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Die
Erfindung betrifft ein druckbeaufschlagtes Fluidschaltventil gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Allgemein
bekannt ist die Verwendung von Fluidschaltventilen, insbesondere Ölschaltventilen, die
auf einem magnetischen Schaltprozess basieren. Solche Fluidschaltventile
weisen in der Regel innerhalb eines Gehäuses eine auf einen hohlen
Spulenkörper
gewickelte Spule auf, welche bestromt werden kann. Zur Führung des
bei Bestromung entstehenden magnetischen Felds sind auf der einen
Seite der Spule eine Rückschlussplatte
und auf der anderen Seite der Spule ein Polkern vorgesehen.
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Bei
der Bauart „normal
offen", bei der
bei unbestromter Spule das Fluidschaltventil geöffnet ist, ist der Polkern
ist zumindest teilweise innerhalb der Spule angeordnet und weist
eine parallel zur Längsachse
der Spule ausgerichtete Ausnehmung auf, in die ein Stößel eingeführt ist.
Der Stößel besitzt
an seiner dem Fluid zugewandten Seite einen Kopf, der als Verschlusselement
für einen
Ventilsitz dient. Bei nicht bestromter Spule gibt der Kopf des Stößels den Ventilsitz
als Folge des Fluiddruckes frei, so dass ein Fluidfluss erfolgen
kann. Zusätzlich
kann eine Rückstellfeder
am Stößel vorgesehen
sein, die die Freigabe des Ventilsitzes unterstützt. Das andere Ende des Stößels ist
so angeordnet, dass zumindest bei bestromter Spule eine Wechselwirkung
mit einem teilweise im Inneren der Spule angeordneten Anker erfolgt.
Der aus der Spule herausragende Teil des Ankers ist durch eine zentrierte
Ausnehmung der Rückschlussplatte
hindurchgeführt.
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Beim
Bestromen der Spule wird der Anker durch die entstehende magnetische
Kraft weiter in die Spule hineingezogen und drückt gegen den Stößel. Überwindet
die magnetische Kraft den Gegendruck des Fluids und die Federkraft
der etwaig vorgesehenen Rückstellfeder,
so wird der Stößel weiter aus
dem Inneren der Spule herausgedrückt,
was zur Blockierung des Ventilsitzes durch den Kopf des Stößels führt und
den Fluidfluss stoppt.
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Auch
der umgekehrte Aufbau („normal
geschlossen") ist
möglich.
Hierbei ist die Rückschlußplatte
der Fluid-Zustromseite zugewandt und der Stößel verschließt den Ventilsitz
allein durch Federkraft. Das Öffnen
des Ventilsitzes erfolgt durch Wegziehen des Stößels durch den mit ihm verbundenen
Anker bei Bestromen der Spule.
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Kritisch
bei dieser an sich bekannten Art von Fluidschaltventilen ist die
Tatsache, dass hierbei das Fluid mit Druck beaufschlagt ist, so
dass die dem Fluid zugewandte Seite des Fluidschaltventils dem Fluiddruck
ausgesetzt ist. Dabei ist unbedingt zu verhindern, dass es zu einem
Eintreten des Fluids durch den Polkern bzw. die Rückschlussplatte
in den Spulenraum, also den Raum, in dem die Wicklungen der Spule
angeordnet sind, und von dort unter Umständen in den Kabelsatz kommt,
da dieses einen Ausfall des Fluidschaltventils mit sich brächte.
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Um
ein solches Eintreten in den Spulenraum zu verhindern wird nach
dem Stand der Technik ein hochpräzises,
in der Regel durch Präzisionsdrehen gefertigtes,
insbesondere weichmagnetisches Stahlteil als Polkern bzw. Rückschlussplatte
verwendet, das aufwändig
hergestellt, passgenau eingesetzt und aufwändig abgedichtet ist. Diese
Lösung
ist aber sehr teuer und mit hohem Aufwand verbunden.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik stellt sich das Problem, ein druckbeaufschlagtes
Fluidschaltventil bereitzustellen, das einerseits die hohen Dichtigkeitsanforderungen
hinsichtlich der Verhinderung des Eintritts von Fluid in den Spulenraum erfüllt, aber
einfacher und damit preisgünstiger
herzustellen ist.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein druckbeaufschlagtes Fluidschaltventil mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein Polkern bzw.
eine Rückschlussplatte
aus an sich leicht porösem
und damit fluiddurchlässigem, zweckmäßigerweise
weichmagnetischen Sintermaterial durch Oberflächenbehandlung resistent gegen Eindringen
von Fluid auch bei hohen Fluiddrücken wird.
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Demzufolge
umfasst das erfindungsgemäße druckbeaufschlagte
Fluidschaltventil eine Anordnung aus einer auf einen Spulenträger gewickelten
Spule, einem zumindest teilweise in die Spule eingeführten und
durch eine vorgesehene Rückschlussplatte durchgeführten Anker
und einem Polkern mit einer Ausnehmung, durch welche ein Stößel hindurchgeführt ist,
wobei der Polkern und/oder die Rückschlussplatte
aus einem Sintermaterial besteht und zumindest auf den dem Fluid
zugewandten Flächen und/oder
zumindest auf direkt an einen Spulenraum angrenzenden Flächen des
Polkerns und/oder der Rückschlussplatte
beschichtet ist.
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In
einer hinsichtlich der Dichtigkeit besonders vorteilhaften Ausführungsform
ist der gesamte Polkern aus Sintermaterial und/oder die gesamte Rückschlussplatte
aus Sintermaterial beschichtet.
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Die
Beschichtung kann vorteilhafterweise durch Tränken der Poren des Sintermaterials
mit einem Kleber aufgebracht werden, also aus mit einem Kleber getränktem Sintermaterial
bestehen.
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Alternativ
kann es hinsichtlich des fertigungstechnischen Aufwands vorteilhaft
sein, die Beschichtung durch Heißdampfbeschichten mit überhitztem
Dampf aufzubringen. Bei der Heißdampfbeschichtung
entsteht auf dem Sintermaterial eine ein oder mehrere μm dicke Schicht
aus schwarzem Eisenoxid, die einen Fluiddurchsatz effizient verhindert.
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Es
hat sich gezeigt, dass das Sintermaterial des Polkerns und/oder
der Rückschlussplatte
vorzugsweise zumindest in seinen am besten pressbaren Bereichen
aus einem Sintermaterial mit einer Dichte von mehr als 6,8 g/cm3 besteht, da ein solches Material für das Vorsehen
einer Beschichtung, die das Durchdringen eines druckbeaufschlagten
Fluids effektiv verhindert, besonders gut geeignet ist.
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Weiter
ist es vorteilhaft, in der dem Fluid zugewandten Fläche des
Polkerns und/oder der Rückschlussplatte
zumindest eine Ausnehmung zur Aufnahme eines O-Rings vorzusehen.
Durch die zumindest teilweise Beschichtung des Polkerns ist zwar
ein direkter Leckpfad für
Fluid durch das Sintermaterial des Polkerns und/oder der Rückschlussplatte
ausgeschlossen; es besteht aber noch immer die Gefahr, dass Fluid
entlang einer Grenzfläche
zwischen einem Gehäuse
des Fluidschaltventils und dem Polkern und/oder der Rückschlussplatte
zum Spulenraum kriechen könnte.
Ein solcher Strom wird durch einen in einer entsprechenden Ausnehmung
des Polkernes zwischen Gehäuse
und Polkern angeordneten O-Ring effektiv blockiert.
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Besonders
günstig
ist es dabei, die Ausnehmung am Übergang
zwischen Frontfläche
und Seitenfläche
des Polkerns anzuordnen, da bei dieser Anordnung eine einfache Montage
des O-Rings mit Zentrierung des O-Rings am Außendurchmesser beim Einlegen
ins Gehäuse
erfolgen kann.
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Eine
weitere Verbesserung der Dichtigkeit des druckbeaufschlagten Fluidschaltventils
wird dadurch erzielt, dass innerhalb des Spulenträgers eine fluiddichte
Hülse vorgesehen
ist, die zumindest den Anker und einen in die Spule eingeführten Teil
des Polkerns radial umgibt. Durch diese fluiddichte, z. B. aus Metall
bestehende Hülse
wird sichergestellt, dass etwaig durch hohen Druck in die Ausnehmung des
Polkerns, in der der Stößel aufgenommen
ist, und/oder die Rückschlussplatte
eingepresstes Fluid nicht radial in den Spulenraum eindringen kann.
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Vorteilhafterweise
weist insbesondere sowohl die fluiddichte Hülse als auch der Polkern und/oder
die Rückschlussplatte
eine Stufe auf, wobei diese Stufen so zueinander angeordnet sind,
dass ein Zwischenraum zur Lagerung eines O-Rings zwischen fluiddichter
Hülse und
Polkern entsteht. Ein an dieser Stelle eingebrachter O-Ring verhindert,
dass etwaig eingedrungenes Fluid entlang der Innenseite der fluiddichten
Hülse zu
ihrem in der Ausnehmung des Polkerns gelagerten Rand und von dort
in den Spulenraum eindringen kann.
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Gegenstand
einer bevorzugten Ausführungsform
ist dabei eine Anordnung, in der die fluiddichte Hülse, insbesondere
ihr unterer Rand, in einer Ausnehmung des Polkerns gelagert ist,
was eine Fluiddiffusion in den Spulenraum noch weiter erschwert.
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Die
Ausnehmung des Polkerns, welche die fluiddichte Hülse aufnimmt
und lagert, weist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung auf ihrer Innenseite, an der die fluiddichte Hülse anliegt,
eine zum Boden der Ausnehmung hin nach außen angeschrägte oder
ausgebeulte Wandung auf. Durch diese Ausgestaltung wird die fluiddichte Hülse unter
eine mechanischen Spannung gesetzt, die die unerwünschte Ausbreitung
von Fluid entlang der fluiddichten Hülse noch schwieriger macht.
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In
einer für
das Zusammenspiel zwischen Anker und Polkern besonders geeigneten
Ausgestaltung des Polkerns sind an seinen dem Anker zugewandten
Seiten Kontaktflächen
vorgesehen, die an die Ausformung der dem Polkern zugewandten Seite des
Ankers angepasst sind.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Kontaktflächen schräg zu einer Längsachse
des Fluidschaltventils verlaufen, da durch die entstehende konusförmige Ausnehmung
die Magnetkennlinie gesteuert werden kann.
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Um
die Werkzeugkosten bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Polkerns
gering zu halten, hat es sich als hilfreich herausgestellt, Sinterfasen
im radial gesehen äußeren Bereich
der Kontaktflächen vorzusehen,
da die sonst notwendige Bereitstellung von Werkzeugen mit sehr scharfen
Kanten, die im Formgebungsprozess leicht angenutzt würden, dadurch
vermieden wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Ausnehmung für
die Aufnahme des Stößels in
den Polkern mit einer umlaufenden Stufe versehen, die als Widerlager
für eine
den Stößel im unbestromten Zustand
des Fluidschaltventils rückstellende
Feder dient. Damit wird unabhängig
vom aktuellen Fluiddruck auf den Stößel eine Rückkehr des Stößels in die
Grundposition, in der der Fluiddurchfluss ungehindert ablaufen kann,
sichergestellt.
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Die
Erfindung wird anhand des in den folgenden Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels
ausführlich
erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
eine Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen druckbeaufschlagten Fluidschaltventils „normal
offen"
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2:
eine Ausschnittsvergrößerung des Polkerns
aus 1 gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung
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3:
eine Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen druckbeaufschlagten Fluidschaltventils „normal
geschlossen"
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Soweit
nichts anderes angegeben ist, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche
oder funktionsgleiche Bauteile.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
eines Fluidschaltventils „normal
offen" 100 gemäß der Erfindung
als Schnittzeichnung. Im Material 20 ist eine Vertiefung 21 eingearbeitet,
mit welcher eine mit einem Ventilsitz 18 abgeschlossene
Fluidzufuhr P, und ein Fluidablauf A in Verbindung stehen. Aufgabe
des Fluidschaltventiles ist es, zu regeln, ob unter Druck in der
Fluidzufuhr P herangeführtes
Fluid weiter in den Fluidablauf A gelangt oder nicht.
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In
die Vertiefung 21 ist ein Gehäuse 1 eingesetzt,
wobei zwischen dem Boden der Vertiefung 22 und dem ihm
zugewandten Bereich des Gehäuses 1 ein
Abstand verbleibt. Zum Erzielen einer fluiddichten Verbindung zwischen
den Seitenwänden 23 der
Vertiefung 21 und dem Gehäuse 1 ist in einer
Ausnehmung der Seitenwand der Vertiefung 21 ein O-Ring 16 angeordnet
und mit einem Ring 17 gesichert. Das aus der Fluidzufuhr
P gegebenenfalls ausströmende Fluid
kann somit nur durch den Fluidablauf A abfließen.
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Innerhalb
eines Gehäuses 1 ist
eine auf einen hohlen Spulenkörper 3 gewickelte
Spule 2 angeordnet, welche über einen Mag-Mate Kontakt 5 bestromt
werden kann. Die Stromzufuhr zum Mag-Mate Kontakt 5 erfolgt dabei
mittels zweier Pins 6, die durch ein Steckergehäuse 8,
das das Gehäuse 1 in der
vom Fluid abgewandten Richtung abschließt, geführt ist. Durch das Vorsehen
eines O-Rings 4 in einer Ausnehmung des Steckergehäuses 8 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
sichergestellt, dass die Verbindung zwischen Gehäuse 1 und Steckergehäuse 8 jedenfalls
fluiddicht ist.
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Zur
Führung
des bei Bestromung der Spule 2 entstehenden magnetischen
Felds sind auf der dem Fluid abgewandten Seite der Spule 2 eine
Rückschlussplatte 10 und
auf der dem Fluid zugewandten Seite der Spule 2 ein Polkern 13 vorgesehen.
Der Polkern 13 ist zumindest teilweise innerhalb der Spule 2 angeordnet
und weist eine parallel zur Längsachse
L der Spule 2 ausgerichtete Ausnehmung auf, in die ein
Stößel 15 eingeführt ist.
Der Stößel 15 besitzt an
seiner dem Fluid zugewandten Seite einen Kopf, der als Verschlusselement
für den
Ventilsitz 18 dient. Bei nicht bestromter Spule 2 gibt
der Kopf des Stößels 15 den
Ventilsitz 18 als Folge des Fluiddruckes frei, so dass
ein Fluidfluss erfolgen kann. Zusätzlich ist im Ausführungsbeispiel
der 1 eine nicht zwingend erforderliche Feder 11 am
Stößel 15 vorgesehen,
die die Freigabe des Ventilsitzes und die Rückführung des Stößels 15 nach
dem Ausschalten der Bestromung unterstützt und in der gezeigten Ausführungsform
als Druckfeder ausgelegt ist.
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Das
andere Ende des Stößels 15 ist
in einer konusförmigen
Vertiefung des dem Fluid abgewandten Endes des Polkerns 13 so
angeordnet, dass zumindest bei bestromter Spule 2 eine
Wechselwirkung mit einem teilweise im Inneren der Spule angeordneten
Anker 9 erfolgt. Der aus der Spule herausragende Teil des
Ankers ist durch eine zentrierte Ausnehmung der Rückschlussplatte 10 hindurchgeführt. Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Ruheposition des Ankers 9 bei nicht bestromter
Spule 2 durch die durch die Federkraft der Feder 11 und
den Fluiddruck definierte Position des Stößels 15 in diesem
Zustand einerseits und den Kontakt mit zwei Vorsprüngen am Steckergehäuse 8 über einen
Deckel einer fluiddichten Hülse 7,
deren Funktion weiter unten detailliert dargestellt wird, andererseits
definiert.
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Beim
Bestromen der Spule wird der Anker 9 durch die entstehende
magnetische Kraft weiter in die Spule hineingezogen und drückt gegen
den Stößel 15. Überwindet
die magnetische Kraft den Gegendruck des Fluids und die Federkraft
der Feder 11, so wird der Stößel 15 weiter aus
dem Inneren der Spule 2 herausgedrückt, was zur Blockierung des Ventilsitzes 18 durch
den Kopf des Stößels 15 führt und
den Fluidfluss stoppt.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist die genaue Ausgestaltung des Polkerns 13,
zu deren Erläuterung
auch die 2, die den Polkern 13 im
Detail zeigt, herangezogen wird. Um die Verwendung eines teuren
Präzisionsdrehteils
aus insbesondere weichmagnetischem Stahl zu vermeiden besteht der
Polkern 13 aus einem vorzugsweise weichmagnetischen Sintermaterial.
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Ohne
weitere Vorkehrungen könnte
bei der Verwendung eines solchen naturgemäß leicht porösen Sintermaterial
bei einem druckbeaufschlagten, d. h. unter Druck stehend zugeführten Fluid
aber ein signifikanter Leckstrom zwischen der dem Fluid zugewandten
Fläche
des Polkerns 13 und dem teilweise an den Polkern angrenzenden
Spulenraum auftreten, der zumindest mittelfristig zu einer Beschädigung des
Fluidschaltventils 100 führen würde.
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Um
diesen Leckstrom zu blockieren, wird das verwendete Sintermaterial,
vorzugsweise eines, das an den am besten pressbaren Stellen eine
Dichte von über
6,8 g/cm3 aufweist, durch Aufbringen einer Beschichtung 212 auch
für druckbeaufschlagtes
Fluid unpassierbar gemacht. Im in 2 gezeigten
Beispiel ist die Beschichtung an der gesamten Oberfläche angeordnet,
sie kann aber beispielsweise auch an den gemäß der gezeigten Ausführungsform
der Erfindung unmittelbaren Grenzflächen zwischen Polkern 13 und
Spulenraum erfolgen oder im gesamten Querschnitt des Polkerns 13 vorhanden
sein. Dies ist zum Beispiel durch Vakuumtränken des Polkerns erreichbar.
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Ferner
ist in der 2 eine ringförmige Ausnehmung 202 zu
erkennen, die am Übergang
zwischen Frontfläche 201 und
Seitenfläche 203 des
Polkerns 13 angeordnet ist. Wie in Verbindung mit 1 deutlich
wird, dient diese Ausnehmung der Aufnahme eines weiteren O-Rings 14,
der dazu vorgesehen ist, einen weiteren prinzipiell Leckpfad für druckbeaufschlagtes
Fluid zu blockieren, der anhand der 1 leicht
nachvollziehbar ist. Dieser Leckpfad führt entlang der Grenzfläche zwischen
Gehäuse 1 und
Polkern 13 und wird offenbar effektiv von dem O-Ring 14 blockiert.
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Die
umlaufende Ausnehmung 207 dient zur Aufnahme des mit einer
Einführschräge für den O-Ring
(12) versehenen offenen Endes einer fluiddichten Hülse (7).
Dadurch schränkt
der erforderliche axiale Bauraum der Einführschräge nicht den für die Wicklung
nutzbaren Raum ein.
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Zugleich
kann in dieser Ausnehmung 207 der untere Rand der fluiddichten
Hülse 7 gelagert werden.
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Die
fluiddichte Hülse 7 umgibt
insbesondere den Anker und einen in die Spule eingeführten Teil des
Polkerns radial. Ihre Funktion der fluiddichten Hülse liegt
in einer zusätzlichen
Sicherung gegen ein Eindringen von Fluid in den Spulenraum, falls
solches als Konsequenz der Druckbeaufschlagung durch die Ausnehmung 211 im
Polkern 13 in den Innenraum der Spule eindringen sollte,
da sie ein radiales Eindringen des Fluids in den Spulenraum unmöglich macht.
Allenfalls wäre
denkbar, dass das Fluid entlang der fluiddichten Hülse bis
zur Lagerung der fluiddichten Hülse
in der Vertiefung 207 im Polkern vordringt und von dort
in den Spulenraum diffundiert. Um dies zu erschweren ist die innere
Wandung 208 der Vertiefung zu ihrem Boden hin leicht geneigt, wodurch
eine Spannung der fluiddichten Hülse 7 bewirkt
wird, die das Vordringen des Fluids erschwert.
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Oberhalb
der Vertiefung 207 ist eine Stufe 209 im Polkern 13 vorgesehen,
welche, wie am besten in 1 zu erkennen ist, gemeinsam
mit einer Stufe 19 fluiddichten Hülse 7 einen Hohlraum
zur Aufnahme eines O-Rings 12 bildet, der eine Propagation
von Fluid effektiv unterbindet.
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Anhand
der 2 erkennt man gut, dass die Ausnehmung 211 zur
Aufnahme des Stößels 15 eine umlaufenden
Stufe 210 auf weist, die als Widerlager für die der 1 zu
entnehmende, als Druckfeder ausgeführte Feder 11 dient.
Außerdem
ist in dieser vergrößerten Darstellung
des Polkerns 13 gut zu erkennen, dass die schräg verlaufenden,
an die entsprechende Gegenform des Ankers angepassten Kontaktflächen 205 Sinterfasen 206 aufweisen.
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3 zeigt
eine alternative Ausführung
eines Fluidschaltventils „normal
geschlossen" 100 gemäß der Erfindung
als Schnittzeichnung. Die Funktionsweise entspricht prinzipiell
der des in 1 dargestellten Ventils, jedoch
mit unbestromt verschlossenem Ventilsitz 18. Hier ist auch
die gesinterte Rückschlussplatte 10 dem
Fluiddruck und muss wie der Polkern 13 über O-Ringe 12, 14 gegen
direkte Leckage entlang der Grenzflächen zu Gehäuse 1 und Hülse 7 sowie
durch Beschichtung gegen Diffusionsleckage abgedichtet werden. Durch
die Ausführung der
Rückschlussplatte 10 als
Sinterteil kann auf ein teures Drehteil verzichtet werden und es
bestehen mehr formgeberische Freiheiten als bei einem Stanzteil.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Spule
- 3
- Spulenträger
- 4
- O-Ring
- 5
- Mag-Mate
- 6
- Pin
- 7
- Hülse
- 8
- Steckergehäuse
- 9
- Anker
- 10
- Rückschlussplatte
- 11
- Feder
- 12
- O-Ring
- 13
- Polkern
- 14
- O-Ring
- 15
- Stößel
- 16
- O-Ring
- 17
- Ring
- 18
- Ventilsitz
- 19
- Stufe
- 20
- Material
- 21
- Vertiefung
- 22
- Boden
- 23
- Seitenwand
- 200
- Polkern
- 201
- Frontfläche
- 202
- Ausnehmung
- 203
- Seitenfläche
- 205
- Kontaktfläche
- 206
- Sinterfase
- 207
- Ausnehmung
- 208
- Wandung
- 209
- Stufe
- 210
- Stufe
- 211
- Ausnehmung
- 212
- Beschichtung
- A
- Fluidablauf
- L
- Längsachse
- P
- Fluidzulauf