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Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere für hydraulische oder pneumatische Regelungs-, Schalt- und/oder Steuerungszwecke, wobei das Ventil ein Ventilgehäuse aufweist, in welchem ein Strömungskanal für das Medium vorgesehen und in dem Strömungskanal ein Dichtelement angeordnet ist, gegen welches ein Dichtkörper derart anstellbar ist, daß der Querschnitt des Strömungskanals variierbar ist oder der Strömungskanal verschließbar oder freigebbar ist.
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Vorgenannte Ventile sind zum Beispiel in pneumatischen oder hydraulischen Einsatzbereichen bekannt. Es sind hierzu eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen bekannt geworden, die für die unterschiedlichen Einsatzbereiche optimiert sind. Es sind zum Beispiel metallische Ventilelemente bekannt, die einen angedrehten Ventilsitz aufweisen. Des Weiteren sind metallische Ventilsitze mit eingedrehtem Ventilsitz bekannt. Nachteilig bei diesen Konstruktionen ist, daß die metallischen Ventile teuer in der Herstellung sind, aber auch aufwendig in der Zerspanung, da diese unter Umständen Nacharbeiten, zum Beispiel beim Entgraten, erfordern. Dabei ist der Einbau in komplizierte Ventilgehäuse ebenfalls aufwendig, da keine allzu komplizierten Geometrien geschaffen werden können, da die aus Metall geschaffenen Ventilgehäuse gedreht werden, und komplizierte Geometrien nur durch komplizierte, mehrteilige Gehäuse möglich sind.
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Es sind auch mehrteilige Ventilgehäuse bekannt, in welche ein als Dichtscheibe ausgebildetes Dichtelement im Strömungskanal eingesetzt wird. Das Dichtelement wird dann zum Beispiel durch ein zweites Bauteil des Ventilgehäuses gesichert, wobei das zweite Teil mit dem ersten Teil des Ventilgehäuses hinterher zu verbinden, zum Beispiel zu verstemmen oder zu verschweißen, ist. Es ist klar, daß auch ein solcher mehrteiliger Aufbau des Ventiles in der Herstellung aufwendig ist. Des Weiteren ist aufgrund der notwendigen Einbaupassungen mit Undichtigkeiten im Bereich des Dichtelementes an den Teilen zu rechnen, weswegen hier zusätzliche Abdichtungen notwendig sind. Darüber hinaus läuft man Gefahr, daß der Aufbau eines Ventiles aus mehreren Gehäuseteilen zu großen Maßungenauigkeiten führen kann, da sich die auftretenden Toleranzen unter Umständen gegenseitig verstärken und nicht ausgleichen.
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Die
DE 198 10 241 A1 zeigt ein gattungsgemäßes Ventil bei dem das mit dem Dichtkörper beziehungsweise dem Ventil hier zusammenwirkende Dichtelement beziehungsweise Ventilsitz in der Wand des Strömungskanals eingespritzt und dort gehalten ist. Hierdurch wird jedoch kein ausreichend dauerhafter mechanischer Verbund zwischen Dichtelement beziehungsweise Ventilsitz und Dichtkörper beziehungsweise Ventilglied geschaffen.
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Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Ventil wie eingangs beschrieben zu schaffen, welches günstig herstellbar ist und gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit besitzt. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Ventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Dabei geht die Erfindung aus von einem Ventil wie eingangs beschrieben und schlägt vor, daß das Dichtelement in der Wandung des Strömungskanals gehalten ist und das Material der Strömungskanalwandung zumindest einseitig an dem Dichtelement angespritzt ist. Bei verschlossenem Strömungskanal liegt der komplette Eingangsdruck auf einer Oberfläche des Dichtelementes an und presst das Dichtelement gegen das Material der Strömungskanalwandung, welche in Druckrichtung gesehen hinter dem Dichtelement angeordnet ist.
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Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag erreicht die Erfindung mehrere vorteilhafte Effekte. Zum Einen ist es nicht mehr notwendig, das Ventilgehäuse aus mehreren, mit Passung versehenen Einzelteilen zu gestalten, da das Dichtelement bei der Herstellung des Ventilgehäuses beziehungsweise der Strömungskanalwandung eingebaut ist. Auf eine zusätzliche Passung kann hier verzichtet werden, eine Quelle für Maßtoleranzen wird vermieden. Des Weiteren wird durch den spielfreien Einbau des Dichtelementes das Verwenden von zusätzlichen Dichtringen usw. – wie nach dem Stand der Technik bekannt – vermieden, wodurch zum Einen Bauteile gespart werden und zum Anderen durch diesen Dichtungsring keine zusätzlichen Maßungenauigkeiten oder zusätzliche, auch einem Verschleiß unterliegende Bauteile in das Gerät importiert werden. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Ventils gesteigert. Auch ist es nicht mehr notwendig, die verschiedenen Gehäuseteile hernach in einem aufwendigen Verbindungsverfahren (Verstemmen, Schweißen oder Ultraschall-Schweißen) zu verbinden. Da dieses aufwendige Verbindungsverfahren entfällt, werden hierbei ebenfalls Kosten eingespart. Da zu der Herstellung des Ventils auf ein hinlänglich bekanntes Spritzverfahren abgestellt wird, ist es möglich, auch verhältnismäßig komplizierte Geometrien, zum Beispiel des Strömungskanales zu realisieren, was mit den sonst bekannten spanabhebenden Bearbeitungsverfahren nicht möglich war. Die Erfindung erreicht bei gleichen oder geringeren Kosten die Realisierung von komplexeren Geometrien des Strömungskanales, beziehungsweise des kompletten Ventiles bei gleichbleibend hoher Güte und geringerer Ausschußquote.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Dichtelement von dem Material der Strömungskanalwandung umspritzt und formschlüssig in die Strömungskanalwandung eingebaut ist. Das Dichtelement ist gemäß der Erfindung zumindest einseitig von dem Material der Strömungskanalwandung angespritzt. Wird der Einbau so vorgesehen, daß das Dichtelement von dem Material der Strömungskanalwandung umspritzt ist, so wird eine mehrseitige Anlagerung des Strömungskanalwandungsmateriales angestrebt und so ein formschlüssiger Einbau des Dichtelementes in der Strömungskanalwandung erreicht. Es resultiert eine hohe mechanische Belastbarkeit des Dichtelementes am Strömungskanal bei gleichzeitiger Vermeidung von Fertigungstoleranzen und Spielen, woraus eine hohe Dichtheit, ohne Verwendung von zusätzlichen Dichtelementen, resultiert.
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Zur Verbesserung der Befestigung des Dichtelementes in dem Ventil bzw. in der Wandung des Strömungskanales ist vorgesehen, dass in dem Dichtelement Verankerungsteile für die Verbindung des Dichtelementes mit dem Material der Strömungskanalwandung und/oder des Ventilgehäuses besitzt. Bei dem Dichtelement können zum Beispiel pratzenartige Vorsprünge, Umfangsrillen, Hintergreifungen usw. vorgesehen sein, in welche oder um welche herum das anzuspritzende Material eindringt und den mechanischen Verbund deutlich erhöht, wodurch eine bessere Lagerung des Dichtelementes in der Wandung folgt.
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Es ist von Vorteil, wenn das Ventilgehäuse mit dem Strömungskanal einstückig nach einem Spritzverfahren hergestellt ist. Prinzipiell ist es im Sinne der Erfindung möglich, daß nur das Material der Strömungskanalwandung, welche ja das Dichtelement aufnimmt, nach einem Spritzverfahren hergestellt ist. Durch die einstückige Ausbildung des Ventilgehäuses mit dem Strömungskanal oder auch Teile des Ventilgehäuses wird in einem Herstellungsschritt das komplette Ventilgehäuse mit dem Innenleben, den Strömungskanälen usw. geschaffen. Der Kostenvorteil bei einer solchen Vorgehensweise liegt auf der Hand. Gleichzeitig wird aber eine hohe Maßhaltigkeit des fertigen Ventiles erreicht, da nur eine kleine Toleranzkette aufgrund der geringen Anzahl von Einzelteilen besteht.
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Es ist vorgesehen, daß das Dichtelement aus Kunststoff, Keramik oder Metall besteht. Es ist auch möglich, daß andere Materialien (Verbundmaterialien, faserverstärkte Materialien usw.) hier eingesetzt werden können. Die Auswahl des Materials hängt letztendlich vom Einsatzbereich des Ventiles ab.
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Für das Ventilgehäuse wird vorgesehen, daß dieses aus Kunststoff, formstabilem und/oder hochtemperaturbeständigem Kunststoff oder Metall besteht. Gerade die Verwendung von Kunststoff für das Ventilgehäuse hat den Vorteil, daß es nicht zu einer Anhaftung von magnetischen Schmutzpartikeln an den Metallinnenflächen kommt. Günstigerweise wird hierbei auch das Dichtelement aus Kunststoff geschaffen.
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Es ist geplant, vorgenannte Ventile zum Beispiel im Bereich von Schaltgetrieben für den Kraftfahrzeugbau einzusetzen, wo diese Ventile einem starken Verschleiß und starker Belastung unterliegen. Die Verwendung von Kunststoff als spritzbares Material ist hinlänglich bekannt. Es existieren Spritzgußverfahren, die eine im wesentlichen beliebige Ausgestaltung des Ventiles erlauben. Durch den Einsatz von formstabilen und/oder hochtemperaturbeständigen Kunststoffen ist es möglich, das erfindungsgemäße Ventil auch in Bereichen einzusetzen, die aufgrund der Umgebungsparameter als extrem anzusehen sind. Es ist hierbei gefunden worden, daß Ventilgehäuse oder Ventile, die aus Polyphenylensulfit (PPS) hierzu günstig sind, da sich dieses Material durch hohe Härte und Steifigkeit auszeichnet. Es ist aber auch möglich, anstelle von Kunststoffen zum Beispiel auch Metall in einem Metallspritzverfahren (MIM) einzusetzen. Die Verwendung von Kunststoff hat aber den Vorteil, daß das Ventil medienunabhängig eingesetzt werden kann, da durch die Vermeidung von Kontaktflächen zweier unterschiedlicher Metalle keine Probleme bezüglich einer Spannungsreihe bestehen.
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Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Elektromagnetventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Dabei geht die Erfindung aus von einem Elektromagnetventil mit einem Ventil wie vorbeschrieben, wobei die Ankerstange, die durch den Elektromagneten betätigt wird, als Aktuator für die Betätigung des Dichtkörpers dient.
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Es natürlich in gleicher Weise auch möglich, andere hinlänglich bekannte Aktuatoren (zum Beispiel aufgrund eines Schrittmotors, mechanischen Stellgliedes, händisch bedient usw.) einzusetzen.
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Die Aufgabe wird des Weiteren durch ein Spritzgußverfahren zur Herstellung eines Ventils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Durch das Verfahren soll insbesondere der Einbau des Dichtelementes in dem Ventil beziehungsweise dem Ventilkörper erleichtert werden. Gleichzeitig soll durch das vorzuschlagende Verfahren mit geringem Aufwand, also eine kostengünstigere Herstellung, ein möglichst hochgenaues und mit hoher Güte reproduzierbares Ergebnis erreicht werden. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß das Dichtelement in eine Form einlegbar ist und/oder das Dichtelement von Halteelementen gehalten ist und das Dichtelement hernach zumindest von dem Material der Strömungskanalwandung umspritzt wird. Durch diesen verfahrensmäßigen Vorschlag wird erreicht, daß das Dichtelement spielfrei und kostengünstig in den Ventilkörper eingebaut wird. Natürlich ist es möglich, im Sinne der Erfindung nicht nur das Material der Strömungskanalwandung an das Dichtelement anzuspritzen, sondern im gleichen Verfahrensschritt einstückig das gesamte Ventilgehäuse oder ein Teil dieses Gehäuses oder auch das gesamte Ventil zu schaffen. Dabei ist es möglich, das Herstellungsverfahren so auszubilden, daß in der Fertigung ein hoher Automatisierungsgrad erreicht wird, wodurch der Zeitaufwand für die Produktion eines erfindungsgemäßen Ventiles nach dem Verfahren deutlich abgesenkt wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß das Dichtelement von stangenartigen Halteelemten gehalten ist, die in dem späteren Strömungskanal des Ventilgehäuses angeordnet sind. Die stangenartigen Halteelemente übernehmen hierbei zwei Funktionen, zum Einen halten sie das Dichtelement an der vorgesehenen Position und dienen gleichzeitig als Innenform zur Bildung des Strömungskanales. Des Weiteren ist eine zum Beispiel zwei- oder mehrteilige Außenform vorgesehen, die die Außenkontur des Ventilgehäuses ergibt. Der zum Beispiel zylinderartige oder schlauchartige Zwischenraum zwischen der Haltestange und der Außenform wird dann mit dem Material (Kunststoff oder auch Metall) ausgespritzt. Dabei steht das Gehäuse im Bereich des Halteelementes über die stangenartigen Halteelemente vor, wodurch diese von dem eingespritzten Material umschlossen wird. Ist die Herstellung des Ventiles abgeschlossen, so wird zunächst die Außenform abgelöst, die stangenartigen Halteelemente halten das Ventil. Werden diese nun zurückgezogen, so fällt das hergestellte Ventil nach unten weg, ohne das zusätzliche Schritte notwendig sind. Gleichzeitig wird die Maschine wieder frei für die nächste Herstellung.
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In der Zeichnung ist die Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1 und 2 in einem Schnitt das erfindungsgemäße Ventil in zwei verschiedenen Ausführungsformen.
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In 1 ist ein 2/2-Wegeventil gezeigt. Der Eingang 14 ist in der hier gezeigten Ausführungsform unten vorgesehen. An diesem liegt der Druck 11 an, der in gewissen Einsatzbereichen durchaus zwanzig bis dreihundert Bar (mittlerer Druckbereich) betragen kann. Auf diesen Druckbereich ist aber der Einsatz der Erfindung nicht beschränkt. Im Inneren des Ventiles 1 befindet sich der Strömungskanal 10, der hier zum Beispiel als zylinderartiges Volumen ausgebildet ist. Am Eingang 14 ist zum Beispiel ein Sieb vorgesehen, um das Eindringen von Schwebteilen, die zum Beispiel in Hydraulikkreisläufen transportiert werden können, zu vermeiden. Der Strömungskanal 10 wird von einer Strömungskanalwandung 12 begrenzt.
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In den Strömungskanal 10 ist gemäß der Erfindung ein Dichtelement 2, zum Beispiel im oberen Bereich so eingebaut, daß der Querschnitt des Strömungskanales 10 reduzierbar ist. Das Dichtelement 2 besitzt hierbei eine Bohrung 20, durch welches das Medium fließt. Die Bohrung 20 ist dabei kleiner als der Durchmesser des Strömungskanales 10, wobei natürlich auch Ausführungen möglich sind, die den kompletten Querschnitt des Strömungskanales 10 auch im Bereich des Dichtelementes 2 zur Verfügung stellen. Die Dimensionierung der Bohrung 20 und des Querschnittes des Strömungskanales 10 erlaubt die Realisierung von verschiedensten Einsatzzwecken.
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Bezüglich des anliegenden Druckes 11 auf der Rückseite des Dichtelementes 2 ist der Dichtkörper 3 angeordnet, der über einen Aktuator 4 angesteuert wird und die Bohrung 20 verschließen kann. Ein erster Ausgang 13 ist am druckseitigen Ende des Ventiles 1 vorgesehen.
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Der Aktuator 4 wird bei dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung von einer Ankerstange 40 gebildet, welche von einem Elektromagneten angesteuert wird. Als Aktuator ist aber auch jede andere Steuerungseinrichtung, ob longitudinal oder auf einer Kreisbahn angesteuert, einsetzbar. Die dargestellte Ausführungsform der Erfindung beschränkt die Erfindung nicht auf die Ausgestaltung mit einem Elektromagneten, sondern ist für jede Steuerung geeignet. Die Kombination des vorgestellten Ventiles mit einem Elektromagneten erlaubt aber in einfacher Weise eine sehr genaue Ansteuerung, insbesondere für Regelungszwecke.
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In der Zeichnung ist gezeigt, daß das Dichtelement 2 scheibenartig ausgebildet ist. Es ist natürlich auch möglich, das Dichtelement zylinderartig oder in einer anderen Geometrie zu gestalten, auf die hier gezeigte Ausgestaltung des Dichtelementes 2 kommt es zum Ausnutzen der Erfindung nicht an. In 1 ist gezeigt, daß das Material der Seitenwandung 12 in Druckrichtung vor und hinter dem Dichtelement 2 an diesem anliegt. Daraus ergibt sich ein weiterer Vorteil der Erfindung, da selbst bei einem nicht komplett spielfreien Einbau des Dichtelementes 2 in das Ventil beziehungsweise die Wandung 12 eine selbstdichtende Funktion erreicht wird. Wird die Bohrung 20 durch den Dichtkörper 3 durch den Aktuator 4 verschlossen, so liegt der komplette Druck 11 auf der Oberfläche des Dichtelementes 2 an, welches dem Eingang 14 zugewandt ist. Die daraus resultierende Kraft versucht das ganze Dichtelement 2 nach oben zu versetzen und preßt das Dichtelement 2 gegen das Material 16, 16' der Wandung 12, welche, in Druckrichtung 11 gesehen, hinter dem Dichtelement 2 angeordnet ist. Sollte sich ein Spiel oder Spalt bei dem Einbau oder später, im Einsatz ergeben, wird dieses durch diesen Mechanismus zuverlässig abgedichtet. Dadurch wird eine hohe Betriebssicherheit des Ventiles, auch bei Verschleißerscheinungen, erreicht.
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In den Figuren ist gezeigt, daß als Dichtkörper 3 eine Kugel 30 Verwendung findet. Die Kugel 30 ist üblicherweise in einem nicht weiter spezifizierten Käfig gehalten und ist mit dem Aktuator 4 nicht gekoppelt. Das bedeutet, daß beide Bauteile getrennt und gegeneinander beweglich sind. Natürlich ist es möglich, den Dichtkörper 3 am vorderen Ende des Aktuators 4 anzuordnen oder aber Dichtkörper 3 und Aktuator 4 miteinander zu koppeln. Neben der Ausgestaltung des Dichtkörpers 3 als Kugel 30 ist aber auch jede andere bekannte geometrische Form für den Dichtkörper 3 vorstellbar. Es ist als Beispiel die Verwendung von Kegeln oder Kegelstümpfen als Dichtkörper bekannt, die insbesondere mit kreisrunden Öffnungen 20 im Dichtelement 2 bezüglich der Abdichtung hervorragend zusammenwirken.
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Die Erfindung wurde anhand eines 2/2-Wegeventils erläutert, sie ist aber in gleicher Weise auch in Mehrwegeventilen einsetzbar. In 2 ist ein 3/2-Wegeventil gezeigt, wobei die Erfindung an dem unteren Ventilbereich eingesetzt ist. Die Erfindung ist aber nicht allein auf diesen Einsatzzweck beschränkt, sondern kann auch bei jeder Ventilaufgabe eingesetzt werden. Bei dem hier dargestellten Mehrwegeventil erfolgt eine Entlüftung über den Ausgang 15. Natürlich ist auch eine Kopplung beziehungsweise Kombination der neuartigen Anordnung des Dichtelementes 2 an der Wandung des Strömungskanales 10 mit der Altbekannten möglich. Aufgrund der komplizierten Führung des Mediums und der Anordnung des Strömungskanales 10 besteht das Ventilgehäuse aus den beiden Teilen 18, 19, an denen die Dichtelemente einbaubar sind, und die hernach miteinander verbunden werden.
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In 2 entspricht auch der Kanal zum Entlüftungsausgang 15 einen Strömungskanal 10 im Sinne der Erfindung, der gegebenenfalls in gleicher Weise mit einem Dichtelement zusammen mit einem Dichtkörper 3 verschließbar ist. Dabei wird die Kraft zum Verschließen der Öffnung hierbei nicht durch den Aktuator 4, sondern durch den anliegenden Druck aufgebracht. Der Aktuator gibt gegebenenfalls dieses Ventil wieder frei.
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In gleicher Weise ist die Erfindung auch geeignet, um eine Düse zu realisieren, wobei das, die Durchtrittsöffnung tragende, Dichtelement von einem Ventilgehäuse oder einem Gehäuse derart gehalten ist, daß das Dichtelement von dem Material des Gehäuses beziehungsweise der Seitenwandung des Strömungskanales umspritzt wird und so spielfrei und formschlüssig gehalten ist.
