hohlen Kugelkücken, welches eine Einlass- und eine Auslassöffnung aufweist, die beide miteinander verbunden sind, gemäss den einleitenden Teilen der unabhängigen Patentansprüche .

Solche Kugelhähne werden häufig als Mischventile in Hydraulikkreisläufen von Zentralheizungen eingesetzt, um von einer Wärmequelle stammendes aufgeheiztes Wasser mit kühlerem Rücklaufwasser zu mischen und mit so abgesenkter Temperatur als Vorlaufwasser niedrigerer Temperatur in eine Wärmetauschervorrichtung einer Fussbodenheiz- anlage zu schicken.

Hierbei treten die Nachteile auf, dass es schwierig ist, das Kugelkücken ohne grossen Aufwand dicht im Gehäuse zu lagern und den Druckverlust durch den Kugelhahn über dessen mögliche einzelne Stellungen etwa konstant zu halten.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Kugelkücken auf einfache Weise erstens dicht im Gehäuse zu lagern und zweitens den Druckverlust durch den Kugelhahn in Abhängigkeit von dessen möglichen einzelnen Stellungen etwa konstant zu halten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Kugelhahn der eingangs näher bezeichneten Art erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Durch die mindestens zwei

O-Ringe erfolgt einerseits eine definierte und leichtgängige Lagerung des Kugelkückens im Gehäuse, bei der die Anschlüsse gegeneinander abgedichtet sind und durch die Möglichkeit, die Lagerstellen der O-Ringe dicht beieinander vorzusehen, ist der Flächenbereich einer oder zweier von der Einlassöffnung des Kugelkückens überstrichener Anschlüsse über den Drehwinkel des Kugelkückens möglichst gross, der Druckverlust somit etwa konstant.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche .

In den Figuren 1 bis 16 werden nachfolgend fünf Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und anschliessend beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1: eine Ansicht von oben auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kugelhahnes ,

Fig. 2: eine Seitenansicht dieses Kugelhahnes, Fig. 3: einen Schnitt durch diesen Kugelhahn, Fig. 4: einen Schnitt durch das Kugelkücken,

Fig. 5: ein zweites Ausführungsbeispiel des Kugelhahnes im Schnitt, Fig. 6: ein Detail des zweiten Ausführungsbeispieles im Schnitt, Fig. 7: ein drittes Ausführungsbeispiel als isometrische räumliche

Abbildung,

Fig. 8: einen Schnitt durch das dritte Ausführungsbeispiel, Fig. 9: eine Variante des dritten Ausführungsbeispieles, Fig.10: einen Schnitt durch das Kugelkücken des dritten

Ausführungsbeispieles , Fig.11: ein viertes Ausführungsbeispiel als isometrische räumliche

Abbildung,

Fig.12: einen Schnitt durch das vierte Ausführungsbeispiel, Fig.13: einen Schnitt durch das Kugelkücken des vierten Ausführungsbeispieles , Fig.14: ein fünftes Ausführungsbeispiel als isometrische räumliche

Abbildung, Fig.15: einen Schnitt durch dieses fünfte Ausführungsbeispiel und

Fig.16: eine Variante des fünften Ausführungsbeispiels.

In allen sechzehn Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten gemäss Legende.

Ein Kugelhahn 1 nach Fig. 1 weist ein etwa dreikantiges Gehäuse 2 mit abgestumpften Ecken 3 auf, die über Seiten 4 miteinander verbunden sind. Diese Seiten 4 weisen in einer Ebene liegende Anschlüsse 5 für ankommende Rohrverbindungen von einer Wärmequelle, wie Kessel oder Therme oder von einer Wärmesenke, wie Speicher oder Konvektorenheizung, auf. Diese Anschlüsse 5 sind Stufenzylinderhohlkörper mit einem vom Gehäuse 2 abstehenden Aussengewinde 6, das jeweils an einem das Aussengewinde überragenden Bund 7 endet, auf die die Verbindungsrohre oder -schlauche mittels überwurfmuttern geschraubt werden. Senkrecht zur Ebene der Anschlüsse 5 ist im Zentrum des Gehäuses 2 ein Durchlasskragen 8 für eine Stellvorrichtung 9 , die in eine Nut 25 in einem Kugelkücken 18 greift, vorgesehen.

Die Fig. 2 verdeutlicht die Lage der - hier drei - Anschlüsse 5 in einer in der Gebrauchslage waagerechten Ebene, während die Stellvorrichtung von oben angesetzt ist und ein weiterer Anschluss 10 nach unten abgeht, der mit der Stellvorrichtung fluchtet und senkrecht zur Ebene der Anschlüsse 5 ausgerichtet ist. Dieser Anschluss 10 bildet einen Auslass des Kugelhahnes 1 und ist als an das Gehäuse 2 angeformter Aussengewindezapfen gestaltet. Eine Drehachse 28 des Kugelkückens 18 steht senkrecht auf einer durch Längsachsen 36 der Anschlüsse 5 aufgespannten Ebene. Im gemeinsamen Schnittpunkt dieser Längsachsen 36 der Anschlüsse 5 und der Drehachse 28 des Kugelkückens 18 befindet sich der Mittelpunkt 12 des Kugelkückens.

Aus der Fig 3 geht der prinzipielle Aufbau des Kugelhahnes weiter Hervor: Entsprechend der Anzahl der Anschlüsse 5 - infrage kommen drei oder vier - weist das aus Rotguss hergestellte Gehäuse 2 drei oder vier Stufenbohrungen 11 auf, die von den Ecken 3 in Richtung auf den Mittelpunkt 12 des Kugelhahnes 1 ausgehen. Von der jeweiligen Ecke 3 reichen sie bis zu einer Stufe 13 als mit Innengewinde 14 versehene Bohrung, von dort in Richtung Zentrum gehen sie als glatte Bohrung mit geringerem Durchmesser weiter bis zu einer Lagerfläche 15 für einen O-Ring 16, der die Stufenbohrung vollständig um-

schliesst. An die Lagerfläche 15 schliesst sich ein hohler Innenraum

17 des Gehäuses 2 an, der das Kugelkücken 18 aufnimmt. Dieses liegen an den O-Ringen 16 an, die ihrerseits von weiteren Lagerflächen 19 abgestützt werden, die an in den Innenraum 17 reichenden Stirnseiten 20 der Anschlüsse 5 angeformt sind. Somit bilden die Stufenzylinder- hohlkörper Kanalstücke 21, deren Inneres 22 bis zum O-Ring 16 reicht.

Das Kugelkücken 18 weist eine Einlassöffnung 23 auf, die als Kegelstumpf mit zum Inneren weisender Kegelspitze ausgebildet ist, ferner eine hierzu senkrecht angeordnete Auslassöffnung 24 , die mit der Einlassöffnung in Verbindung steht und als Zylinder gestaltet ist, was aus der Darstellung der Fig. 4 gut sichtbar wird.

Auf der der Auslassöffnung 24 abgewandten Seite des Kugelkückens 18 weist dieses die Nut 25 auf, in die eine Stellstange der Stellvorrichtung 9 eingreift .

Im zweiten Ausführungsbeipiel sind die Ecken 3 nicht abgestumpft sondern eingezogen ausgeformt. Die Stufenbohrungen 11 reichen über den Bereich des Innengewindes 14 hinaus mit einem kleineren Durchmesser bis zu einer Kegelfläche 30. Diese Kegelfläche 30 stösst mit der jeweils benachbarten aneinander. In eine in den Innenraum 17 ragende Stirnfläche 31 jedes Anschlusses 5 ist eine Teilkreisnut 32 eingeformt, die als Lagerfläche 19 für den jeweiligen O-Ring 16 dient. Auf der gegenüberliegenden Seite stützt sich der O-Ring 16 an einem ringförmigen Einlegestück 33 ab, das innerhalb der Stufenbohrung 11 mit dem kleineren Durchmesser ruht. In die dem O-Ring 16 zugewandte Seite 34 des ringförmigen Einlegestückes 33 ist eine der Teilkreisnut 32 geometrisch ähnliche weitere Teilkreisnut 35 eingeformt. Der O-Ring besteht aus EPDM, das ist Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk, das Einlegestück bildet eine Dichtung aus PTFE, das ist PoIytetrafluorethylen , letzteres ist hart gegenüber ersterem, so dass der O-Ring als Federelement wirkt, der die Dichtung gegen das Kugelkücken 18 drückt. Hierbei ist der Dichtungsring bzw. das Einlegestück 33 derart gestaltet, dass er bzw. es einen Ring mit Rechteckquerschnitt bildet, wobei die längere Seite des Rechteckes parallel zur Längsachse 36 der Anschlüsse 5 liegt. Während die eine Stirnseite des Rechteckes von der Seite gebildet ist, die die weite-

re Teilkreisnut 35 trägt, ist die gegenüberliegende Stirnseite als Dreikantspitze 37 ausgeformt. Die beiden von der Dreikantspitze abgehenden Keilflächen stehen in einem Winkel von 90° zueinander, von denen die eine mit der Kegelfläche 30 fluchtet, die andere an der Oberfläche des Kugelkückens 18 anliegt. In der Fig. 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Kugelhahnes mit auch drei Anschlüssen 5 als dreidimensionale isometrische Abbildung gezeigt. Deutlich erkennbar ist die Lage der Längsachsen 36 zueinander und in einer Ebene liegend, zu der die Drehachse 28 senkrecht stehend angeordnet ist. Um möglichst grosse lichte Durchmesser 39 der Einlassöffnungen 23 zu erhalten, ist ein Winkel 38 von 120° zwischen den Längsachsen 36 erforderlich.

Die Fig. 8 verdeutlicht diese Anordnung in einem prinzipiellen Schnitt durch die Ebene der drei Anschlüsse 5. Die Dichtringe 33 bilden ein gleichseitiges Dreieck, dessen Kanten dem lichten Durchmesser der Einlassöffnungen 39 entspricht. Der lichte Durchmesser 40 der Auslassöffnung 24 kann aber nur innerhalb dieses Dreieckes liegen und ist somit kleiner. Ebenfalls deutlich erkennbar ist, wie die als Einschraubteile ausgeprägten Kanalstücke 21 über die als Federn wirkenden O-Ringe 16 aus weichem und elastischem EPDM auf die als Einlegestücke ausgeprägten Dichtungsringe 33 aus härterem plastischen PTFE wirken und diese dichtschliessend an das Kugelkücken 18 pressen, welches dadurch in seiner Einbaulage um die Drehachse 28 drehbar gelagert wird. Da in der Fig. 8 nur das Prinzip verdeutlicht ist, ist es unerheblich, dass hier das Kugelkücken 18 grösser ist als die durch das Einschraubteil 21 verschlossene Gehäuseöffnung.

Die Fig. 9 zeigt den gleichen Schnitt durch das dritte Ausführungsbeispiel wie Fig. 8, wobei einer der Zuläufe durch einen Stopfen 27 dicht verschlossen ist. Dieser kann selbstverständlich auch als ein einziges, mit dem Einschraubteil 21 verschmolzenes, Teil ausgeführt sein. Durch diese Anordnung ist es möglich, beim Verdrehen des Kugelkückens nicht nur das Mischungsverhältnis zweier Zuläufe zu verändern, sondern den Durchsatz durch das Ventil insgesamt zu verringern, was eine nützliche Option darstellt.

Die Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch das Kugelkücken 18 entspre-

chend Fig. 5. Die überleitung von dem größeren lichten Durchmesser 39 der Einlassöffnungen 23 auf den kleineren lichten Durchmesser 40 der Auslassöffnung 24 erfolgt durch eine Kegelstumpf-Stufenbohrung 29, die sowohl den Fliesseigenschaften des Mediums als auch der Auf- spannbarkeit zur Herstellung des Kugelkückens 18 Rechnung trägt. Die Fig. 11 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel mit vier Anschlüssen 5 als dreidimensionale isometrische Abbildung. Deutlich erkennbar ist die Lage der Längsachsen 36 zueinander in einer Ebene und senkrecht zur Drehachse 28. Um möglichst grosse lichte Durchmesser 39 der Einlassöffnungen 23 zu erhalten, ist ein Winkel 38 von 90° zwischen den Längsachsen 36 erforderlich. Die Fig. 12 verdeutlicht diese Anordnung in einem prinzipiellen Schnitt durch die Ebene der vier Anschlüsse 5. Die Dichtringe 33 umschliessen ein Quadrat, dessen Kanten den lichten Durchmessern 39 der Einlassöffnungen 23 entsprechen. Der lichte Durchmesser 40 der Auslassöffnung 24 muss innerhalb dieses Quadrates liegen. Da die Dichtringe eine gewisse Stärke besitzen, kann er auch geringfügig grösser sein als der lichte Durchmesser 39 der Einlassöffnung 24. Ebenfalls deutlich erkennbar ist, wie die als Einschraubteile ausgeprägten Kanalstücke 21 über die als Federn wirkenden O-Ringe 16 aus weichem und elastischem EPDM auf die als Einlegestücke ausgeprägten Dichtungsringe ( 33 ) aus härterem plastischen PTFE wirken und diese dichtschliessend an das Kugelkücken drehbar gelagert wird. In einer hier nicht dargestellten Variante wird jeweils eines von zwei einander gegenüberliegenden Einschraubteilen 21 als Stufenbohrung aus dem Gehäuse gefertigt, da es in der gleichen Achse liegt wie das zweite Einschraubteil 21. Die Lage des aus Dichtungsring 33 und als Feder wirkendem O-Ring 16 bestehenden Sitzes wird dadurch nicht verändert. In einer weiteren Ausprägung dieses Ausführungsbeispieles kann einer der Anschlüsse 5 durch Verstopfen des als Einschraubteil ausgeprägten Kanalstüσkes 21 oder des entsprechenden als Ventilsitz ausgeprägten Gehäuseteiles geschlossen werden, so dass es möglich ist, den Durchfluss nicht nur durch Mischen zu verändern, sondern auch in seiner Menge pro Zeiteinheit zu steuern und schliesslich auch ganz zu unterbinden. Da hier die Längsachsen 36 zweier jeweils gegenüberliegender Zuläufe 5 zusammenfallen, bilden sie ein Paar. Je ein Ventilsitz eines solchen Paares kann mittels einer Stufenbohrung in einem Arbeitsgang durch die gegenüberliegende Seite gefertigt werden, so dass das Einschraubteil 21 als Bestandteil des Gehäuses 2 aus einem einzigen Teil gefertigt

wird. Da die Fig. 12 nur das Prinzip verdeutlicht, ist es unerheb ^¬ lich, dass hier das Kugelkücken 18 grösser ist als die durch das Einschraubteil 21 verschlossene Gehäuseöffnung.

Die Fig. 13 zeigt einen Schnitt durch das zugehörige Kugelkücken 18. Die überleitung von den kleineren lichten Durchmessern 39 der Einlassöffnungen 23 auf den grosseren lichten Durchmesser 40 der Auslassöffnung 24 erfolgt durch eine Kegelstumpf-Stufenbohrung 29, die sowohl den den Fliesseigenschaften des Mediums als auch der Auf- spannbarkeit zur Herstellung des Kugelkückens 18 Rechnung trägt.

Die Fig. 14 zeigt als fünftes Ausführungsbeispiel, dass einer der vier Zulaufanschlüsse 5 des Kugelhahnes nach Fig. 14 durch einen Stopfen 27 dicht verschlossen ist. Dieser kann selbstverständlich auch als ein einziges mit dem Einschraubteil 21 verschmolzenes Teil oder als überwurfmutter mit dichtem Boden ausgeführt sein. Ausserdem kann das Einschraubteil 21 dieses geschlossenen Zulaufanschlusses als Bestandteil des Gehäuses 2 aus einem einzigen Teil gefertigt sein. Durch diese Anordnung sind zwei vorteilhafte Anwendungen möglich: Erstens kann beim Verdrehen des Kugelkückens nicht nur das Mischungsverhältnis des durch die drei verbleibenden Zuläufe einströmenden Fluides verändert, sondern der Durchsatz durch das Ventil insgesamt verringert werden und zweitens kann auf diese Weise ein Mischventil mit drei Eingängen geschaffen werden, welches die Vorzüge der paarweisen Fertigung von Bohrung und Ventilsitz ermöglicht, welches deutlich einfacher und damit billiger herstellbar ist.

Die Fig. 15 zeigt die prinzipielle Schnittdarstellung entsprechend der Fig. 13.

Die Fig. 16 zeigt den gleichen Schnitt durch das fünfte Ausführungsbeispiel wie Fig. 15, wobei ein weiterer Zulauf durch einen Stopfen 27 dicht verschlossen ist. Dadurch läßt sich beim Verdrehen des Kugelkückens nicht nur das Mischungsverhältnis der beiden Zuläufe, sondern auch der Durchsatz durch das Ventil insgesamt verändern. Somit entspricht diese Darstellung in ihrer Funktion der der Fig. 9, enthält aber die Vorteile der günstigeren Herstellbarkeit, wie beschrieben.

Legende :

( 1 ) Kugelhahn

( 2 ) Gehäuse

( 3 ) Ecken

( 4 ) Seiten

( 5 ) Anschluss/Zulauf

( 6 ) Aussengewinde

( 7 ) Bund

( 8 ) Durchlasskragen

( 9 ) Stellvorrichtung

( 10 ) Anschluss/Ablauf

( 11 ) Stufenbohrungen

( 12 ) Kentrum/Kugel-Mittelpunkt/Achsen-Schnittpunkt

( 13 ) Stufe

( 14 ) Innengewinde

( 15 ) Lagerfläche

( 16 ) O-Ring

( 17 ) Innenraum des Gehäuses ( 2 )

( 18 ) Kugelkücken

( 19 ) Lagerflächen

( 20 ) Stirnseiten

( 21 ) Kanalstücke/Einschraubteile

( 22 ) Inneres

( 23 ) Einlassöffnung

( 24 ) Auslassöffnung

( 25 ) Nut ( 26 )

( 27 ) Stopfen/Blindanschluss

( 28 ) Dreh-Achse

( 29 ) Kegelstumpf-Stufenbohrung

( 30 ) Kegelfläche

( 31 ) Stirnfläche

( 32 ) Teilkreisnuten

( 33 ) Einlegestück/Dichtungsring

( 34 ) Seite/Andruckfläche des Einlegestücks/Dichtringes

( 35 ) Teilkreisnuten/Verpressungsvolumen

( 36 ) Längsachse/Zulauf-Achse

( 37 ) Dreikantspitze

( 38 ) Winkel zwischen den Anschlußachsen

( 39 ) Lichter Durchmesser der Einlassöffnung ( 23 ) /Dichtungsringe

( 33 )

( 40 ) Lichter Durchmesser der Auslassöffnung ( 24 )