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Die Erfindung bezieht sich auf ein Plattenpaar aus hartem
Werkstoff (einem sogenannten Keramikstoff o. dgl.), das für
einen Hahn der sog. Gewindeverschluß-Bauweise mit weitem
Betätigungsbereich bestimmt ist.
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Mit einem Plattenpaar aus hartem Werkstoff versehene Hähne
der sog. Gewindeverschluß-Bauweise beinhalten eine von einer
Durchlaßöffnung durchquerte, feste Platte und eine
bewegliche Platte, die auch von einer Durchlaßöffnung durchquert
ist, die über der festen, in Kontakt mit dieser Platte liegt
und mit Betätigungsmitteln, durch sie sich drehen läßt,
gekoppelt ist. Die Durchlaßöffnungen der festen und
beweglichen Platte sind so geplant, daß in einer bestimmten
Position der beweglichen Platte (Verschlußposition) die
Durchlaßöffnungen der beiden Platten sich nicht entsprechen, und
man erhält somit eine komplette Unterbrechung eines das
Plattenpaar zu durchquerenden Durchflusses; bei einer
anderen Position der beweglichen Platte (Position der
vollständigen Öffnung) profitiert der Durchfluß vom größten
Durchlaßquerschnitt, der durch das gegenseitige Zusammenwirken
der Durchlaßöffnungen der beiden Platten möglich ist, wobei
der Querschnitt meistens der Durchlaßöffnung der beweglichen
Platte entspricht; und in den Zwischenstellungen zwischen
den beiden aufgezeigten Positionen profitiert der Durchfluß
von einem Durchlaßquerschnitt, der graduell verändert werden
kann und aus dem teilweise Übereinanderliegen der
Durchlaßöffnungen der beiden Platten resultiert. Dies ermöglicht
eine Regelung der Durchflußmenge zwischen Null und der von
dem Hahn zugelassenen Maximalmenge.
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Bei den meisten Hähnen der oben betrachteten Art beträgt der
von der Verschlußstellung bis zur Stellung der kompletten
Öffnung gehende Betätigungswinkel ¼ Umdrehung oder auch
½ Umdrehung. Die Wahl eines dieser Werte wird durch die
Tatsache suggeriert, daß sie sehr einfache Formen der
Durchlaßöffnungen der Platten ermöglichen, die somit von
einfacher Herstellung sind. Jedoch ist dieser relativ reduzierte
Winkel nicht gerade günstig für eine sorgsame Regelung der
Durchflußmenge seitens des Benutzers, und aus diesem Grund
wurde auch vorgeschlagen, siehe beispielsweise das am
30.08.1989 veröffentlichte Dokument EP-A-0.329.800, den
Betätigungswinkel zu erweitern, indem man in einer
Durchlaßöffnung einer der Platten ein Teil vorsieht, das die Form
eines gekrümmten Kanals mit konstanter Breite aufweist, das
einen Teil der Öffnung in kreisförmigem Querschnitt, dessen
Ausdehnung fast ¼ Umdrehung beträgt, verlängert. Diese
Form der Durchlaßöffnungen der Platten gibt jedoch keine
Veranlassung zu einer zufriedenstellenden Regel der
Variation der Durchflußmenge in Abhängigkeit von der winkelmäßigen
Bewegung der beweglichen Platte. In der Tat erhält man im
Bereich der sehr reduzierten Durchflußmengen eine große
Regelungssensibilität, die in den meisten Fällen nicht
gefordert ist, während die Regelungssensibilität im Bereich
mittlerer und mittelhoher Durchflußmengen, das heißt genauer im
Bereich, in dem der Hahn am meisten benutzt wird, reduziert
ist.
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Das Dokument GB-A-2,064,727 beschreibt ein Plattenpaar für
einen Hahn, bei dem wenigstens eine der Seiten, die die
Durchlaßöffnung einer der Platten definiert, in Form eines
linearen Spiralbogens verläuft und das weniger breite Ende
dieser Durchlaßöffnung in der Nähe des Plattenumfangs
angeordnet ist. Gemäß diesem Dokument muß die andere Platte des
Paares relativ enge, schlitzförmige Durchlaßöffnungen
aufweisen,
derart, daß die von einem Hahn mit bestimmten
Abmessungen zugelassene Durchflußmenge relativ reduziert ist: zu
diesem Preis erhält man eine gute Regel für die Variierung
der Durchflußmenge in Abhängigkeit der winkelmäßigen
Bewegung der beweglichen Platte.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung liegt in der
Rationalisierung der Form der Durchlaßöffnungen der Platten, die die
Plattenpaare aus hartem Werkstoff für Hähne der sog.
Gewindeverschluß-Bauweise bilden, derart, daß einerseits die
Realisierung einer günstigeren Regel der Variierung der
Durchflußmenge in Abhängigkeit der winkelmäßigen Bewegung der
beweglichen Platte gewährleistet ist, und daß andererseits die
größtmögliche Nutzung, was die Regelung anbelangt, des
Bewegungswinkels der beweglichen Platte gewährleistet ist; und
dies ohne die Durchflußmenge, die den Hahn durchqueren kann,
zu beeinträchtigen.
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Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß die
Durchlaßöffnung der ersten Platte des Paares durch eine
erste und eine zweite Seite, die durch mittig zur Drehachse
des Plattenpaares verlaufende Kreisbögen dargestellt sind,
durch eine dritte, durch ein Halbmessersegment gebildete
Seite und durch eine vierte Seite begrenzt ist, die die
Seite ist, die die Forme eines linearen Spiralbogens aufweist.
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Unter dem Ausdruck "lineare Spirale" versteht man hier eine
Spirale ersten Grades oder archimedische Spirale, die in
Polarkoordinaten gekennzeichnet ist durch eine lineare
Gleichung vom Typ r = m . Z + n, wobei r der Radiusvektor, Z die
laufende Winkelkoordinate, m und n konstante Parameter sind.
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Aufgrund der Tatsache, daß wenigstens eine der
Durchlaßöffnungen durch eine im wesentlichen als lineare Spirale
ausgebildete Seite begrenzt ist, erhält man eine extrem graduelle
Variierung, in Abhängigkeit von der winkelmäßigen Bewegung
der beweglichen Platte, des der Durchflußmenge gebotenen
Durchlaßquerschnitts, und aufgrund der Tatsache, daß das
weniger breite Ende der von der linearen Spirale begrenzten
Durchlaßöffnung in der Nähe des Plattenumfangs angeordnet
ist, ist der Winkel, unter dem die Überlagergungsbreite, die
für die Gewährleistung der Dichtigkeit in Verschlußstellung
notwendig ist, vom Rotationszentrum der beweglichen Platte
aus gesehen wird, der kleinstmögliche, und der größte Teil
des Rotationswinkels der beweglichen Platte wird effektiv
ausgenützt, um den Durchfluß zu steuern. Die Form der ersten
Platten verlangt keineswegs, daß die Durchlaßöffnung der
zweite Platte so ausgebildet ist, daß sie den Durchfluß des
Hahns begrenzt.
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Das Prinzip der Erfindung kann eine vorteilhafte Anwendung
finden bei den Plattenpaaren, die für die Arbeit mit einem
ausgedehnten Regelungsbereich zwischen ½ und 3/4 Umdrehung
bestimmt sind. Bei gleichbleibenden allgemeinen Abmessungen
kann man durch einen kleineren Regelungswinkel dem Durchfluß
einen größeren Maximaldurchlaß-Querschnitt bieten und somit
dem Hahn einen größeren Maximaldurchfluß ermöglichen; oder
durch einen weiteren Regelungswinkel kann man eine größere
Regelungssensibilität erhalten. Der Erfinder des Projektes
kann somit zwischen diesen beiden Möglichkeiten den für jede
Anwendung günstigsten Kompromiß wählen. Beispielsweise kann
man einen Regelungswinkel von etwa 230º oder auch etwa 270º
wählen.
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Bei der Anwendung der Erfindung kann die einer linearen
Spirale folgende Form für eine Seite der Durchlaßöffnung nur
einer Platte oder auch für eine Seite jeder Durchlaßöffnung
der beiden Platten angenommen werden; in letzterem Fall ist
es notwendig, daß die beiden Spiralen eine unterschiedliche
Neigung aufweisen.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden klarer aus
der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter
Ausführungsarten, die in den beiliegenden Zeichnungen schematisch
dargestellt sind, bei denen die Figuren 1 bis 5 die
Transformation in Orthogonalkoordinaten der Formen zeigt, die,
dargestellt als Polarkoordinaten, die reale Form der
Durchlaßöffnungen der ein erfindungsgemäßes Paar bildenden Platten
definieren. Diese Transformation in Orthogonalkoordinaten
ermöglicht ein schnelleres Verständnis der Art des
Zusammenwirkens der Durchlaßöffnungen der beiden Platten. Bei den
Zeichnungen zeigt:
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- Figur 1 in Orthogonalkoordinaten die Form der
Durchlaßöffnungen von zwei Platten, die miteinander kooperieren können,
gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, in
Verschlußstellung des Hahns;
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- Figur 2 dieselben Durchlaßöffnungen in der Position, in
der die Öffnung des Hahns beginnt;
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- Figur 3 dieselben Durchlaßöffnungen in einer
Regelungszwischenposition;
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- Figur 4 dieselben Durchlaßöffnungen in der Position der
vollständigen Öffnung des Hahns;
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- Figur 5, ähnlich wie in Figur 1, die Durchlaßöffnungen der
beiden Platten, gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung;
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- Figur 6 in vergrößertem Maßstab die reale Form der
Durchlaßöffnungen, gemäß der ersten Ausführungsform der
Erfindung, in einer Durchführung, in der ein Betätigungswinkel
von etwa 230º vorgesehen ist;
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- Figur 7, ähnlich wie in Figur 6, die reale Form der
Durchlaßöffnungen, gemäß der ersten Ausführungsform der
Erfindung,
in einer Durchführung, in der ein Betätigungswinkel
von etwa 270º vorgesehen ist;
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- Figur 8, ähnlich wie in Figur 6, die reale Form der
Durchlaßöffnungen, gemäß der zweiten Ausführungsform der
Erfindung, in einer Durchführung, in der ein Betätigungswinkel
von etwa 230º vorgesehen ist;
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- Figur 9, ähnlich wie in Figur 8, die reale Form der
Durchlaßöffnungen, gemäß der zweiten Ausführungsform der
Erfindung, in einer Durchführung, in der ein ]3etätigungswinkel
von etwa 270º vorgesehen ist;
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- Figur 10, in vergrößertem Maßstab, einen axialen
Querschnitt eines Hahns der sog. Gewindeverschluß-Bauweise, bei
dem ein Plattenpaar aus hartem Werkstoff gemäß der Erfindung
verwendet wird.
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Unter Bezug zunächst auf Figur 10, beinhaltet ein Hahn der
sog. Gewindeverschluß-Bauweise, der für die Anwendung dieser
Erfindung betrachtet wird, einen Körper 1, der dazu bestimmt
ist, durch eine Gewinde 2 im (nicht dargestellten) Sammler
einer Gruppe von Armaturen, aufgrund der Anwesenheit einer
Garnitur 3, dicht verschraubt zu werden. Das Unterteil des
Körpers 1 des Hahns ist dazu bestimmt, durch die Garnitur 4,
mit einer Zufuhröffnung für den zu regelnden Wasserstrom,
der in den Hahn gemäß Pfeil F1 einfließt und anschließend
zum Sammler durch die seitlichen Öffnungen des Hahns, gemäß
Pfeil F2, austritt, zu kommunizieren. Eine feste Platte 5
aus hartem Werkstoff mit einer Durchlaßöffnung 6 ist im
Körper 1 auf der Garnitur 4 installiert, derart, daß sie sich
nicht drehen kann, und eine bewegliche Platte 7, ebenfalls
mit einer Durchlaßöffnung 8, ist auf der festen Platte 5 so
installiert, daß sie in Kontakt mit dieser drehen kann. In
der dargestellten Stellung entsprechen sich die
Durchlaßöffnungen 6 und 8 der beiden Platten 5 und 7 nicht, und somit
ist eine Bedingung zum Verschließen realisiert. Im Körper 1
ist mit Abdichtungsgarnituren 9 eine Stange 10 befestigt,
die außen durch eine Riffelung 11, zum Ankoppeln eines
(nicht dargestellten) Betätigungsgriffs, endet, und die
innen einen Regelungskopf 12 trägt, der, mit Hilfe eines Keils
13, in die bewegliche Platte 7 eingreift und diesem die der
Stange 10 durch den Betätigungsgriff auferlegten
Rotationsbewegungen überträgt. Die Platten 5 und 7 aus hartem
Werkstoff bilden die Durchfluß-Regelorgane, und sie bilden das
Plattenpaar, auf das diese Erfindung angewendet werden kann.
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Das Hauptprinzip der Erfindung wird zunächst unter Bezug auf
die Figuren 1 bis 4 erklärt, bei denen die reale Form der
Durchlaßöffnungen der Platten mit Hilfe einer Transformation
von Polarkoordinaten in Orthogonalkoordinaten dargestellt
ist, derart, daß die Regelungsbewegungen, die in
Wirklichkeit rotationsmäßig verlaufen, durch eine horizontale
Translation (gemäß Pfeil X der Figuren 2 und 3) dargestellt sind.
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Im rechten Teil der Figur 1 ist so die Durchlaßöffnung 6 der
festen Platte 5 dargestellt. Diese Öffnung ist durch vier
Seiten a, b, c, d begrenzt, wobei die ersten drei parallel
zu den Bezugsachsen der Zeichnung sind (nämlich zwei
parallel zu Pfeil X der Figuren 2 und 3, die dritte senkrecht zu
diesem Pfeil), während die Seite d geneigt ist. Man wird
feststellen, daß bei der realen Form der Platten (Figuren 6
und 7), die Seiten a und b durch Kreisbögen dargestellt
sind, die mittig zur Drehachse 0 der beweglichen Platte
sind, die Seite c durch ein Halbmessersegment dargestellt
ist, und Seite d weist die Form eines Bogens einer linearen
Spirale auf.
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Im linken Teil der Figur 1 ist die Durchlaßöffnung 8 der
beweglichen Platte 7 auf dieselbe Art dargestellt, wobei die
Öffnung gemäß dieser Ausführungsform durch vier Seiten e, f,
g, h begrenzt ist, die alle parallel zu den Bezugsachsen der
Zeichnung verlaufen. Bei der realen Form der Platten sind
die Seiten e und f durch Kreisbögen dargestellt, die mittig
zur Drehachse 0 der beweglichen Platte sind, und die Seiten
g und h sind durch Halbmessersegmente dargestellt. Die
Öffnung 8 weist somit im wesentlichen die Form eines
kreisförmigen Sektors auf.
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Bei Verschlußstellung, auf die sich Figur 1 bezieht, liegen
die beiden Durchlaßöffnungen 6 und 8 nicht übereinander,
und, um die Dichtigkeit zu gewährleisten, ist es außerdem
notwendig, daß ihre am nächsten zueinanderliegenden Punkte
wenigstens durch eine Länge p getrennt sind. Der
Öffnungsverlauf, der bei den realen Platten eine Drehung der
beweglichen Platte beinhaltet, ist in Orthogonalkoordinaten durch
eine Translation der Öffnung 8 entlang dem Pfeil X (Achse x)
dargestellt. Wenn durch diese Translation die Länge p
durchlaufen wurde, beginnt die Übereinanderlagerung der Öffnungen
der beiden Platten, und der Durchlaß der Flüssigkeit findet
statt. Figur 2 zeigt diese Bedingung, in der der Durchfluß
beginnt, in der die noch sehr reduzierte Überlagerungsfläche
durch m bezeichnet ist. In dem Maße, in dem man den Hahn
öffnet, wächst die Überlagerungsfläche der beiden
Durchlaßöffnungen 6 und 8, dargestellt durch eine Schraffierung in
den Figuren 3 und 4, stufenweise bis sie, in der Position
der vollständigen Öffnung (Figur 4) dem ganzen Querschnitt
der Durchlaßöffnung 8 der beweglichen Platte entspricht.
Durch Betrachtung dieser Figuren kann man sich leicht der
besonderen Abstufung der Variierung des dem Durchfluß
ausgesetzten Durchlaßquerschnitts, in Abhängigkeit der Bewegung
der beweglichen Platte des Hahns, bewußt werden.
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Wenn mit a die Länge der Seite a der Öffnung 6 der festen
Platte, mit b die Länge der Seite b derselben Öffnung und f
die Länge gleich den Seiten e und f der Öffnung 8 der
beweglichen Platte bezeichnet ist, so stellt man fest, daß das
günstigste proportionale Verhältnis
a = f ist, während,
aufgrund der notwendigen Neigung der Seite d, b > a und somit
auch b > f sein muß.
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Unter Betrachtung der realen Form der Platten (Figuren 6 und
7), bei der die Seite d die Form eines Bogens einer linearen
Spirale aufweist, stellt man fest, daß, anstelle der vorher
betrachteten Längen, man die von den verschiedenen Seiten
der Öffnungen umschlossenen Winkel in Betracht ziehen muß.
Die Seite a umschließt den Winkel A, die Seite b umschließt
den Winkel B, und die Seiten e und f umschließen denselben
Winkel F. Gleichungen, ähnlich den vorhergehenden, sind
gültig, nämlich A = F, B > A und B > F. Man muß nun
feststellen, daß unter Berücksichtigung einer der Merkmale der
Erfindung, das weniger breite Ende der Öffnung der festen
Platte (Schnittpunkt der Seiten b und d) in der Nähe des
Umfangs und nicht nahe des Zentrums der festen Platte
verläuft. Unter Bezug auf diesen Punkt muß man einen Abstand p
vorsehen, um die Dichtigkeit in der Verschlußstellung zu
gewährleisten. Aufgrund der Tatsache, daß dieser Punkt in der
Nähe des Plattenumfangs liegt, ist der Winkel, unter dem der
Abstand p vom Zentrum 0 aus gesehen wird, geringer als wenn
der Abstand p in der Nähe des Zentrums der Platte vorgesehen
würde, wie bei den bekannten Ausführungsformen. Dieser
Winkel entspricht einem winkelförmigen Verlauf, der nicht zu
Regelungszwecken verwendet werden kann, und daraus folgt
somit, daß die Anwendung der Erfindung eine bessere Ausnutzung
des durch die Platten gebildeten, winkelmäßigen
Betätigungsfelds ermöglicht, wobei alle anderen Bedingungen gleich
bleiben.
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Bei der Durchführung gemäß Figur 6 ist die Ausdehnung der
für die Durchlaßöffnungen der Platten charakteristischen
Winkel folgende: A = F = 120º; B = 225º; und es wird ein
Betätigungswinkel von etwa 235º hergestellt. Andererseits ist
bei der Durchführung gemäß Figur 7 die Ausdehnung der Winkel
folgende: A = F = 90º; B = 260º; und es wird ein
Betätigungswinkel
von etwa 270º hergestellt. Bei dieser letzteren
Durchführung ist die Regelungssensibilität somit größer als
bei der vorhergehenden Durchführung; andererseits ist die
maximale Durchflußmenge, die geliefert werden kann,
geringer, aufgrund der kleinsten Ausdehnung der Durchlaßöffnung
der beweglichen Platte. Man muß jedoch verstehen, daß die
genannte Ausdehnung von etwa 235º oder etwa 270º für den
Winkelregelbereich nur ein Beispiel ist, und daß diese
Ausdehnung willkürlich im Bereich von ½ Umdrehung bis 3/4
Umdrehung ausgewählt werden kann.
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Wie in Figur 5 gezeigt, kann auch die Seite h der
Durchlaßöffnung 8 der beweglichen Platte geneigt, anstatt parallel
zu einer der Bezugsachsen, wie im Falle der Figur 1, zu
sein. Jedoch muß in diesem Fall die Neigung der Seite h
unterschiedlich sein zur Neigung der Seite d der Öffnung 6 der
festen Platte, um die Abstufung der Regelung zu
gewährleisten. Die beiden Seiten e und f sind nicht mehr gleich der
Länge f, sondern weisen unterschiedliche Längen e,f, auf,
und es muß e > f sein. Das gegenseitige Verhalten der beiden
zusammenwirkenden Platten bleibt im wesentlichen gleich
demjenigen, das in Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4
beschrieben wurde. In diesem Fall ist die reale Form der
Platten jedoch so wie in den Figuren 8 und 9 gezeigt, auch weist
die Seite h im wesentlichen die Form eines Bogens einer
linearen Spirale auf. Die Ausdehnung der Winkel A, B und F ist
gleich in den Figuren 6 und 8 und auch in den Figuren 7 und
9, und die Ausdehnung der entsprechenden Betätigungswinkel
ist auch im wesentlichen gleich. Wie man bei Betrachtung
dieser Figuren jedoch feststellen wird, unter Annahme einer
Spiralbogenform auch für die Seite h der Durchlaßöffnung der
beweglichen Platte, wobei die anderen Bedingungen gleich
sind, resultiert daraus eine etwas größere Durchlaßöffnung
der beweglichen Platte und ermöglicht so einen größeren
Maximaldurchfluß.
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Es ist festzustellen, daß es bei der konstruktiven
Konfiguration der Durchlaßöffnungen der Platten nicht notwendig
ist, daß die dargelegten Bedingungen rigoros erfüllt werden,
und daß ebenso einige unter ihnen, aus Fabrikationsgründen,
nur durch Annäherung hergestellt werden können.
Beispielsweise müssen alle Winkelspitzen gemäß den Figuren 1 bis 5
durch Verbindungen einer gewissen Weite ersetzt werden, wie
dies die Figuren 6 bis 9 zeigen, aufgrund der
Fabrikationsanforderungen der Platten aus hartem Werkstoff.
Andererseits hindert nichts daran, daß die Öffnung einer Platte
sich in Bereiche erstreckt, in denen sie nicht mit der
Durchlaßöffnung der anderen Platte zusammenwirken kann.
Daher wurden in den Figuren 7 und 9 die Seiten e der
Durchlaßöffnung der beweglichen Platte durch eine Verbindung
zwischen den Seiten g und h ersetzt, was so die Form dieser
Platte vereinfacht. Auf ähnliche Weise könnte auch die Seite
f dieser Öffnung weggelassen werden, indem man der
Flüssigkeit von der Öffnung der beweglichen Platte nach außen
freien Lauf läßt.
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Außerdem ist noch zu präzisieren, daß, obwohl die Öffnung 8
der beweglichen Platte 7 und die Öffnung 6 der festen Platte
5 zugeordnet wurde, die beiden Durchlaßöffnungen in jedem
Fall zwischen der festen Platte und der beweglichen Platte
ausgetauscht werden könnten.