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Die
Erfindung betrifft eine Verschlussvorrichtung für einen
mit Druckgas befüllbaren Druckbehälter eines Kaltgasgenerators
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
der
US-PS 6,068,288 geht
eine Verschlussvorrichtung für einen mit Druckgas befüllbaren
Druckbehälter eines Kaltgasgenerators hervor. Solche Kaltgasgeneratoren
werden insbesondere für Fahrzeug-Airbagsysteme eingesetzt.
Die Verschlussvorrichtung umfasst einen Ventilkörper, der eine
mit der Umgebung kommunizierende Behälteröffnung
in einer Ruheposition schließt. Zum Ausströmen
des Druckgases ist eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung vorgesehen,
durch welche der Ventilkörper in eine Antriebsposition überführbar
ist. Der Ventilkörper ist als Schieber ausgebildet. Durch
eine Verschiebebewegung können unter schiedliche Strömungspfade
freigegeben werden, um ein Ausströmen des Druckgases zu
ermöglichen. Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf,
dass hohe Kräfte zur Ansteuerung des Schiebers erforderlich
sind. Darüber hinaus erschweren diese erhöhten
Kräfte die Ansteuerung eines solchen. Durch eine solche
Verschlusseinrichtung lassen sich die erforderlichen kurzen Öffnungszeiten
nicht realisieren.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Verschlussvorrichtung
für einen mit Druckgas befüllbaren Druckbehälter
eines Kaltgasgenerators zu schaffen, der eine exakt ansteuerbare und
schnelle Öffnungsbewegung eines Kaltgasgenerators ermöglicht,
so dass eine schnelle als auch dosierte Abgabe des unter hohem Druck
stehenden Druckgases und ein sicheres Schließen nach der
Abgabe des Druckgases ermöglicht ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Die
Verschlussvorrichtung weist erfindungsgemäß einen
in einem Ventilgehäuse verschiebbar angeordneten Ventilkörper
auf, der innerhalb einer Vorkammer des Ventilgehäuses bewegbar
ist, wobei der Ventilkörper eine zur Hauptkammer weisende, wirksame
Druckfläche und eine zur Vorkammer weisende, wirksame Druckfläche
aufweist, die gleich groß oder annähernd gleich
groß sind und eine äußere wirksame Druckfläche
aufweist, auf die ein Atmosphärendruck in Öffnungsrichtung
wirkt, sowie eine weitere äußere wirksame Druckfläche
aufweist, auf die ein Atmosphärendruck in Schließrichtung
wirkt, wobei zusätzlich ein Kraftspeicherelement an dem Ventilkörper
angreift, welches in Schließrichtung wirkt. Zur Erzielung
einer selbsthaltenden Schließposition des Ventilkörpers
ist somit vorgesehen, dass die äußere in Öffnungsrichtung
wirkende, mit Atmosphärendruck beaufschlagte Druckfläche
kleiner als die äußere, in Schließrichtung
wirkende, mit Atmosphärendruck beaufschlagbare Druckfläche
und die Schließkraft des Kraftspeicherelementes ausgebildet ist.
Durch eine solche Ausgestaltung wird ermöglicht, dass eine
direkte Ansteuerung der Öffnung- und Schließbewegung
des Ventilkör pers zum Ausströmen des Druckgases
ermöglicht ist. Darüber hinaus weist diese Anordnung
den Vorteil auf, dass eine schwimmende Lagerung des Ventilkörpers
im Ventilgehäuse gegeben ist, bei dem eine zur Hauptkammer
weisende wirksame Druckfläche und eine zur Vorkammer weisende
wirksame Druckfläche gleich groß oder annähernd
gleich groß ausgebildet sind, so dass ein Kräftegleichgewicht
oder nahezu ein Kräftegleichgewicht gegeben ist und der
hohe Behälterinnendruck im Hinblick auf die auf den Ventilkörper
in der Vorkammer wirkenden Kräfte sich quasi aufhebt. Dadurch
wird erzielt, dass die resultierende Schließkraft des Ventilkörpers
sich auf die Druckkraft reduziert, welche durch den Atmosphärendruck
auf die in Öffnungs- und Schließrichtung wirkenden
Druckflächen sowie der Schließkraft des Kraftspeicherelementes
resultiert. Somit können zur Ansteuerung einer Öffnungsbewegung
erheblich reduzierte Kräfte im Vergleich zum tatsächlichen
Behälterinnendruck genügen, um den Ventilkörper
anzusteuern. Dadurch erfolgt eine schnelle und exakte Ansteuerung
sowohl in Öffnungs- als auch in Schließrichtung.
Dies ermöglicht auch kurze Taktungen, so dass nicht nur
ein einmaliges Ausströmen, sondern ein mehrmaliges Ausströmen
des Druckgases aus dem befüllten Druckbehälter
ermöglicht ist. Diese erfindungsgemäße
Ausgestaltung weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass sich
Drucktoleranzen aufgrund von sich ändernden Arbeitstemperaturen
ohne Einfluss auf die Ansteuerung und Reaktionszeiten der Verschlussvorrichtung auswirken.
Dies beruht darauf, dass der Fülldruck des Druckbehälters
auch in der Vorkammer des Ventilgehäuses anliegt und die
jeweils wirksamen Druckflächen gleich groß oder
annähernd gleich groß sind, so dass ein Druckausgleich
sich einstellt, unabhängig von dem absolut herrschenden
Druck im Druckbehälter.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die erste wirksame Druckfläche am Ventilkörper,
die zur Hauptkammer weist, durch eine Dichtung, insbesondere Sitzdichtung,
und die zweite wirksame Druckfläche am Ventilkörper,
die zur Vorkammer weist, durch eine Dichtung, insbesondere Sitzdichtung,
begrenzt ist, wobei ein Durchmesser eines inneren Umfanges von der Dichtung
an der ersten wirksamen, zur Hauptkammer weisenden Druckfläche
gleich groß eines Durchmessers eines äußeren
Umfanges von der Dichtung an der weite ren wirksamen zur Vorkammer
weisenden Druckfläche des Ventilkörpers vorgesehen
ist. Dadurch kann konstruktiv in einfacher Weise erzielt werden,
dass die am Ventilkörper vorgesehenen und zur Hauptkammer
als auch Vorkammer weisenden Druckflächen maßlich
exakt bestimmt werden können, so dass die gewünschte
Schließkraft exakt und im Wesentlichen durch Atmosphärendruck
bestimmt ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
zur Ausbildung der ersten und zweiten wirksamen Druckfläche
am Ventilkörper ein zumindest zweiteiliger Ventilkörper
ausgebildet ist. Dadurch lassen sich in einfacher Weise die geometrischen
Anforderungen zur Ausgestaltung der wirksamen Druckflächen
realisieren.
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Zwischen
dem zumindest zweiteilig ausgebildeten Ventilkörper ist
eine Dichtung vorgesehen, welche als dauerdichte Dichtung ausgebildet
ist. Dadurch wird ermöglicht, dass eine oder mehrere Schnittstellen
des zwei- oder mehrteiligen Ventilkörpers gegenüber
der Umgebung dicht abgeschlossen sind, so dass ein Fülldruck
nicht entweichen kann.
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Das
Ventilgehäuse ist bevorzugt ebenfalls zweiteilig ausgebildet.
Dadurch kann eine einfache Montage zusammen mit dem Ventilkörper
ermöglicht werden. Bevorzugt ist die Schnittstelle des
zweiteilig ausgebildeten Ventilgehäuses durch eine dauerhafte Dichtung
abgedichtet. Analoges gilt für ein mehrteiliges Ventilgehäuse.
Dadurch kann eine sichere Abdichtung zur Vorkammer des Ventilgehäuses
sichergestellt sein.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der Ventilkörper
ein oder mehrere in Verschieberichtung verlaufende Durchgangsbohrungen
aufweist, welche die Hauptkammer und Vorkammer verbinden, wobei
bevorzugt eine große zentrale Durchgangsbohrung vorgesehen
ist. Insbesondere stellt eine große zentrale Durchgangsbohrung
eine einfache konstruktive Ausgestaltung dar, um einen zweiteiligen
Ventilkörper auszubilden und zu ermöglichen, dass
ein schneller Ausgleich der Drücke zwischen der Haupt-
und Vorkammer ermöglicht ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Eingang und/oder Ausgang der zentralen Durchgangsbohrung
im Ventilkörper ein gerundetes oder trompetenförmiges
Profil aufweisen. Dadurch können günstige Strömungsverhältnisse
erzielt werden, die auch zur Verringerung der Reibung und somit
zu keiner Verzögerung in der Öffnungs- und Schließbewegung
des Ventilkörpers führen.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der Ventilkörper
einen im Durchmesser verjüngten Bereich aufweist, in welchem
ein radial nach innen gerichteter Ringbund des Ventilgehäuses
eingreift. Dadurch kann erzielt werden, dass die zur Vorkammer weisende
wirksame Druckfläche am Ventilkörper relativ groß ausgebildet
und an die zur Hauptkammer weisende, wirksame Druckfläche
angepasst werden kann, so dass eine große Behälteröffnung des
Druckbehälters ermöglicht ist. Des Weiteren wird dadurch
ermöglicht, dass in dieser Hinterschneidung ein Kraftspeicherelement
aufgenommen wird, welches sich einerseits an dem radial nach innen
gerichteten Ringbund des Ventilgehäuses abstützt
und gegenüberliegend an einem radial nach außen
erstreckenden Ringbund des Ventilkörpers anliegt und in Schließrichtung
wirkt.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass an
die Vorkammer angrenzend die Antriebsvorrichtung vorgesehen und
ein Anker durch einen Aktuator ansteuerbar ist. Durch diese Anordnung
kann ein Aufbau ermöglicht werden, der einfach in der Montage
ist und eine kompakte Anordnung ermöglicht.
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Bevorzugt
ist zwischen dem Gehäuse der Antriebsvorrichtung und dem
Ventilgehäuse eine Dichtung zum Herstellen eines dauerdichten
Verschlusses zwischen der Vorkammer und der Umgebung vorgesehen.
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Zur
Ansteuerung des Ventilkörpers ist bevorzugt vorgesehen,
dass der Anker als ringförmige Scheibe ausgebildet ist
und insbesondere unlösbar am Ventilkörper befestigt
ist. Dies kann beispielsweise durch eine kraft- und/oder formschlüssige
Verbindung erfolgen. Des Weiteren können auch stoffschlüssige
Verbindungen, wie Klebeverbindungen, Schweißver bindungen
oder dergleichen, vorgesehen sein. Des Weiteren kann auch ein Ventilkörperabschnitt
einteilig mit dem Anker ausgebildet sein.
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Die
Antriebsvorrichtung weist bevorzugt ein Gehäuse mit einem
Aufnahmeraum auf, in welches der Aktuator einsetzbar ist, wobei
eine Dichtplatte vorgesehen ist, welche den Aufnahmeraum des Aktuators
zur Vorkammer abdichtet. Dadurch wird ermöglicht, dass
der Aktuator nicht im Hochdruckbereich liegt, sondern getrennt zur
Vorkammer angeordnet ist.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass diese Dichtplatte als Anschlag
zur gedämpften Öffnungsbewegung des Ventilkörpers
ausgebildet ist. Dadurch kann die Schwingungserzeugung während
der Öffnungs- und Schließbewegung des Ventilkörpers
reduziert werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass ein die Behälteröffnung schließender,
radial nach außen weisender Ringbund des Ventilkörpers
an einer radialen äußeren Umfangsfläche
einen nicht dichtenden Dämpfungsring aufweist, der am Ventilgehäuse
angreift. Dieser Dämpfungsring ermöglicht eine
Verbesserung der Führung und eine Dämpfung des
Schwingungssystems.
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Zur
Verbesserung der Ausströmbedingungen des Druckgases ist
bevorzugt vorgesehen, dass in der Behälteröffnung
des Druckbehälters eine rotationssymmetrische Leitfläche
angeordnet ist, welche einen ins Behälterinnere gerichteten
Rohrabschnitt aufweist, der sich in Strömungsaustrittsrichtung
am gegenüberliegenden Ende aufweitet. Dadurch wird ermöglicht,
dass eine Umlenkung des ausströmenden Druckgases in die
radial angeordneten Austrittsöffnungen begünstigt
wird und das Strömungsfeld bereits frühzeitig
homogenisiert ist. Dadurch lassen sich definiertere Strömungsverhältnisse
erzielen.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass an einem zur Hauptkammer weisenden Bereich des Ventilkörpers eine
rotationssymmetrische Leitfläche vorgesehen ist, welche
zur Umlenkung des ausströmenden Druckgases ausgerichtet
ist. Diese rotationssymmetrische Leitfläche weist bevorzugt
einen analogen Verlauf wie die in der Behälteröffnung
des Druckbehälters angeordnete rotationssymmetrische Leitfläche
auf, um das Strömungsfeld zu beruhigen und eine begünstigte
Ausströmung zu erzielen. Diese rotationssymmetrische Leitfläche
am Ventilkörper weist des Weiteren den Vorteil auf, dass
bei einer Umströmung dieser Leitfläche sich eine
Auftriebskraft für den Ventilkörper ausbildet,
die einer möglichen Schließkraft durch dynamische
Druckveränderungen entgegen wirkt. Dadurch kann ein schnelles Öffnen unterstützt
werden. Diese rotationssymmetrische Leitfläche ist bevorzugt
trompetenförmig ausgebildet.
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Nach
einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass an einer Unterseite des Ventilkörpers mit einer zentralen
Durchgangsbohrung ein druckausgleichsunterstützendes Element
vorgesehen ist, welches sich zumindest in einer Schließposition
des Ventilkörpers in einen druck- und/oder strömungsberuhigten
Bereich des Druckbehälters erstreckt. Diese Anordnung weist den
Vorteil auf, dass ein schneller Druckausgleich zwischen der Hauptkammer
und der Vorkammer während dem Ausströmen des Druckgases
ermöglicht ist und die im Ausströmbereich sich
ergebenden Turbulenzen den Druckausgleich zwischen der Hauptkammer
und der Vorkammer nicht oder nur gering beeinflussen.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass das sich in den Innenraum des Druckbehälters
erstreckende druckausgleichunterstützende Element einen
vorzugsweise zylindrischen Rohrabschnitt aufweist, der bevorzugt
im Durchmesser kleiner als der Befestigungsabschnitt ausgebildet
ist, der in die Durchmesser der zentralen Durchgangsbohrung einsetzbar
ist. Dadurch wird ermöglicht, dass einerseits eine einfache
Anbindung des Rohrabschnitts zum Ventilkörper gegeben ist
und andererseits die bewegte Masse reduziert wird. Darüber
hinaus weist diese Ausgestaltung den Vorteil auf, dass der Rohrabschnitt
in einem Übergangsbereich zum Ventilkörper einen
Aufweitungsabschnitt aufweist, der eine strömungsbegünstigte
Umlenkung ermöglicht. Dadurch wird durch die Außenfläche
des Elements wiederum eine rotationssymmetrische Leitfläche
zur Homogenisierung des Strömungsfeldes erzielt.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Rohrabschnitt im Anschluss an den aufgeweiteten Bereich einen
Zwischenabschnitt aufweist, der in die zentrale Durchgangsbohrung
des Ventilkörpers eingesetzt ist. Bevorzugt erfolgt ein
Einpressen oder eine stoffschlüssige Verbindung zur sicheren
Anordnung und Aufnahme des druckausgleichunterstützenden
Elementes zum Ventilkörper.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die in dem Druckbehälter vorgesehenen Leitflächen,
welche das Strömungsfeld des ausströmenden Druckgases
bestimmen, eine raue Oberfläche aufweisen. Dadurch wird
ermöglicht, dass unmittelbar an den Gleitflächen ein
Strömungsabriss gegeben und somit ein Strömungsprofil
mit einem hohen Massenstromanteil ermöglicht ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass in einem zur Behälteröffnung des Druckbehälter
weisenden Bereich des Ventilkörpers eine Antriebseinrichtung
vorgesehen ist, welche zur Ansteuerung einer Schließbewegung
des Ventilkörpers ansteuerbar ist. Dadurch wird eine getrennte
und angepasste Ansteuerung des Ventilkörpers für
eine Öffnungs- und Schließbewegung ermöglicht.
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Bevorzugt
weist diese Antriebseinrichtung einen Steuerraum auf, in dem ein
Schließkörper oder ein Steuerelement, insbesondere
eine Hülse, eingesetzt ist. Dieses zusätzliche
Steuerelement kann die Schließbewegung des Ventilkörpers
beschleunigen, indem das Steuerelement den Ausströmquerschnitt im
Wesentlichen schließt und die in Öffnungsrichtung wirkenden
Druckkräfte durch das ausströmende Druckgas erheblich
reduziert werden. Dazu ist vorgesehen, dass zunächst das
Steuerelement durch die Antriebseinrichtung angesteuert wird, um
die wirkende Druckkraft zu reduzieren. Anschließend wird
ein schnelles nachfolgendes Schließen des Ventilkörpers
erreicht.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass dieses Steuerelement als Hülse ausgebildet
ist, welches in einem Steuerraum des Ventilkörpers vorgesehen
ist, der an eine Behälteröffnung des Druckbehälters
angrenzt und ent lang der Längsachse des Ventilkörpers
bewegbar ist. Dadurch kann der Öffnungsquerschnitt der
Austrittsöffnung reduziert und somit ein Druckabbau erzielt
werden. Aufgrund dieser veränderten Drucksituation resultiert
eine sofortige Schließbewegung des Ventilkörpers.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass das Steuerelement mit radialem
Spiel in dem Steuerraum des Ventilkörpers angeordnet ist.
Dadurch kann eine einfache und schnelle Ansteuerung ermöglicht
werden.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in
den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben
und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen
zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder
zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt
werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Kaltgasgenerators mit einer
ersten Ausführungsform der Verschlussvorrichtung in einer Schließposition,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung der Ausführungsform gemäß 1 in
einer Arbeitsposition,
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3 eine
schematische Schnittdarstellung eines Kaltgasgenerators mit einer
weiteren Ausführungsform der Verschlussvorrichtung in einer Schließposition,
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4 eine
schematische Schnittdarstellung der Ausführungsform gemäß 3 in
einer Arbeitsposition,
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5 eine
schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform
gemäß 3 in einer Schließposition,
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6 eine
schematische Schnittdarstellung der Ausführungsform gemäß 5 in
einer Arbeitsposition,
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7a bis
e schematische Schnittdarstellungen einer weiteren alternativen
Ausführungsform einer Verschlussvorrichtung gemäß 1.
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In 1 ist
eine schematische Schnittdarstellung eines Kaltgasgenerators 11 mit
einer ersten Ausführungsform einer Verschlussvorrichtung 12 dargestellt,
die an einem Druckbehälter 14 vorgesehen ist.
Der Druckbehälter 14 weist am oberen Ende eine
Behälteröffnung 16 auf. In diese Behälteröffnung 16 ist
ein Ventilgehäuse 18 eingesetzt, welches gemäß dem
Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildet ist. Das Ventilgehäuse 18 kann
auch mehrteilig sein. Ein unterer Abschnitt 19 des Ventilgehäuses 18 greift in
die Behälteröffnung 16 ein und ragt in
einen Innenraum des Druckbehälters 14, der eine
Hauptkammer 15 bildet, und erstreckt sich in entgegengesetzter Richtung
außerhalb des Druckbehälters 14. Das Ventilgehäuse 18 nimmt
einen Ventilkörper 21 und eine Antriebsvorrichtung 22 auf,
die zusammen mit dem Ventilgehäuse die Schlussvorrichtung 12 bilden.
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An
einem Außenumfang des Druckbehälters 14 ist
ein Drucksack 24 befestigt, der nur ansatzweise in Figur
dargestellt ist, jedoch bei allen Druckbehältern 14 vorgesehen
ist. Sobald über eine nicht näher dargestellte
Steuerung ein Signal erfasst wird, welches den Einsatz eines Drucksackes 24 auslöst, wird
der Ventilkörper 21 aus einer in 1 dargestellten
Schließposition durch die Antriebsvorrichtung 22 in
eine in 2 dargestellte Arbeitsposition
der Öffnungsposition übergeführt, damit
das im Druckbehälter 14 sich befindliche Druckgas über
die radial ausgerichteten Austrittsöffnungen 26 im
Ventilgehäuse 18 in den Drucksack 24 strömen
kann.
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An
einem unteren Abschnitt 19 des Ventilgehäuses 18 ist
ein Ventilsitz 28 vorgesehen, an welchem eine Ventilsitzfläche 29 des
Ventilkörpers 21 in einer Schließposition
anliegt. In dieser Ventilsitzfläche 29 ist eine
Dichtung 31 vorgesehen, welche auf dem Ventilsitz 28 aufliegt
und einen Austrittsbereich 32 zwischen der Behälteröffnung 16 und
den Austrittsöffnungen 26 schließt.
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Der
Ventilkörper 21 ist bevorzugt zweiteilig ausgebildet
und weist einen ersten Ventilkörperabschnitt 34 und
einen zweiten Ventilkörperabschnitt 35 auf, die
zueinander befestigbar sind. Bevorzugt ist eine Schraubverbindung
zur einfachen Montage vorgesehen. Weitere alternative Ausführungsformen
zur dauerhaften und festen Verbindung der beiden Ventilkörperabschnitte 34, 35 sind
ebenfalls möglich. In einer Trennstelle zwischen dem ersten
Ventilkörperabschnitt 34 und dem zweiten Ventilkörperabschnitt 35 ist
bevorzugt eine Dichtung 36 vorgesehen, die eine dauerhafte
Dichtigkeit der Trennstelle sicherstellt. Der erste Ventilkörperabschnitt 34 ist
hülsenförmig mit einem radial nach außen
gerichteten Ringbund 38 ausgebildet, an dessen zur Behälteröffnung 16 weisenden
axialen Stirnseite die Ventilsitzfläche 29 ausgebildet
ist. Durch die hülsenförmige Ausgestaltung des
ersten Ventilkörperabschnitts 34 ist eine zentrale
Durchgangsbohrung 39 vorgesehen, welche sich auch entlang
des zweiten Ventilkörperabschnitts 35 erstreckt.
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Der
zweite Ventilkörperabschnitt 35 ist ebenfalls
hülsenförmig ausgebildet und weist eine zur Behälteröffnung 16 gerichtete
zweite Ventilsitzfläche 41 auf, die an einem Ventilsitz 42 eines
oberen Abschnitts 20 des Ventilgehäuses 18 anliegt.
In dieser Ventilsitzfläche 41 des Ventilkörpers 21 ist
eine Dichtung 43 vorgesehen, welche bevorzugt gleich wie
die Dichtung 31 ausgebildet ist. Insbesondere kann hierfür
eine Sitzdichtung vorgesehen sein.
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Zwischen
dem unteren und oberen Abschnitt 19, 20 des Ventilgehäuses 18 ist
ein Hinterschneidungsbereich bzw. eine Verjüngung 46 ausgebildet, in
welchem ein Kraftspeicherelement 47 angeordnet ist. Ein
solches Kraftspeicherelement 47 kann eine Spiralfeder,
Tellerfeder oder dergleichen sein. Ebenso können weitere
Arten von Kraftspeicherelementen eingesetzt werden. Das Kraftspeicherelement 47 greift
nach einer Seite an einer äußeren Druckfläche 48 an,
die der Ventilsitzfläche 29 gegenüberliegend am
Ringbund 38 des Ventilkörpers 21 vorgesehen
ist. Gegenüberliegend greift das Kraftspeicherelement 47 an
einer Ringfläche 51 eines radial nach innen weisenden
Ringbundes 50 an, der am oberen Abschnitt 20 des
Ventilgehäuses 18 ausgebildet ist.
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Der
Ventilkörper 21 ist in einer Vorkammer 52 im
Ventilgehäuse 18, insbesondere im oberen Abschnitt 20 des
Ventilgehäuses 18, verschiebbar geführt.
Hierfür sind beispielsweise Führungsflächen zwischen
einem Außenumfang 53 des Ventilkörperabschnitts 35 und
einem Innenumfang 54 des oberen Abschnitts 20 vorgesehen.
Die Hubbewegung des Ventilkörpers 21 wird durch
die Antriebsvorrichtung 22 beschränkt, welche
an dem oberen Abschnitt 20 des Ventilgehäuses 18 angreift.
Die Antriebsvorrichtung 22 umfasst einen in einem Gehäuse 56 eingesetzten
Ferritkern 57 sowie einen in einem Aufnahmeraum 58 angeordneten
Aktuator 59. Der Aufnahmeraum 58 ist durch eine
Dichtplatte 61 geschlossen. Diese Dichtplatte 61 erstreckt
sich bevorzugt vollständig über den Aufnahmeraum 58,
so dass im Aufnahmeraum 58 kein Behälterinnendruck
auf den Aktuator 59 wirkt. Die Hubbewegung des Ventilkörpers 21 kann
durch den Kern 57 oder insbesondere durch die Dichtplatte 61 beschränkt
werden. Die Dichtplatte 61 weist bevorzugt auch Dämpfungseigenschaften
auf. Die Antriebsvorrichtung 22 umfasst des Weiteren einen
ringförmigen Anker 60, welcher fest mit dem Ventilkörper 21 verbunden
ist. Dieser Anker 60 kann zusätzlich durch einen
innenliegenden Führungsabschnitt am Kern 57 und/oder
Gehäuse 56 geführt werden. Die Vorkammer 52 ist
im Übergangsbereich vom Gehäuse 56 der
Antriebsvorrichtung 22 zum oberen Abschnitt 20 des
Ventilgehäuses 18 durch eine Dichtung 63 dauerhaft
abgedichtet. Diese Dichtung 63 kann auch am oberen Ende
des oberen Abschnitts 20 des Ventilgehäuses 18 zum Gehäuse 56 der
Antriebsvorrichtung 22 vorgesehen sein.
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Für
die vorbeschriebene Ausgestaltung wird eine Verschlussvorrichtung 12 mit
einem schwimmend gelagerten Ventilkörper 21 erzielt,
bei welcher der Druck in der Hauptkammer 15, also im Druckbehälter 14,
gleich dem in der Vorkammer 52 ist. Aufgrund der großen
zentralen Durch gangsbohrung 39 ist ein solcher Druckausgleich
schnell erzielt und kann aufrechterhalten bleiben. Die auf den Ventilkörper 21 wirkende
Schließkraft ist unabhängig oder nahezu unabhängig
von dem Behälterinnendruck aufgrund des Druckausgleichs
und der Ausgestaltung der wirksamen Druckflächen 37, 44.
Hierfür ist vorgesehen, dass die erste wirksame Druckfläche 37,
welche auf die Ventilsitzfläche 29 des Ventilkörpers 21 wirkt,
durch den inneren Durchmesser der Dichtung 31 bestimmt
wird. Die zweite wirksame Druckfläche 44, welche
zur Vorkammer 52 weist, ist durch einen äußeren
Durchmesser der Dichtung 43 bestimmt. Damit eine schwimmende
Lagerung ermöglicht ist, entspricht der innere Durchmesser
der Dichtung 31 dem äußeren Durchmesser
der Dichtung 43 oder entspricht diesem im Wesentlichen,
so dass ein Druckausgleich ermöglicht ist. Daraus resultiert,
dass die Schließkraft durch den von außen wirkenden
Atmosphärendruck und der Kraft des Kraftspeicherelementes 47 bestimmt
ist. Über die Austrittsöffnungen 26 wirkt
der Atmosphärendruck auf die äußere Druckfläche 48 in
Schließrichtung, in welcher auch das Kraftspeicherelement 47 wirkt.
Die sich daraus ergebende Druckkraft ist durch die Größe
der äußeren Druckfläche 48 und
der Kraft des Kraftspeicherelementes 47 bestimmt. Dieser
Schließkraft entgegen wirkt eine Öffnungskraft
durch eine äußere Druckfläche 64,
die außerhalb der Dichtung 31 am Ringbund 38 gebildet
ist. Damit eine Schließkraft vorherrscht, ist somit erforderlich,
dass die Druckkraft des Kraftspeicherelementes 47 und die
durch die äußere Druckfläche 48 resultierende
Druckkraft größer als die in entgegengesetzter
Richtung wirkende Druckkraft ist, welche durch die äußere
Druckfläche 64 am Ringbund 38 resultiert.
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Zur
Ansteuerung des Ventilkörpers 21 wird die elektromagnetische
Antriebsvorrichtung 22 bestromt, wodurch eine Hubbewegung
des Ventilkörpers 21 erzielt wird und ein Ablösen
der Ventilsitzfläche 29 des Ventilkörpers 21 von
dem Ventilsitz 28 am Ventilgehäuse 18 gegeben
ist. Dadurch kann das Druckgas über die Austrittsöffnungen 26 in
den Drucksack 24 abströmen. Während dem
Abströmen des Druckgases findet gleichzeitig wiederum ein Druckausgleich
zwischen der Vorkammer 52 und der Hauptkammer 15 beziehungsweise
dem Innenraum des Druckbehälters 14 statt, so
dass die schwimmende Lagerung und das auf den Ventilkörper 21 wirkende
Kräftegleichgewicht aufgrund der Durchgangsbohrung 39 aufrechterhalten
werden kann. Zum Schließen des Ventilkörpers 21 wird
die Antriebsvorrichtung 22 stillgesetzt, so dass die durch
das Kraftspeicherelement 47 und äußere
Druckflächen 48 erzeugte Schließkraft
den Ventilkörper 21 in eine Schließposition
gemäß 1 überführt.
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Zur
Verbesserung der Führung des Ventilkörpers 21 in
dem Ventilgehäuse 18 kann bevorzugt an einer radialen
Umfangsfläche 67 des Ringbundes 38 ein
Dämpfungsring 68 vorgesehen sein. Ein solcher
Dämpfungsring 68 kann auch zur Dämpfung
des Schwingungssystems beitragen. Dieser Dämpfungsring 68 weist
keine dichtende Wirkung auf.
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Die
vorliegende Ausführungsform weist somit den Vorteil auf,
dass der Ventilkörper 21 direkt ansteuerbar ist,
wodurch kurze Reaktionszeiten erzielt werden und die Regelbarkeit
verbessert wird. Darüber hinaus weist diese Anordnung aufgrund
der großen Strömungsquerschnitte den Vorteil auf,
dass als Druckgas auch Stickstoff verwendet werden kann, wodurch
geringere Anforderungen an die Auslegung der Dichtheit des Systems
als bei Helium gegeben ist. Diese Verschlussvorrichtung 12 ist
als selbständige Einheit ausgebildet und kann an den jeweiligen Druckbehälter 14 angebracht
werden, wobei der untere Abschnitt 20 des Ventilgehäuses 18 zur
Fixierung an der Behälteröffnung 16 modifiziert
ist. Des Weiteren ist eine solche Verschlussvorrichtung 12 temperatur-
und drucktolerant.
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In 3 ist
eine alternative Ausführungsform einer Verschlussvorrichtung 12 zu 1 in
einer Schließposition dargestellt. Die 4 zeigt
alternative Ausführungsformen gemäß 3 in
einer Arbeitsposition. Im Nachfolgenden wird im Hinblick auf die Übereinstimmungen
der Merkmale auf die 1 und 2 Bezug
genommen.
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Die
Ausführungsform gemäß den 3 und 4 weicht
von der Ausführungsform in 1 dahingehend
ab, dass in der Behälteröffnung 18 eine rotationssymmetrische
Leitfläche 72 vorgesehen ist, welche einen in
das Behälterinnere ragenden Rohrabschnitt 73 und
einen in Öffnungs richtung weisenden Rohrabschnitt 74 aufweist,
der sich aufweitet. Durch diese bevorzugt trichter- oder insbesondere trompetenförmig
ausgebildete Leitfläche, die über Stege 76 zum
unteren Abschnitt 20 des Ventilgehäuses 18 gehalten
ist, wird das Strömungsfeld bei Ausströmen des
Druckgases frühzeitig homogenisiert und die Ausströmgeschwindigkeit
erhöht. Bevorzugt ist an einer Unterseite des Ventilkörpers
eine weitere rotationssymmetrische Leitfläche 77 vorgesehen, welche
ebenfalls durch Stege 76 zur Unterseite des Ventilkörpers 21 gehalten
ist. Diese rotationssymmetrische Leitfläche 77 greift
in geschlossener Position des Ventilkörpers 21 in
die rotationssymmetrische Leitfläche 72 teilweise
ein. In geöffnetem Zustand der Verschlussvorrichtung 12 wird
dadurch erzielt, dass der durch den rohrförmigen Abschnitt 73 der
rotationssymmetrischen Leitfläche 72 ausströmende
Volumenstrom über die Leitfläche 77 ebenfalls
in Richtung auf die Austrittsöffnung 26 umgelenkt
wird. Gleichzeitig wird dadurch aufgrund der anliegenden Druckkraft
die Öffnungsgeschwindigkeit des Ventilkörpers 21 erhöht.
In einer Arbeitsposition bildet der aufgeweitete Rohrabschnitt 74 der
rotationssymmetrischen Leitfläche 72 und die rotationssymmetrische Leitfläche 77 eine
fächerförmige Anordnung zur Strömungsumlenkung.
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Solche
rotationssymmetrische Leitflächen 72, 77 können
einzeln oder gemeinsam sowie auch nachträglich in eine
Behälteröffnung 16 beziehungsweise an
einer Unterseite des Ventilkörpers 21 eingesetzt
oder angebracht werden.
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In 5 ist
eine alternative Ausführungsform der Verschlussvorrichtung 12 gemäß 1 in
einer Schließposition dargestellt. Die 6 zeigt
die Ausführungsform gemäß 5 in
einer Arbeitsposition. Im Hinblick auf die übereinstimmenden
Merkmale wird auf die Figurenbeschreibung zu 1 und 2 Bezug
genommen.
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Bei
dieser Ausführungsform nimmt der Ventilkörper 21 an
seiner Unterseite beziehungsweise zum Druckbehälter 14 weisend
ein druckausgleichunterstützendes Element 81 auf.
Dieses druckausgleichunterstützende Element 81 ist
rohrförmig ausgebildet und weist beispielsweise einen ersten
zylindrischen Rohrabschnitt 83 auf, der sich durch die
Be hälteröffnung 16 hindurch bis in einen
druck- und/oder strömungsberuhigten Bereich des Druckbehälters 14 erstreckt.
An diesem zylindrischen Rohrabschnitt 83 schließt
sich in Ausströmrichtung des Druckgases gesehen ein Erweiterungsabschnitt 84 an,
der in einen Befestigungsabschnitt 86 übergeht. Dieser
Befestigungsabschnitt 84 ist bevorzugt zylindrisch ausgebildet
und zur Einpressung in die Durchgangsbohrung 39 des Ventilkörpers 21 vorgesehen. Alternativ
können auch weitere kraft-, form- oder stoffschlüssige
Verbindungen zur Befestigung des druckausgleichunterstützenden
Elementes 81 zum Ventilkörper 21 vorgesehen
sein. Der Erweiterungsabschnitt 84 weist bevorzugt eine
Außenfläche 87 auf, welche einen aufgeweiteten
Rohrabschnitt 74 der rotationssymmetrischen Leitfläche 72 oder
der rotationssymmetrischen Leitfläche 77 in der
Geometrie angenähert ist oder entspricht, um eine Strömungsumlenkung
zu erzielen. Durch dieses druckausgleichunterstützende
Element 81, welches auch als Rüssel bezeichnet
werden kann, wird ein schneller Druckausgleich in der Vorkammer 52 zur
Hauptkammer 15 ermöglicht, sobald Druckgas aus
dem Druckbehälter 14 ausströmt und sich
die Druckverhältnisse aufgrund einer Öffnungs-
oder Schließbewegung des Ventilkörpers 21 in
der Vorkammer 52 ändern. Dies weist insbesondere
den Vorteil auf, dass einer auf den Ventilschließkörper 21 wirkenden Schließkraft
entgegengewirkt werden kann, da beim Ausströmen des Druckgases
ein Unterdruck im Ausströmbereich 32 erzeugt wird.
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Bei
den vorgenannten Ausführungsbeispiel ist es grundsätzlich
von Vorteil, wenn die strömungsbehafteten Oberflächen
eine raue Oberfläche aufweisen, damit eine Grenzschichtdicke
eines Strömungsprofils kleiner wird, da diese bei turbulenten
Strömungen besser beherrschbar ist als bei laminaren Strömungen.
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In
den 7a bis e ist eine weitere alternative Ausführungsform
einer Verschlussvorrichtung 12 gemäß 1 dargestellt,
wobei lediglich derjenige Teil des zur Behälteröffnung 16 weisenden
Teils des Ventilkörpers 21 vergrößert
dargestellt ist, der von 1 abweicht. Im Übrigen
wird auf die Beschreibung zur Ausführungsform gemäß 1 vollumfänglich
Bezug genommen.
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In
einem unteren Abschnitt des Ventilkörpers 21 ist
eine Antriebseinrichtung 91 vorgesehen. Durch diese zusätzliche
Antriebseinrichtung 91 zur Antriebsvorrichtung 22 kann
die Kraftsituation für das Öffnen einerseits und
die Kraftsituation für das Schließen andererseits
optimiert werden. Diese Antriebseinrichtung 91 umfasst
ein Steuerelement, insbesondere eine Hülse 92,
in einem Steuerraum 93, der einen Teil der Durchgangsbohrung 39 bildet.
Der Steuerraum 93 und die Hülse 92 sind
in ihrer Größe bevorzugt derart ausgebildet, dass
der Querschnitt der Durchgangsbohrung 39 sich vollständig über
die Länge des Ventilkörpers 21 erstreckt.
Außerhalb des Steuerraumes 93 ist ein nicht näher
dargestellter Aktuator vorgesehen, der eine Stellbewegung der Hülse 92 bewirkt.
Die Hülse 92 ist mit ausreichendem Radialspiel
beweglich in dem Steuerraum 93 gelagert. Die Funktion und
Wirkung der Antriebseinrichtung 91 wird nachfolgend anhand
den 7a bis e beschrieben. In 7a ist
die Schließposition des Ventilkörpers 21 zur
Behälteröffnung 16 dargestellt. Die Ventilsitzfläche 29 liegt
am Ventilsitz 28 an.
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Durch
die Ansteuerung der Antriebsvorrichtung 22 wird der Ventilkörper 21 in
eine Arbeitsposition übergeführt. Bei diesem Arbeitshub
verbleibt die Hülse 92 im Steuerraum 93.
Der Austrittsbereich 32 zum Abströmen des Druckgases
wird freigegeben.
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Zum
schnellen Überführen des Ventilkörpers 21 in
eine Schließposition wird die Antriebseinrichtung 91 betätigt.
Durch die Ansteuerung der Hülse 92 wird diese
aus dem Steuerraum 93 durch eine Hubbewegung herausgeführt,
so dass diese in den Austrittsbereich 32 hineingeführt
wird und eine primäre Sperrung der radialen Austrittsöffnungen 26 ermöglicht,
wie in 7c dargestellt ist. Aufgrund
der veränderten Drucksituation erfolgt ein schlagartiges Überführen
des Ventilkörpers 21 in eine Schließposition,
wie dies in 7d dargestellt ist. Anschließend wird
die Hülse 92 vollständig in den Steuerraum 93 zurückgezogen,
wie dies in 7e dargestellt ist, damit eine
erneute Öffnungsbewegung des Ventilkörpers 21 nicht
behindert wird. Das Zurückziehen der Hülse 92 in
den Steuerraum 93 kann beispielsweise durch eine Federkraft
erzielt werden. Eine solche alternative Ausführungsform
kann auch den Ausführungsformen gemäß den 3 bis 6 überlagert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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