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Die
Erfindung betrifft ein Ventil gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Bei
derartigen Ventilen wird mittels eines Ventilkörpers, beispielsweise
eines Ventilschiebers oder eines Sitzkörpers, ein Öffnungsquerschnitt
aufgesteuert, so dass dieser in Abhängigkeit von der Druckdifferenz über
dem Öffnungsquerschnitt von Druckmittel durchströmt
wird. Insbesondere bei großen Druckmittelvolumenströmen
und im Hochdruckbereich, d. h. bei hohen Druckdifferenzen über
diesem aufgesteuerten Öffnungsquerschnitt, können auf
den Ventilkörper erhebliche Strömungskräfte
wirken, die diesen in Schließrichtung beaufschlagen, so dass
sich ein kleinerer Öffnungsquerschnitt einstellt, als er
ursprünglich, beispielweise durch Ansteuerung des Ventils,
vorgesehen ist. Um diese in Schließrichtung wirksamen Strömungskräfte
zu kompensieren, kann die Stelleinrichtung zur Verstellung des Ventilkörpers
mit einer entsprechend hohen Stellkraft ausgelegt werden, wobei
jedoch ein erheblicher fertigungstechnischer und steuerungstechnischer
Aufwand erforderlich ist.
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Im
Stand der Technik werden zur Vermeidung diese Nachteils Lösungen
vorgeschlagen, bei denen durch eine geeignete Strömungsführung
im Bereich des Öffnungsquerschnitts die in Schließrichtung
wirksamen Strömungskräfte verringert werden. Diese
Lösungen basieren auf einer Veränderung der Kanalführung
zwischen Ventilgehäuse und Ventilkörper.
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Die
Druckschrift
US 6,045,120 zeigt
eine Sitzventil mit einem beweglichen, speziell geformten Schließkörper
und einem entsprechend geformten gehäuseseitig feststehenden
Gegenstück, die beide gemeinsam einen mit mehreren Umlenkungen
ausgeführten Druckmittelströmungspfad begrenzen, durch
den das Druckmittels bei geöffnetem Ventil derart geführt
bzw. umgelenkt ist, dass das Druckmittel eine in Öffnungsrichtung
wirkende Kraft auf den beweglichen Schließkörper
ausübt. Nachteilig an dieser Lösung sind die komplexe
schwierig herzustellende Geometrie und der erhebliche Druckverlust.
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Ein
konstruktiv schwierige, jedoch auch auf niedrige Druck- und Durchflussstrombereiche
anwendbare Methode zum Umlenken der Strömungskraft an einer
Steuerkante ist im Industrie-Anzeiger Jahrgang 83, Nr. 14,
auf Seite 21 gezeigt. Hier wird der Druckmittelstrom durch
eine in einer Ventilbohrung fixierte Büchse mehrfach umgelenkt,
so dass eine in Öffnungsrichtung wirksame Kraft entsteht.
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Die
Druckschriften
DE 1 952 811 ,
DE 1 775 876 und
US 3,633,871 zeigen ein
Schieberventil, bei dem im Strömungskanal des Steuerkolbens
ein Stauteil in Form eines zur Strömungsrichtung senkrecht stehenden
Ablenkbleches angeordnet ist. Dieses am Ventilgehäuse fixierte
Ablenkblech, das auch in vier einzelne Plättchen unterteilt
sein kann, ist in der Nähe des Ausgangsanschlusses und
in Strömungsrichtung vor einer ringförmigen Kolbenfläche
angeordnet. Durch das Blech wird bei geöffnetem Ventil der
Druckmittelstrom weitgehend von der Kolbenfläche abgehalten
und so eine in Schließrichtung wirkende Kraft vermindert.
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Einen ähnlichen
Ansatz zeigen die Druckschriften
US
3,543,648 und
US 3,630,230 .
Um am Koben entstehenden Schließkräften entgegen
zu wirken, zeigen die Druckschriften ein im zentral zwischen zwei
Eingangsanschlüssen angeordneten Ausgangsanschluss angeordnetes
Prall- bzw. Leitblech, das am Ventilgehäuse fixiert ist.
Das Blech verhindert bzw. unterbricht weitgehend den zunächst am
Ausgangsanschluss vorbei gerichteten Druckmittelstrom und verringert
somit die daraus entstehende in Schließrichtung wirkende
Kraft am Kolben. Durch die Umlenkung am Blech entsteht darüber
hinaus ein Druckmittelstrom in Richtung zum Eingangsanschluss, der
dort eine zusätzlich in Öffnungsrichtung wirkende
Kraft am Kolben erzeugt.
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Nachteilig
an den bekannten Ansätzen zur Veränderung der
Kräfteverhältnisse am Ventilkolben ist, dass eine
Veränderung der Kanalströmung durch Veränderung
der Gehäusegeometrie nötig ist und beim letztgenannten
Ansatz die Druckmittelströmung weitgehend unterbrochen
werden muss, um die Veränderung der Kräfteverhältnisse
zu erreichen. Dadurch ergibt sich ein hoher Aufwand, um die gehäuseseitigen Änderungen
zu realisieren.
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit geringem vorrichtungstechnischem
Aufwand die in Schließrichtung wirksamen Strömungskräfte
zu verringern.
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Dies
Aufgabe wird gelöst durch ein Ventil nach Patentanspruch
1.
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Der
erfindungsgemäß angeströmte bzw. umströmte
Staukörper ist an einem verstellbaren bzw. einstellbaren
Ventilkörper des Ventils angebracht, wodurch bei Beaufschlagung
mit strömendem Druckmittel insbesondere mit einem sich
stromabwärts des durchströmten Querschnitts ausbildenden
Freistrahl eine in Öffnungsrichtung des Ventilkörpers
wirkende Kraft bzw. Kraftkomponente erzeugt wird. Dies geschieht
durch Umwandlung der kinetischen Energie des Freistrahls am Staukörper.
Auf diese Weise kann durch teilweise Kompensation von in Schließrichtung wirkenden
Kräften die Öffnungskraft des Ventils verringert
werden. Dadurch können Stellvorrichtungen kleiner und weniger
aufwändig ausgelegt werden und es kann sich eine Energieeinsparung
im Betrieb des erfindungsgemäßen Ventils ergeben.
Dieser Vorteil vergrößert sich, wenn das erfindungsgemäße
Ventil im Hochdruckbereich eingesetzt wird, da dort prinzipiell
höhere Verstellkräfte nötig sind.
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Vorzugsweise
wird das erfindungsgemäße Ventil bzw. der erfindungsgemäße
um- oder angeströmte Staukörper derart ausgelegt,
dass sich eine gegen Null strebende Verstell- oder Haltekraft am Ventilkörper
ergibt. Des weiteren kann sich bei Überkompensation von
in Schließrichtung wirkenden Kräften auch eine
in Öffnungsrichtung wirkende Gesamtkraft ergeben. Eine
derartige Auslegung des Staukörpers kann zur Beschleunigung
seines Öffnungsvorgangs dienen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel bilden Ventilkörper und Staukörper
zusammen ein Teil, wodurch eine Montage des Staukörpers
am Ventilkörper entfällt.
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Alternativ
kann der Staukörper auch an dem Ventilkörper angesetzt
werden und beispielsweise ein ringförmiges Basisteil aufweisen,
das in einer ringförmigen Nut des Ventilkörpers
eingesetzt ist, und einen oder mehrere Strömungskörper
aufweisen. Als Verbindung zwischen dem Basisteil und dem oder den
Strömungskörpern dienen eine oder vorzugsweise
mehrere Verbindungen (z. B. Stege oder Radialstreben). Bei dieser
Variante können nach dem Stand der Technik gefertigte Ventilkörper
einfach nachträglich mit dem erfindungsgemäßen
Staukörper versehen werden. Ein derartig getrennt gebildeter
Staukörper ist einfach zu montieren.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist das Ventil ein Schieberventil mit einem Ventilsschieber, der
einen im Durchmesser verringerten Hals aufweist, der seitlich durch
zwei Bunde begrenzt ist. Der erfindungsgemäße
Staukörper wird vorzugweise an dem Hals oder an dem ablaufkammerseitigen
Bund des Ventilschiebers befestigt. Bei diesen beiden Varianten
ist der Staukörper erfindungsgemäß im
Strömungsbereich des Druckmittels hinter dem Öffnungsquerschnitt
des Ventils angeordnet, wobei Staukörper im Halsbereich
kleinere Durchmesser als Staukörper im Bundbereich aufweisen.
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Je
nach Auslegung des erfindungsgemäßen Ventils kann
es vorteilhaft sein, Ausnehmungen zwischen den Radialstegen oder
Löcher im Staukörper bzw. im Strömungskörper
vorzusehen, die als Druckmittelpassagen dienen. So kann der Staudruck
des Staukörpers und somit die an den Ventilkörper übertragene
Kraft verringert bzw. eingestellt werden. Wenn der erfindungsgemäße
Staukörper mehrere Strömungskörper aufweist,
dann ermöglichen die Ausnehmungen zwischen den Stegen bzw.
die Abstände zwischen den Strömungskörpern
eine weitgehend allseitige An- oder Umströmung der einzelnen Strömungskörper.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Ventils erstreckt sich ein Strömungskörper kreis-
bzw. ringförmig um den Ventilkörper. In diesem
Fall bieten sich insbesondere ein Thorus oder eine Ringscheibe oder
ein Kegelstumpf als Strömungskörper an. Der einteilige
Strömungskörper kann auch aus einem Teil einer
Kugel oder eines Ellipsoides bestehen. Vorzugsweise besteht er aus
einem Zylindermantel oder Zylinderring.
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Wenn
der Strömungskörper in mehrere oder einer Vielzahl
von einzelnen Strömungskörpern gegliedert ist,
wird jeder Körper mit mindestens einem Radialsteg oder
direkt am Basisteil befestigt. Jeder einzelne Strömungskörper
kann aus einem Teil eines Thorus oder einem Teil einer Ringsscheibe
oder aus einem Abschnitt einer Kugel oder eines Kegelstumpfes oder
aus einem Abschnitt eines Zylindermantels bzw. Zylinderrings bestehen.
Vorzugsweise kann der ein einzelner Körper auch eine Kugel
oder ein Ellipsoid sein. Dadurch ergibt sich eine Vielzahl von Gestaltungsmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen Körpers mit denen
der Vielzahl von möglichen Ventiltypen, Ventilvarianten,
Strömungsgeschwindigkeiten, Druckmittelviskositäten
bzw. zu kompensierenden Schließkräften entsprochen
werden kann.
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Wenn
der Strömungskörper z. B. ein Zylindermantel oder
Zylinderring ist und eine Stirnfläche gegen die bzw. senkrecht
zur Strömungsrichtung aufweiset, dann ist diese vorteilhafter
Weise schräg angestellt. So kann ein ungewünschtes
Aufprallen des Druckmittels auf die Stirnfläche vermindert
werden und die Schräge kann als Stromteiler und als Leitfläche
wirken. Gleiches gilt, wenn der Strömungskörper in
mehrere flächenartige Gebilde mit Stirnflächen
unterteilt ist.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist der bzw. sind die Strömungskörper
tragflügelartig profiliert. So können die bekannten
Auftriebskräfte am Strömungskörper erzeugt
und die in Verstellrichtung des Ventilkörpers wirkenden
Kraftkomponenten vorteilhaft gewählt werden.
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Die
verschieden o. g. Strömungskörper können
auch beliebig gemischt und gleichmäßig oder ungleichmäßig
am Umfang verteilt werden. Weiterhin kann der Radialabstand der
verschiedenen Strömungskörper variiert werden.
Wenn z. B. zwei verschieden Abstände und/oder zwei Körpertypen
vorgesehen werden, kann ein Teil der Strömungskörper für
einen ersten oft genutzten Betriebszustand und ein anderer Teil
der Strömungskörper für einen anderen
oft genutzten Betriebszustand des erfindungsgemäßen
Ventils optimal gewählt und eingestellt werden. Dies ist
insbesondere dann vorteilhaft, wenn bei dem erfindungsgemäßen
Ventiltyp das Druckmittel bzw. der Freistrahl räumlich
konzentriert auftritt. Darüber hinaus ist auch ein Vielzahl
von verschiedenen Abständen und/oder Körpertypen
möglich, wodurch eine Kraftbeaufschlagung des Ventilkörpers über
einen Einstellbereich des erfindungsgemäßen Ventils erzeugbar
ist.
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Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Ventils ist ein im Wesentlichen ringförmiger weiterer Strömungsleitkörper
am Ventilgehäuse befestigt oder in einer ventilgehäuseseitigen
Ringausnehmung eingesetzt. Dieser zusätzliche Strömungsleitkörper
begrenzt zusammen mit den Stau- bzw. Strömungskörper,
einen Durchströmquerschnitt, wobei die beiden Körper
vorzugsweise in der Ablaufkammer angebracht sind.
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Vorzugsweise
hat der zusätzlichen Strömungsleitkörper
eine abgerundete Leitfläche, die das Druckmittel bzw. den
Freistrahl in optimaler Weise in Richtung Stau- bzw. Strömungskörper
lenkt. Als vorteilhaft hat sich eine Überlappung der beiden
Körper gezeigt.
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Aus
Gründen der einfachen Montierbarkeit in der Ausnehmung
des Ventilgehäuses bietet sich eine geteilter zusätzlicher
Strömungsleitkörper an.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Ventils sind Staukörper und/oder zusätzlicher
Strömungsleitkörper austauschbar gestaltet. Dadurch
können die Kräfteverhältnisse am Ventilkörper
und somit das Schaltverhalten des Ventils an unterschiedliche Bedingungen
angepasst werden.
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Im
folgenden werden anhand der Figuren verschiede Ausführungsbeispiele
der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ventils mit einem Staukörper im seitlichen Schnitt;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ventils mit einem Staukörper und einem zusätzlichen
Strömungsleitkörper im seitlichen Schnitt;
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ventils mit einem Staukörper im seitlichen Schnitt;
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3a den
Staukörper gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
in der Draufsicht;
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4a bis
f sechs beispielhafte Varianten von Staukörpern jeweils
in der Draufsicht und
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5 ein
Diagramm, in dem die zur Betätigung eines herkömmlichen
und eines erfindungsgemäßen Ventils erforderliche
Verstellkraft in Abhängigkeit vom Hub dargestellt ist.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ventils mit einem Staukörper. Das Ventil ist ein 2/2-Wegeventil
und besteht im Wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 1 mit
einer Ventilbohrung 2. In dieser ist ein Ventilschieber 4 angeordnet,
der in 1 vertikal verschiebbar ist. Des Weiteren weist
das Ventilgehäuse 1 einen Zulaufkanal 6 und
einen Ablaufkanal 8 für Druckmittel auf. Im Einmündungsbereich
des Zulaufkanals 6 in die Ventilbohrung 2 ist
eine Zulaufkammer 10 ausgebildet, die einerseits gegenüber
dem Zulaufkanal 6 und andererseits gegenüber der
Ventilbohrung 2 erweitert ist. Dem entsprechend ist im
Einmündungsbereich der Ventilbohrung 2 in den
Ablaufkanal 8 eine ebenfalls erweiterte Ablaufkammer 12 vorgesehen.
Zwischen der Zulaufkammer 10 und der Ablaufkammer 12 verbleibt
ein Gehäusesteg 14.
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Zwischen
der Zulaufkammer 10 und der Ablaufkammer 12 weist
der Ventilschieber 4 einen durch fließende bzw.
kontinuierliche Durchmesserverringerung gebildeten Hals 20 auf,
wobei diesen begrenzende Umfangskanten eine Zulaufsteuerkante 16 und eine
Ablaufsteuerkante 18 ausbilden.
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In
dem Raum, der sich einerseits zwischen der Zulaufkammer 10 und
der Ablaufkammer 12 und andererseits zwischen dem Gehäusesteg 14 und dem
Hals 20 des Ventilschiebers 4 ergibt, ist der
erfindungsgemäße Staukörper 22 angeordnet.
Der Staukörper 22 hat ein Basisteil 24,
von dem aus sich vier Radialstege 26 nach außen
erstrecken, von denen in der vergrößerten Darstellung
X der 1 nur einer dargestellt ist. An den Radialstegen 26 ist
ein Strömungskörper 28 befestigt. Das
Basisteil 24 hat eine Buchsenform und von seiner äußeren
Mantelfläche sind vier gleichmäßig am
Umfang verteilte Stege 26 angeordnet. Der an den äußeren
Enden der Stege 26 befestigte Strömungskörper 28 weist
die Form eines Thorus auf, dessen Längsachse mit derjenigen des
buchsenförmigen Basisteils 24 zusammenfällt.
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Am
Hals 20 des Ventilschiebers 4 ist eine Nut 30 angeordnet,
in die das Basisteils 24 eingesetzt ist. Somit ist der
Staukörper 22 in der Nut 30 eingefügt und
formschlüssig am Hals 20 befestigt. Der Strömungskörper 28 hat
einen größeren Durchmesser, als die benachbarten
Bereiche des Halses 20, und einen kleineren Durchmesser,
als der Ventilschieber 4.
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1 zeigt
einen Betriebszustand des Ventils, bei dem Ventilschieber 4 aus
einer nicht dargestellten Schließstellung nach oben (Ansicht
nach 1) verschoben wurde und somit ein Durchflussquerschnitt
aufgesteuert ist. Das Druckmittel strömt über
den Zulaufkanal 6 durch einen Ringspalt 31, der sich
zwischen der Zulaufsteuerkante 16 des Ventilschiebers 4 und
dem Steg 14 des Ventilgehäuses 1 ergibt.
In den Teil des Druckmittel-Strömungsweges, der sich zwischen
dem Hals 20 und dem Gehäusesteg 14 nach
unten zur Ablaufkammer 12 erstreckt – also etwas
stromabwärts des Öffnungsquerschnitts – sind
die Stege 26 und insbesondere der thorusförmige
Strömungskörper 28 angeordnet.
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Durch
die Anströmung bzw. Umströmung des Strömungskörpers 28,
die sich bei dem gezeigten geöffneten Ventil und einem
Druckmittelstrom vom Zulaufkanal 6 zum Ablaufkanal 8 ergibt, überträgt
das strömende Druckmittel durch Aufprall oder Umlenken
Kräfte auf den Strömungskörper 28.
Der Strömungskörper 28 ist so ausgebildet,
dass diese Kräfte Komponenten enthalten, die entlang der Längsachse
des Strömungskörpers 28 in 1 nach oben
gerichtet sind und somit erfindungsgemäß in Öffnungsrichtung
des Ventilschiebers 4 wirken, wobei die resultierende Kraftkomponente über
die Stege 26, das Basisteil 24 und eine Flanke
der Nut 30 auf den Ventilschieber 4 übertragen
wird.
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Bei
diesem ersten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäß erzeugte
Kraftkomponente gegen die Haupt-Strömungsrichtung des Druckmittels, die
von der Zulaufkammer 10 zur Ablaufkammer 12 verläuft,
gerichtet.
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Diese
resultierende Kraftkomponente kann in Schließrichtung wirkende
Kräfte, die zum Beispiel an der Ablaufsteuerkante 18 entstehen
können, vermindern oder kompensieren oder überkompensieren.
Auf diese Weise kann die Verstell- oder Haltekraft, die an einem
derartigen Ventil ohne Staukörper 22 bzw. Strömungskörper 28 aufzubringen
wäre, verringert werden.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ventils mit einem Staukörper 122 und einem zusätzlichen
Strömungsleitkörper 136. Vergleichbar
mit dem Ventil das ersten Ausführungsbeispiels besteht
das gezeigte 2/2-Wegeventil im Wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 101 mit
einer Ventilbohrung 202 und einem in der Ventilbohrung 202 angeordneten
rotationssymmetrischen Ventilschieber 104. Im Ventilgehäuse 101 sind
ein Zulaufkanal 106 und ein Ablaufkanal 108 angeordnet,
und in ihren Schnittbereichen mit der Ventilbohrung 202 sind
entsprechend eine Zulaufkammer 110 und eine Ablaufkammer 112 ausgebildet.
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Der
Ventilschieber 104 weist in einem Bereich zwischen der
Zulaufkammer 110 und der Ablaufkammer 112 einen
im Durchmesser verringerten Hals 220 auf, der im Gegensatz
zum Hals 20 des ersten Ausführungsbeispiels einen
konstanten Durchmesser und somit Kreiszylinderform aufweist. Am
ablaufkammerseitigen Ende des Halses 220 ist am Ventilschieber 104 durch
eine Fase eine Ablaufsteuerkante 118 ausgebildet. Des weiteren
ist am Ventilschieber 104 im Bereich der Ablaufkammer 112 eine ringförmige
Nut 130 vorgesehen, wobei diese Nut 130 anders
als im ersten Ausführungsbeispiel (1) am ablaufkammerseitigen
Bund 132 des Ventilschiebers 104 angeordnet ist.
In die Nut 130 ist, vergleichbar mit dem ersten Ausführungsbeispiel,
ein Basisteil 124 eines Staukörpers 122 eingesetzt,
wobei sich vom Basisteil 124 aus sich mehrere Radialstreben 126 nach
außen erstrecken. Die Radialstreben 126 tragen
gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein hohlzylinderförmigen bzw. buchsenartig
ausgebildeten Strömungskörper 128, dessen
Symmetrieachse mit denjenigen des Basisteils 124 und des
Ventilschiebers 104 zusammenfällt. Der Strömungskörper 128 erstreckt
sich in beide Richtungen der gemeinsamen Symmetrie- bzw. Längsachse über
die Radialstreben 126 hinaus, so dass er beidseitig überstehend
ist. Die zulaufseitige Stirnfläche 133 des Strömungskörpers 128 ist
schräg angestellt und bildet so einen kegelstumpfförmige nach
außen weisende umlaufende Fase.
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Weiterhin
ist in der Ablaufkammer 112 eine gehäuseseitige
Ringausnehmung 134 ausgebildet, in die ein gehäusefester
Strömungsleitkörper 136 eingesetzt ist.
Diese im Wesentlichen ringförmige Strömungsleitkörper 136 weist
an seiner Innenseite eine Leitfläche 138 auf,
die in Strömungsrichtung zunächst einen zunehmenden
Innendurchmesser und im weiteren Verlauf einen abnehmenden Innendurchmesser
aufweist. Hinter einer ringförmigen Ablösestelle 140 vergrößert
sich der Innendurchmesser des ringförmigen Strömungsleitkörpers 136 in
Strömungsrichtung betrachtet wieder. Dabei sind alle beschriebenen
Durchmesseränderungen fließend bzw. kontinuierlich.
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Das
Ventil gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 2 in einer geöffneten
Position dargestellt, bei der der Ventilschieber 104 in
einer aus der geschlossenen Position nach oben verschobenen Lage
gezeigt ist. Dabei strömt das Druckmittel über
den Zulaufkanal 106 durch die Zulaufkammer 110 zunächst
durch einen weiteren Zulaufkanal 106a, der zwischen dem
Gehäusesteg 114 und dem Hals 220 des
Ventilschiebers 104 gebildet ist. Weiterhin strömt
das Druckmittel durch einen aufgesteuerten Ringspalt 131,
der von der Ablaufsteuerkante 118 und dem Gehäusesteg 114 begrenzt
ist.
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Ein
am Ringspalt 131 entstehender und nach außen gerichteter
Freistrahl wird durch die oben beschriebene Leitfläche 138 des
Strömungsleitkörpers 136 im Wesentlichen
zur gemeinsamen Längsachse des Strömungsleitkörpers 136 und
des Staukörpers 122 in vorteilhafter Weise umgelenkt
bzw. zentriert und gebündelt. Und so auf den Staukörper 122 bzw. den
Strömungskörper 128 gerichtet. Dabei überträgt das
strömende Druckmittel durch Aufprall oder Umlenken Kräfte
auf den Strömungskörper 128. Auf diese
Weise wird die kinetische Energie des Freistrahls teilweise an den
Strömungskörper 128 übertragen, wobei
diese Kraftübertragung durch Staudruck und/oder viskose
Kräfte erreicht wird. So wird der Staukörper 122 am
Umfang verteilt mit Kräften beaufschlagt, die durch vorteilhafte
Neigung der schräg angestellten Stirnfläche 133 in
ihrer Richtung im Hinblick auf optimale oder maximale Kraftentfaltung
optimiert werden können. In den auf den Staukörper 122 wirkenden
Kräften sind Kraftkomponenten entlang seiner Längsachse
enthalten, die über den Formschluss zwischen dem Basisteil 124 und
der Nut 130 auf den Ventilschieber 104 in Öffnungsrichtung (in 2 nach
oben) wirken.
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Bei
diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäß erzeugte
resultierende Kraftkomponente in die Haupt-Strömungsrichtung
des Druckmittels, die von der Zulaufkammer 110 zur Ablaufkammer 112 verläuft,
gerichtet.
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Ventils mit einem Staukörper 222. Bei dem dargestellten
Ventil handelt es sich um ein Sitzventil, bei dem zwischen einem
Zulaufkanal 206 und einem Ablaufkanal 208 ein
Ventilsitz 240 angeordnet ist, der von einem halbkugelförmigen
Endabschnitt 210 eines Ventilstößels 204 verschließbar ist.
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Abweichend
von dem in 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel
kann der Ventilstößel 204 statt des gezeigten
halbkugelförmigen Endabschnitts 210 einen kegelförmigen
oder kegelstumpfförmigen Endabschnitt aufweisen.
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Der
Ventilstößel 204 hat vergleichbar mit dem
ersten Ausführungsbeispiel (1) eine
umlaufende Ringnut 230, in der ein Staukörper 222 mit
torusförmigem Strömungskörper 228 eingesetzt
ist.
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In 3a ist
der Staukörper 222 gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht dargestellt. Der
gezeigte Staukörper 222 kann auch in den ersten
beiden Ausführungsbeispielen (gemäß den 1 und 2)
alternativ zu den gezeigten Staukörpern 22, 122 zum
Einsatz kommen. Gemäß 3a hat
der Staukörper 222 vier Radialstege 226, die
gleichmäßig am Außenumfang des Basisteils 224 angeordnet
sind. Zwischen den Radialstegen 226 ergeben sich vier kreissegmentförmige
Ausnehmungen 242.
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Wenn
der Ventilstößel 204, wie in 3 gezeigt,
in eine obere Öffnungsposition verstellt wird, wird ein
Durchlass 231 für Druckmittel zwischen dem Ventilsitz 240 und
dem Ventilstößel 204 freigegeben und
ein Druckmittelstrom bzw. Freistrahl trifft den Staukörper 222,
wobei ein Teil des Druckmittels die Ausnehmungen 242 durchströmen
kann. Dabei überträgt das strömende Druckmittel
durch Aufprall oder Umlenken Kräfte auf den torusförmigen
Strömungskörper 228. Dabei wird die kinetische
Energie des Freistrahls teilweise an den Strömungskörper 228 übertragen,
wobei diese Kraftübertragung durch Staudruck und/oder viskose
Kräfte erreicht wird. So wird der Staukörper 222 am
Umfang verteilt mit Kräften beaufschlagt, die durch seine
vorteilhafte Positionierung und Dimensionierung im Hinblick auf
optimale oder maximale Kraftentfaltung in Öffnungsrichtung optimiert
werden können. In den auf den Staukörper 122 wirkenden
Kräften sind Kraftkomponenten entlang seiner Längsachse
enthalten, die über den Formschluss zwischen dem Basisteil 224 und
der Nut 230 auf den Ventilstößel 204 in Öffnungsrichtung
(in 3 nach oben) wirken.
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Bei
diesem dritten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäß erzeugte
Kraftkomponente in 3 nach oben gerichtet.
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Die 4a und 4b zeigen
weitere Beispiele für erfindungsgemäße
Staukörper, wie sie beispielsweise bei den vorbeschriebenen
Ventilen einsetzbar sind.
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4a zeigt
einen Staukörper 322, der ähnlich dem
Staukörper 222 des dritten Ausführungsbeispiels
gestaltet ist, wobei als wesentlicher Unterschied acht Streben bzw.
Radialstege 326 und entsprechend acht kreissegmentförmige
Ausnehmungen 342 vorgesehen sind.
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4b zeigt
ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines Staukörpers 422,
dessen wesentliches Merkmal darin besteht, dass acht einzelne Strömungskörper 428 vorgesehen
sind. Jeder Strömungskörper 428 ist im
Wesentlichen kugelförmig ausgebildet und mit gleichem Radialabstand
gleichmäßig am Umfang des Staukörpers 422 und
damit am Umfang des entsprechenden Ventilkörpers angeordnet.
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Die 4c bis 4f zeigen
weitere Beispiele für Ventilkörper mit erfindungsgemäß daran ungleichmäßig
am Umfang angebrachten Stegen und Strömungskörpern.
Eine derartig asymmetrische Anordnung kann insbesondere bei Strömungen
optimal sein, die am Umfang des Ventilkörpers ungleichförmig
verteilt auftreten, wobei die in den 4c bis 4f gezeigten
Stege und Strömungskörper alternativ auch an ringförmigen
Basisteilen angebracht sein können und so auf den Ventilkörper
aufgesetzt werden können.
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4c zeigt
einen Ventilkörper 504 bei dem nur zwei kugelförmig
ausgebildete Strömungskörper 528 vorgesehen
sind.
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4d zeigt
eine weitere Variante einer asymmetrischen Anordnung, bei dem drei
im Wesentlichen kugelförmige Strömungskörper über
unterschiedlich lange Stege 626 an einem Ventilkörper 604 befestigt
sind.
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Durch
die unterschiedlich langen Stege 626 kann gewährleistet
werden, dass Freistrahlbereiche mit unterschiedlichen Richtungen,
die bei unterschiedlichen Betriebszuständen des betroffenen Ventils
auftreten können, jeweils von einem oder mehreren Strömungskörpern
in optimaler Weise erfasst werden.
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4e zeigt
eine Anordnung aus Ventilkörper 704 und ungleich
an seinem Umfang verteilten Strömungskörpern 728,
wobei der wesentliche Aufbau mit dem aus 4c vergleichbar
ist. Die beiden Stege 726 sind schmaler als die Stege 626,
und insbesondere die beiden Strömungskörper 728 sind statt
von Kugeln von Zylindermantel- bzw. Zylinderringabschnitten gebildet.
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4f zeigt
eine weitere Variante eines asymmetrischen Aufbaus, bei dem geometrisch
verschiedene Strömungskörper 828 und
Radialstege 826 an einem erfindungsgemäßen
Ventilkörper 804 kombiniert sind, wobei der eine
Strömungskörper 828 und der zugehörige
Steg 826 denen des Beispiels aus 4c entspricht,
und der andere Strömungskörper mit dem zugehörigen
Steg denen des Beispiels aus 4e entspricht.
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Die
gemischte Anordnung gemäß 4f kann
durch die verschiedenartigen Strömungskörper flexibler
an verschiedene stufenlose Betriebszustände des betroffenen
Ventils angepasst werden und somit über einen größeren
Bereich von Betriebszuständen größere
Kräfte erzeugen, als dies bei den meisten Strömungskörpern
mit einheitlichen Geometrien und Radialabständen möglich
ist.
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Die 4a bis 4f zeigen
nur einzelne Beispiele aus der Vielzahl von möglichen Stau-
bzw. Strömungskörpern, die zu der vorliegenden
Erfindung gehören, aber nicht alle abbildbar sind.
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5 zeigt
ein Diagramm, in dem die zur Betätigung eines herkömmlichen
Ventils und zur Betätigung eines erfindungsgemäßen
Ventils erforderlichen Verstellkräfte in Abhängigkeit
vom Öffnungshub dargestellt sind. Im oberen Bereich des
Diagramms sind in Öffnungsrichtung aufzubringende Kräfte
angeordnet, und im unteren Bereich des Diagramms entsprechend in
Schließrichtung aufzubringende Kräfte.
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Bei
einem herkömmlichen Ventil (strichpunktierte Linie) ist
im Bereich eines geringen Hubs eine hohe maximale Kraft, die in Öffnungsrichtung
aufgebracht werden muss, erkennbar. Beim erfindungsgemäßen
Ventil (durchgezogene Linie) hingegen muss kurz nach dem Öffnen
des Ventils zunächst eine kleine Kraft in Schließrichtung
aufgebracht werden, beim weiteren Aufsteuern entstehen drei Richtungswechsel
und schließlich verbleibt nur eine minimale Kraft in Öffnungsrichtung.
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Die
Verstellkräfte an einem Ventil mit einem erfindungsgemäßen
Staukörper sind um ein Vielfaches kleiner, als die an einem
herkömmlichen Ventil. Die hohen Kräfte am herkömmlichen
Ventil sind durch die Erfindung nahezu kompensiert, wodurch sich
eine erhebliche steuerungstechnische und fertigungstechnische Aufwandsreduktion
ergibt.
-
Abweichend
von den in den 1 und 2 dargestellten
2/2-Wegeventilen und dem in 3 dargestellten
Sitzventil können die erfindungsgemäßen
Staukörper auch in allen anderen Ventiltypen zum Einsatz
kommen, bei denen in Schließrichtung wirksame Strömungskräfte
verringert werden.
-
Des
weiteren kann die Leitfläche des gehäusefesten
Strömungsleitkörpers nach 2 auch anders
geformt sein, um eine andersartige Anströmung des Staukörpers
zu erreichen.
-
Der
Strömungsleitkörper, der in 2 am Gehäuse
befestigt ist, kann alternativ auch am Kolben befestigt werden.
-
Abweichend
von dem in 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel
kann der Ventilstößel und der Staukörper
auch einstückig ausgebildet sein. Dies kann insbesondere
dann von Vorteil sein, wenn keine Veränderungen der Kräfteverhältnisse
am Ventilstößel während des Betriebs
des Ventils vorzunehmen sind, die durch Austausch des Staukörpers
erreicht werden müssten.
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Offenbart
ist ein Ventil beliebigen Typs mit einem Ventilkörper zum
Einstellen eines von Druckmittel durchströmten Öffnungsquerschnitts
und mit einem vom Druckmittel an- oder umströmten Staukörper,
dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper am Ventilkörper
angebracht ist. Durch die An- oder Umströmung des Staukörpers
wird eine Kraft insbesondere in Öffnungsrichtung des Ventilkörpers
erzeugt.
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- 1;
101
- Ventilgehäuse
- 2;
202
- Ventilbohrung
- 4;
104
- Ventilschieber
- 6;
106, 106a; 206
- Zulaufkanal
- 8;
108; 208
- Ablaufkanal
- 10;
110
- Zulaufkammer
- 12;
112
- Ablaufkammer
- 14;
114
- Gehäusesteg
- 16;
116
- Zulaufsteuerkante
- 18;
118
- Ablaufsteuerkante
- 20;
120
- Hals
- 22;
122; 222; 322; 422; 522; 622; 722; 822
- Staukörper
- 24;
124; 224
- Basisteil
- 26;
126; 226; 326; 426; 526; 626; 726; 826
- Radialsteg
- 28;
128; 228; 428; 528; 628; 728; 828
- Strömungskörper
- 30;
130; 230
- Nut
- 31;
131
- Ringspalt
- 132
- ablaufkammerseitiger Bund
- 133
- schräg
angestellte Stirnfläche
- 134
- Ringausnehmung
- 136
- gehäusefester
Strömungsleitkörper
- 138
- Leitfläche
- 140
- Ablösestelle
- 204
- Ventilstößel
- 210
- Endabschnitt
- 231
- Durchlass
- 240
- Ventilsitz
- 242;
342; 442
- Ausnehmung
- 504;
604; 704
- Ventilkörper
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6045120 [0004]
- - DE 1952811 [0006]
- - DE 1775876 [0006]
- - US 3633871 [0006]
- - US 3543648 [0007]
- - US 3630230 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Industrie-Anzeiger
Jahrgang 83, Nr. 14, auf Seite 21 [0005]