Kugelventil

Unter einem klassischen Kugelventil versteht man ein Rückschlagventil, bei dem die Richtwirkung durch eine Kugel erzeugt wird. Die typische Anwendung des Kugelventils ist das Rückschlagventil, bei dem der Rückfluss, des durch das Ventil strömenden Stoffes, durch eine Kugel verhindert wird. Häufig werden Kugelventile aber auch in Förderleitungen zähflüssiger Stoffe eingesetzt.

Aufbau

Kugelventile als Saug- und Druckventile einfachster Form an einer aus Steinzeug gefertigten Pumpe

Bei einem Kugelventil verschließt eine Kugel den Ausflussring des Ventils, dem sogenannten Ventilsitz. Zu einem Durchfluss kommt es erst, wenn die Kraft an der Unterseite der Kugel ausreicht, um diese aus dem Ventilsitz zu heben. Die Kugel wird entweder durch die mechanische Konstruktion des Ventilgehäuses oder durch einen Käfig im Bereich des Ventils gehalten. Für die Wahl der Materialien von Ventilsitz, Kugel und Käfig gibt es nur geringe Beschränkungen, so dass die Komponenten des Ventils an die zu regulierenden Substanzen angepasst werden können. Beispielhaft seien hier Pulsometer zum Pumpen von Säuren angeführt, bei denen alle Bestandteile (Pumpengehäuse und Kugelventile) aus Blei gegossen wurden.

In der Regel ist die Kugel 1,4 bis 1,5 mal so groß wie die mittlere Ventilsitzweite. Der Ventilsitz wird als schräge Fläche und nicht als Kugelschale ausgeführt, so dass es nur zu einem linienförmigen Kontakt zwischen Kugel und Sitz kommt. Es ist diese Beschränkung auf eine Linie, die zum einen eine Adhäsion der Kugel am Ventilsitz verhindert und zum anderen die Unempfindlichkeit des Kugelventils gegenüber partikularen Einschlüssen in der durchströmenden Materie begründet: Die Einschlüsse werden von der sich an den Ventilsitz annähernden Kugel aus der Dichtline verdrängt. Durch die unvermeidliche Rotation der Kugel bei durch das Ventil fließendem Massestrom kommt immer ein anderer Teil der Kugel mit dem Sitz in Kontakt, in Kombination mit einer geeigneten Wahl von Kugel- und Ventilsitzmaterialien kann die Abnutzung auf die Kugel beschränkt werden. Die Kugeloberfläche wird somit gleichmäßig abgenutzt, ohne dass die Ventilfunktion durch diesen Verschleiß beeinträchtigt wird.

Im Betrieb dichten Kugelventile nie vollständig ab, sind jedoch beim Einsatz in partikelhaltigen Verunreinigungen der durchströmenden Stoffe niemals ganz undicht.

Anwendungsbeispiele

Pulsometer entsprechend US-Patent 131519

Kugelventile als künstliche Herzklappen

Luftventil, Entlüftungsventil einer Wasserleitung

Pulsometer Dampfeinlassventil

Das zentrale Steuerungsventil in einer Pulsometer-Pumpe ist als Kugel ausgeführt: Je nach Lage der Kugel strömt der Dampf in die eine oder die andere der Pumpenkammern und dichtet die gerade nicht durchströmte Pumpenkammer so ab, dass sich dort der für die Befüllung notwendige Unterdruck aufbauen kann.

Starr-Edwards-Prothese

Eines der bekanntesten Beispiele für ein Kugelventil ist die Starr-Edwards Herzklappenprothese, deren Produktion jedoch 2003 eingestellt wurde. Die Kugel wird bei dieser Prothesenart durch einen Drahtkäfig über der Ventilöffnung gehalten. Die Einfachheit der Konstruktion sollte Grundlage für eine lange Implantationsdauer sein und die Unempfindlichkeit des Kugelventils gegenüber Partikeln (hier Blutzellen) sollte eine Hämolyse des durchströmten Blutes minimieren. Durch konstruktions- und fertigungstechnische Fortschritte konnte jedoch die mechanische Zuverlässigkeit von Doppelflügelklappen die der Starr-Edwards-Prothesen erreichen, bei gleichzeitig größerem Durchfluss und geringerer Hämolyse.

Entlüftungsventil

Bei der Entlüftung von Wasserleitungen nutzt man das sogenannte Luftventil. Hierbei handelt es sich um eine in Wasser schwimmende Kugel, die im aufgeschwommenen Zustand den oben befindlichen Ventilsitz verschließt. Befindet sich Luft in der Leitung, steigt diese bis zum Luftventil auf. Da die Luft die Ventilkugel nicht tragen kann, fällt diese aus dem Ventilsitz und es kommt zu Entlüftung. In dem nachströmenden Wasser schwimmt die Ventilkugel wieder auf und verschließt den Ventilsitz.

Ersatz

Gummiklappenventil mit Ventilfänger

Teilweise wurden Kugelventile durch runde, 1,3–2 cm dicke Gummiklappen ersetzt, die die Einströmöffnung flächenhaft abdecken und sich im geöffneten Zustand über einen kugelschalenförmigen Klappenfänger biegen. Vorteilhaft sind hierbei die geringere Masse und Bautiefe des Ventils. Negativ ist jedoch die Einschränkung bei der Materialwahl (Gummi) und damit auf die förderbaren Substanzen (keine Säuren und keine Laugen) und Temperaturbereiche. Auch kommt es zu einem flächenhaften Abdecken des Ventilsitzes.

Literatur

• Otto Lueger: Lexikon der gesamten Technik, Eintrag: Pumpenventile, 7, S. 290, Leipzig: Deutsche Verlagsanstalt 1904
• Meyers Großes Konversations-Lexikon, Eintrag: Ventil, 20, S. 25, Leipzig: Bibliographisches Institut 1905

Normdaten: SWD in der DNB: 4643756-3