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Die
Erfindung betrifft eine Ventileinheit, insbesondere zur Steuerung des
Blasdruckes beim Streckblasen von Kunststoffbehältern, mit einem in einem Ventilgehäuse zwischen
einer Offenstellung und einer Schließstellung linear verschiebbar
angeordneten Ventilglied, das einen in einer Antriebskammer angeordneten
Antriebskolben mit einer rückseitigen,
zur Vorgabe der gewünschten
Schaltstellung gesteuert mittels eines Antriebsfluides beaufschlagbaren
Antriebsfläche
aufweist, von dem nach vorne ein Steuerschaft wegragt, der mit einem
außen
einen Durchtrittsdurchmesser aufweisenden Durchtrittsabschnitt unter
Abdichtung und gleitverschieblich eine Wanddurchbrechung der die
Antriebskammer begrenzenden Wand durchsetzt und in eine Ventilkammer
hineinragt, wobei an seiner vorderen Stirnfläche eine ringförmige Dichtfläche angeordnet
ist, die mit einer axial gegenüberliegenden
gehäusefesten
Ventilsitzfläche
zusammenwirken kann, die die Kanalmündung eines ersten Ventilkanals
umrahmt, der ebenso wie ein zweiter Ventilkanal in die Ventilkammer
einmündet.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine mit einer solchen Ventileinheit ausgestattete
Streckblasvorrichtung, die zum Streckblasen von Kunststoffbehältern geeignet
ist.
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Eine
Ventileinheit und eine Streckblasvorrichtung dieser vorgenannten
Art ist sowohl aus der
EP
1 281 901 A2 als auch aus der
EP 1 271 029 A1 bekannt.
Die Ventileinheit dient dort zur Steuerung des Blasdruckes bei der
Glasherstellung von Kunststoffbehältern und enthält ein Ventilglied,
dessen Steuerschaft unter Abdichtung eine Wanddurchbrechung durchsetzt,
um in eine Ventilkammer einzutauchen. In Abhängigkeit von der Stellung des
Ventilgliedes sperrt die Stirnfläche
des Steuerschaftes eine gegenüberliegende
Kanalmündung
eines Speisekanals ab oder gibt diese frei, um das Überströmen eines
eingespeisten Arbeitsfluides in einen ebenfalls in die Ventilkammer
einmündenden
Arbeitskanal zu ermöglichen,
der zu dem zu beaufschlagenden Objekt führt. Das eingespeiste Arbeitsfluid
wirkt auf die die Kanalmündung
des Speisekanals überdeckende Stirnfläche des
Steuerschaftes ein und beaufschlagt dadurch das Ventilglied in Öffnungsrichtung.
Durch gesteuerte Beaufschlagung einer rückseitig am Antriebskolben
angeordneten Antriebsfläche
mittels eines Antriebsfluides, kann eine Schließkraft hervorgerufen werden,
die das Ventilglied in einer den Speisekanal absperrenden Schließstellung
hält. Zum
Umschalten in die Offenstellung wird die Antriebs fläche druckentlastet.
Der Durchtrittsdurchmesser des durch die Wanddurchbrechung hindurchtretenden Durchtrittsabschnittes
des Steuerschaftes ist im Wesentlichen gleich groß wie die
Kanalmündung
des Speisekanals, sodass die vom Antriebsfluid zum Schließen des
Ventilgliedes und zu dessen Festhalten in der Schließstellung
aufzubringende Schließkraft
ebenfalls etwa gleich groß ist.
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Ein
Nachteil der bekannten Anordnung besteht darin, dass sich eine zur
Veränderung
der von der Ventileinheit steuerbaren Strömungsrate durchgeführte Variation
des Durchmessers der Kanalmündung
des Speisekanals unmittelbar auf die an dem Ventilglied anstehenden
Kräfteverhältnisse
auswirkt. Eine Vergrößerung des
Durchmessers der Kanalmündung
bewirkt eine Vergrößerung der
in Öffnungsrichtung
wirkenden Kraft, sodass – will
man eine Konstanthaltung der aufzubringenden Schließkräfte gewährleisten – auch der
Durchtrittsdurchmesser des Steuerschaftes entsprechend vergrößert werden muss.
Dies bedingt einen enormen baulichen, Änderungsaufwand.
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Aus
der
EP 1 574 771 A2 ist
es bereits bekannt, das Ventilglied einer in einer Streckblasvorrichtung
eingesetzten Ventileinheit mit einem durchgehenden Verbindungskanal
auszustatten, sodass der Arbeitsdruck des Arbeitsfluides auch auf
die Rückseite
des Ventilgliedes wirkt und eine Druckkraftkompensation stattfindet.
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Ein ähnlicher
Verbindungskanal durchsetzt das Ventilglied einer in der
EP 1 602 867 A1 beschriebenen,
als Entlüftungsventil
konzipierten Ventileinheit.
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Aus
der
DE 24 32 620 B2 ist
ein als Anfahrventil nutzbares Ventil bekannt, das ein durch eine Feder
in eine Schließstellung
vorgespanntes Ventilglied aufweist. In der Schließstellung
taucht das Ventilglied in eine Luftaustrittsöffnung ein und dichtet diese
radial außen
ab. Zum Öffnen
der Luftaustrittsöffnung
wird ein Antriebskolben an seiner Vorderseite mit Druckluft beaufschlagt.
Die Feder stützt
sich an einem Federteller ab, der rückseitig in das durchgehend
hohle Ventilglied eintaucht.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen vorzuschlagen, die
bei einer Ventileinheit der Eingangs genannten Art und einer damit ausgestatteten
Streckblasvorrichtung den mit einer Veränderung der zu steuernden Strömungsrate
verbundenen konstruktiven Aufwand gering halten.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist bei einer Ventileinheit der Eingangs genannten
Art vorgesehen, dass der zweite Ventilkanal ein das zu steuernde
Arbeitsfluid zuführender
Speisekanal und der erste Ventilkanal ein zu dem mit dem Arbeitsfluid
zu versorgenden Objekt führender
Arbeitskanal ist, dass der Durchtrittsdurchmesser des Durchtrittsabschnittes des
Steuer schaftes größer ist
als der Außendurchmesser
der an der vorderen Stirnfläche
des Steuerschaftes angeordneten ringförmigen Dichtfläche, und dass
das Ventilglied koaxial von einem Hohlraum durchsetzt ist, in den
von der Rückseite
her ein ihn verschließender
gehäusefester
Verschlussschaft hineinragt, der mit einem außen einen Abdichtdurchmesser
aufweisenden Abdichtabschnitt unter Abdichtung und gleitverschieblich
an der den Hohlraum umschließenden
Innenumfangsfläche
des Ventilgliedes anliegt.
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Die
Aufgabe wird ferner durch eine Streckblasvorrichtung gelöst, die
mit einer solchen Ventileinheit ausgestattet ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung
gehört
die von der Ventilsitzfläche
umschlossene Kanalmündung
nicht zum Speisekanal der Ventileinheit, sondern zum Arbeitskanal.
Eingespeist wird das Arbeitsfluid in die Ventilkammer im Bereich
des Außenumfanges
des Steuerschaftes, sodass maßgeblich für die in
der Schließstellung
des Ventilgliedes wirksame Öffnungskraft
die Querschnittsdifferenz zwischen dem Durchtrittsdurchmesser des
Steuerschaftes und dem Außendurchmesser
der ringförmigen Dichtfläche ist.
Die ausgehend von der Offenstellung zum Verlagern des Ventilgliedes
in die Schließstellung
erforderliche Schließkraft
kann über
die Größe des Abdichtdurchmessers
beeinflusst werden, wobei insbesondere die Möglichkeit besteht, die zum Schließen und
zum Festhalten der Schließstellung erforderliche
Schließkraft
auf zumindest im Wesentlichen den gleichen Wert einzurichten, indem
man den Abdichtdurchmesser des Abdichtabschnittes und den Außendurchmesser
der ringförmigen
Dichtfläche im
Wesentlichen gleich groß wählt. Vorteilhaft
ist ferner, dass sich der Querschnitt der Kanalmündung des Arbeitskanals zur
Variation der Durchflussrate in einem gewissen Rahmen verändern lässt, ohne
sich auf die aufzubringende Schließkraft auszuwirken. Es ist
in solchen Fällen
insbesondere nicht erforderlich, umfangreiche konstruktive Ein griffe
zur Anpassung des Durchtrittsdurchmessers des Steuerschaftes vorzunehmen.
Nicht zuletzt bietet der zur Rückseite hin
abgedichtete Hohlraum die Möglichkeit,
das Ventilglied druckausgeglichen zu konzipieren und trotzdem den
rückseitig
des Antriebskolbens liegenden Teilraum der Antriebskammer unbeeinflußt vom Arbeitsfluid
als Steuerkammer zur Auferlegung eines den Schaltzustand des Ventilgliedes
vorgebenden Steuerdruckes zu nutzen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Zum
Erhalt der gewünschten
Durchmesserdifferenz zwischen dem Durchtrittsdurchmesser des Steuerschaftes
und dem Außendurchmesser
der Dichtfläche
ist der Steuerschaft zweckmäßigerweise innerhalb
der Ventilkammer am Außenumfang
in axialer Richtung abgestuft. Es liegt insbesondere eine lediglich
einfache Abstufung vor.
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Der
innerhalb der Ventilkammer liegende vordere Endabschnitt des Steuerschaftes
ist zweckmäßigerweise
zylindrisch ausgebildet, wobei sein Außendurchmesser insbesondere
dem Außendurchmesser
der ringförmigen
Dichtfläche
entspricht.
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Radial
innen ist die ringförmige
Dichtfläche zweckmäßigerweise
von dem Hohlraum begrenzt. Die stirnseitig am Steuerschaft liegende
Hohlraumöffnung
hat zweckmäßigerweise
einen Durchmesser, der gleich oder vorzugsweise größer ist,
als die koaxial gegenüberliegende
Kanalmündung
des Arbeitskanals.
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Durch
zumindest im Wesentlichen gleich große Durchmesser am Außenumfang
der ringförmigen
Dichtfläche
und am Außenumfang
des Abdichtabschnittes wird erreicht, dass die in Öffnungsrichtung
vergleichbar einer Luftfeder auf das Ventilglied einwirkende Fluidkraft
des über
den Speisekanal zugeführten
Antriebsfluides in der Schließstellung
und in der Offenstellung des Ventilgliedes im Wesentlichen gleich
groß ist.
Dies vereinfacht die fluidische Ansteuerung des Antriebskolbens
und ermöglicht eine
Reduktion der erforderlichen Schließkraft auf ein Minimum.
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Zu
Gunsten kompakter Abmessungen der Ventileinheit besteht die Möglichkeit,
die Durchmesserdifferenz zwischen dem abgedichteten Durchtrittsdurchmesser
des Steuerschaftes und dem Außendurchmesser
der ringförmigen
Dichtfläche
soweit zu reduzieren, dass mindestens die an den dynamischen Dichtstellen
und an den sonstigen Gleitflächen auftretende
Gleitreibung überwunden
wird, um das Ventilglied bei druckentlasteter Antriebsfläche des Antriebskolbens
in die Offenstellung zu schieben. Die hieraus resultierende geringe Öffnungskraft
hat zur Folge, dass der zum Schließen und zum Festhalten der
Schließstellung
des Ventilgliedes erforderliche Steuerdruck gering sein kann. Dies
hat ein geringes Füllvolumen
in der von der Antriebsfläche
des Antriebskolbens begrenzten Steuerkammer zur Folge, was eine
schnelle Entlüftung
und somit kurze Umschaltzeiten ermöglicht.
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Der
Hohlraum innerhalb des Ventilgliedes ist in axialer Richtung zweckmäßigerweise
abgestützt, wobei
er einen zu der ringförmigen
Dichtfläche
ausmündenden
vorderen Endabschnitt aufweist, dessen Durchmesser geringer ist
als der den Abdichtabschnitt des Verschlussschaftes aufnehmende
Längenabschnitt
des Hohlraumes. Letzter schließt
sich über
eine Stufe zweckmäßigerweise
direkt an den vorderen Endabschnitt an und mündet als rückseitiger Endabschnitt des
Hohlraumes zur Antriebsfläche des
Antriebskolbens aus.
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An
den Abdichtabschnitt des Verschlussschaftes schließt sich
vorzugsweise ein einen geringeren Außendurchmesser aufweisender
Führungsabschnitt
an, der gleitverschieblich in einen vorderen Endabschnitt des Hohlraumes
eintaucht, wobei zur Optimierung der Führung des Steuerschaftes zusätzlich ein
Führungsring
vorhanden sein kann.
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Sowohl
die Dichtfläche,
als auch die Ventilsitzfläche
könnten
prinzipiell schräg
bzw. konisch gestaltet sein. Als vorteilhaft wird allerdings eine
Ausgestaltung angesehen, bei der diese Flächen jeweils in einer Ebene
verlaufen, die zur Längsachse
des Ventilgliedes und mithin auch zu dessen Bewegungsrichtung rechtwinkelig
verläuft.
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Bei
dem Ventilglied handelt es sich vorzugsweise um einen einstückigen Körper. Da
im Betrieb der Ventileinheit zwischen dem Antriebskolben und dem
Steuerschaft in der Regel nur Druckkräfte auftreten, könnten diese
Bauteile allerdings auch als separate Komponenten ausgeführt sein,
die lediglich aneinander anliegen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Verschlussschaft
koaxial und insbesondere abgedichtet von einer axial verschiebbaren Stange
durchsetzt, die durch die Ventilkammer hindurch in den Arbeitskanal
eintaucht. Wird die Ventileinheit zum Streckblasen von Kunststoffbehältern eingesetzt,
handelt es sich bei dieser Stange um die sogenannte Reckstange,
die das mechanische Recken des Vorformlinges des zu formenden Kunststoffbehälters bewirkt,
gleichzeitig mit der Innendruckbeaufschlagung dieses Vorformlinges
durch den Arbeitskanal hindurch.
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Bei
einer mit einer solchen Ventileinheit ausgestatteten Streckblasvorrichtung
ergibt sich der Vorteil, dass die Ventileinheit direkt in axialer
Verlängerung
der Blasform angeordnet werden kann, sodass deren Einblaskanal sich
direkt koaxial an den Arbeitskanal der Ventileinheit anschließt und folglich
die Ventilkammer sehr nahe bei der Blaskammer sitzt, was den Luftverbrauch
und die zur Erzeugung des hohen Arbeitsdruckes des Arbeitsfluides
erforderliche Energie stark reduziert.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In
dieser zeigen:
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1 eine
etwas vereinfachte Längsschnittdarstellung
einer zum Streckblasen von Kunststoffbehältern eingesetzten Streckblasvorrichtung,
die mit einer vorteilhaften Bauform der erfindungsgemäßen Ventileinheit
ausgestattet ist, und
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2 den
in 1 strichpunktiert umrahmten Ausschnitt II im Bereich
der Ventileinheit in einer vergrößerten Darstellung.
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Die
in ihrer Gesamtheit mit Bezugsziffer 10 bezeichnete Streckblasvorrichtung
enthält
eine Blasform 70, in der eine die äußere Form eines herzustellenden
Kunststoffbehälters
vorgebende Blaskammer 71 ausgebildet ist. In die Blaskammer 71 mündet an einer
Stirnseite ein die Wandung der Blasform 70 durchsetzender
Einblaskanal 72, durch den hindurch ein unter hohem Arbeitsdruck
stehendes Arbeitsfluid, in der Regel Druckluft, in die Blasform 70 eingeblasen
wird, um ei nen in der Blaskammer 71 platzierten, aus einem
verformbaren Kunststoffmaterial bestehenden Vorformling 73 aufzublasen
und an die die Blaskammer 71 begrenzende Wandung anzudrücken.
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Der
geschilderte Formgebungsvorgang kann durch eine Reckstange 74 mechanisch
unterstützt werden.
Die beispielsweise zylindrisch ausgebildete Reckstange 74 lässt sich
durch eine geeignete Antriebseinrichtung 75 durch den Einblaskanal 72 hindurch
axial in die Blaskammer 71 einfahren, wobei sie ins Innere
des entsprechend angeordneten Vorformlinges 73 eintaucht
und diesen streckt, damit er durch das zusätzlich ein gespeiste Arbeitsfluid über die
gesamte Länge
der Blaskammer 71 zuverlässig an deren Wandung angedrückt wird.
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Die
Blasform 70 ist in vorteilhafter Weise an der Vorderseite
einer insgesamt mit Bezugsziffer 1 bezeichneten Ventileinheit
angeordnet, die die Druckbeaufschlagung der Blaskammer 71 steuert. Die
exemplarisch als fluidbetätigter
Linearantrieb ausgebildete Antriebseinrichtung 75 sitzt
insbesondere rückseitig
an der Ventileinheit 1, sodass letztere zwischen der Antriebseinrichtung 75 und
der Blasform 70 angeordnet ist. Eine besonders schlanke Bauweise
ist hierbei vor allem auch deshalb möglich, weil die Reckstange 74 die
Ventileinheit 1 axial beweglich durchsetzt.
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Anstelle
einer fluidkraftbetriebenen Antriebseinrichtung 75 könnte auch
eine andere Art von Antriebseinrichtung eingesetzt werden, beispielsweise ein
elektrischer Antrieb oder eine mechanische Nockensteuerung.
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Ungeachtet
des geschilderten Anwendungsfalles lässt sich die Ventileinheit 1 auch
für andere
fluidische Ansteuerzwecke nutzen.
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Die
Ventileinheit 1 kann mit Arbeitsdrücken unterschiedlicher Höhe betrieben
werden. Sie eignet sich sowohl für
Niederdruckanwendungen als auch für Hochdruckanwendungen. Speziell
in Verbindung mit der Glasherstellung von Kunststoffbehältern besteht
auch die Möglichkeit,
mehrere Ventileinheiten 1 zu einem Ventilblock zusammenzufassen – insbesondere
bestehend aus drei Ventileinheiten –, wobei sie jeweils ihren
eigenen Einlass besitzen und ihre Auslässe zusammengeschaltet sind.
Eine Ventileinheit wird hier mit Niederdruck betrieben, zum Zwecke des
sogenannten Vorblasens, eine weitere Ventileinheit – insbesondere
gemäß der in
der Zeichnung abgebildeten Ventileinheit – wird mit Hochdruck betrieben,
um den für
die Endformgebung eines Kunststoffbehälters erforderlichen Blasdruck
zu liefern. Eine weitere Ventileinheit dient zur Entlüftung der
Blaskammer 71 nach Fertigstellung des Kunststoffbehälters.
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Die
in 2 vergrößert abgebildete
Ventileinheit 1 umfasst ein Ventilgehäuse 4, mit einer zweckmäßigerweise
die Längsachse
definierenden Hauptachse 5. Es kann insbesondere mehrteilig
ausgeführt
sein und setzt sich beim Ausführungsbeispiel aus
drei in Achsrichtung der Hauptachse 5 aneinandergereihten
Gehäuseteilen
zusammen, wobei es sich um ein in der Zeichnung unten liegendes
Vorderteil 6, ein in der Zeichnung oben liegendes Hinterteil 8 und
ein dazwischen sitzendes Zwischenteil 7 handelt. Mittels
nicht dargestellten Zugankern oder sonstigen Befestigungsmitteln
sind die genannten Gehäuseteile 6, 7, 8 lösbar zusammengespannt.
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Ungeachtet
der Benennung der verschiedenen Gehäuseteile lässt sich die Ventileinheit 1 mit
beliebiger Ausrichtung betreiben.
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Seitlich
außen
am Zwischenteil 7 befindet sich eine als Einlass bezeichnete Öffnung 2,
die während
des Betriebes der Ventileinheit 1 mit einer das Arbeitsfluid
liefernden externen Arbeitsdruckquelle 38 verbunden ist.
An der vorderen Stirnseite des Vorderteils 6 ist ein zu
der Hauptachse 5 koaxialer Auslass 3 vorhanden,
an den sich der Einblaskanal 72 anschließt und der
folglich das Arbeitsfluid zu dem zu versorgenden Objekt – hier die
Blaskammer 71 bzw. der Vorformling 73 – führt.
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Im
Innern des Ventilgehäuses 4,
insbesondere in dem Zwischenteil 7, ist eine Ventilkammer 12 ausgebildet.
In die Ventilkammer 12 mündet an der Vorderseite mit
einer als Arbeitskanalmündung 9a bezeichneten
Kanalmündung
ein erster Ventilkanal in Gestalt eines mit dem Auslass 3 verbundenen
Arbeitskanals 9. Seitlich in die Ventilkammer 12 mündet ein
zweiter Ventilkanal in Gestalt eines mit dem Einlass 2 verbundenen
Speisekanals 11.
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Mit
axialem Abstand zu der Ventilkammer 12 ist im Ventilgehäuse 4 eine
Antriebskammer 16 ausgebildet. Sie wird gemeinsam von dem
Hinterteil 8 und dem Zwischenteil 7 begrenzt,
wobei sie zweckmäßigerweise
in dem Hinterteil 8 ausgebildet ist.
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Die
die Antriebskammer 16 umgrenzende Wand des Ventilgehäuses 4 weist
eine zur Hauptachse 5 koaxiale und vorzugsweise zylindrische
Wanddurchbrechung 17 auf, die die Antriebskammer 16 mit
der Ventilkammer 12 verbindet. Die Wanddurchbrechung 17 mündet axial
gegenüberliegend
der Arbeitskanalmündung 9a in
die Ventilkammer 12 ein.
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Im
Innern des Ventilgehäuses 4 befindet
sich ein linear, in der Achsrichtung der Hauptachse 5 bewegliches
Ventilglied 18. Dieses umfasst einen in der Antriebskammer 16 angeordneten
Antriebskolben 22 und einen vorne von dem Antriebskolben 22 in
koaxialer Anordnung axial wegragenden Steuerschaft 23, der
durch die Wanddurchbrechung 17 hindurch in die Ventilkammer 12 hineinragt,
wobei er innerhalb der Ventilkammer 12 endet.
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Der
Steuerschaft 23 verfügt über einen
im Folgenden als Durchtrittsabschnitt 24 bezeichneten Längenabschnitt,
der innerhalb der Wanddurchbrechung 17 zu liegen kommt
und eine Länge
aufweist, die gewährleistet,
dass er unabhängig
von der Stellung des Ventilgliedes 18 ständig von
der Wanddurchbrechung 17 umschlossen ist.
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Der
im Folgenden als Durchtrittsdurchmesser „DD" bezeichnete Außendurchmesser des Durchtrittsabschnittes 24 entspricht
dem Innendurchmesser der Wanddurchbrechung 17. Im Bereich
der Wanddurchbrechung 17 trägt das Ventilgehäuse 4 eine
zur Hauptachse 5 konzentrische ringförmige Dichtung 25,
die am Außenumfang
des Durchtrittsabschnittes 24 anliegt, sodass dieser bezüglich dem Ventilgehäuse 4 abgedichtet
ist und kein Fluidübertritt
zwischen der Ventilkammer 12 und der Antriebskammer 16 möglich ist.
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Der
Antriebskolben 22 unterteilt die Antriebskammer 16 axial
in einen hinteren Teilraum 28 und einen vorderen Teilraum 29.
Der vordere Teilraum 29 befindet sich auf der der Ventilkam mer 12 zugewandten
Seite. In ihn mündet
die Wanddurchbrechung 17 ein.
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Der
in der Zeichnung oben liegende hintere Teilraum 28 wird
im Folgenden auch als Steuerraum bezeichnet und kommuniziert mit
einem das Ventilgehäuse 4 durchsetzenden
Steuerkanal 32. Bevorzugt ist der Steuerkanal 32 in
dem Hinterteil ausgebildet.
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Über den
Steuerkanal 32 kann ein Antriebsfluid in den Steuerraum 28 eingespeist
oder aus diesem abgeführt
werden. Das Antriebsfluid steht unter einem gewissen Steuerdruck,
der durch eine externe Antriebsfluidquelle 33 zur Verfügung gestellt
wird.
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Die
dem Steuerraum 28 zugewandte rückseitige Stirnfläche des
Antriebskolbens 22 sei im Folgenden als Antriebsfläche 35 bezeichnet.
Sie ist dem im Steuerraum 28 herrschenden Steuerdruck ausgesetzt.
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Eine
außen
an das Ventilgehäuse 4 angebaute,
bei Bedarf aber auch zumindest teilweise in das Ventilgehäuse 4 integrierte
Steuerventileinrichtung 34 ermöglicht eine gesteuerte Fluidbeaufschlagung
des Steuerraumes 28 und folglich der Antriebsfläche 35.
Sie ist beispielhaft von einem elektrisch betätigbaren 3/2-Wegeventil gebildet
und ist in der Lage, den Steu erraum 28 entweder mit der
Antriebsfluidquelle 33 oder mit einem zur Atmosphäre führenden
Entlüftungskanal 36 zu
verbinden. Somit kann im Steuerraum 28 entweder der Steuerdruck
oder atmosphärischer
Druck angelegt werden.
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Es
können
zusätzliche
Mittel zur Druckregelung vorgesehen sein, die es ermöglichen,
den Steuerdruck in Abhängigkeit
vom jeweiligen Anwendungsfall zu variieren.
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Das
Ventilglied 18 ist koaxial von einem Hohlraum 50 durchsetzt.
Dieser mündet über eine vordere
Hohlraummündung 51 zur
Ventilkammer 12 und über
eine rückseitige
Hohlraummündung 52 zu dem
Steuerraum 28 aus.
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Die
in der Ventilkammer 12 liegende, dem Antriebskolben 22 axial
abgewandte vordere Stirnfläche
des Steuerschaftes 23 bildet eine ringförmige Dichtfläche 53.
Ihr liegt axial eine zugewandte ringförmige Ventilsitzfläche 54 gegenüber, die
um die Arbeitskanalmündung 9a herum
gehäusefest
angeordnet ist. Beim Ausführungsbeispiel
ist die Ventilsitzfläche 54 Bestandteil
eines bezüglich
dem Ventilgehäuse 4 eigenständigen Ventilsitzkörpers 55,
der im Ventilgehäuse 4 unter
Abdichtung fixiert ist. Er besteht insbesondere aus einem Kunststoffmaterial,
während
das Ventilglied 18 zweckmäßigerweise aus Metall besteht,
sodass ein dichter Kontakt vorliegt, wenn die ringförmige Dichtfläche 53 mit
einer gewissen Kraft an die Ventilsitzfläche 54 angedrückt wird.
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Abweichend
vom Ausführungsbeispiel
könnte
die Ventilsitzfläche 54 auch
unmittelbar an der Wandung des Ventilgehäuses 4 ausgebildet
sein.
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Durch
gesteuerte Fluidbeaufschlagung der Antriebsfläche 35 kann das Ventilglied 18 unter
Ausführung
einer linearen, axialen Umschaltbewegung 37 zwischen einer
aus der Zeichnung ersichtlichen, hier nach unten verlagerten Schließstellung,
und einer weiter nach oben verlagerten Offenstellung umgeschaltet
werden. In der Schließstellung
liegt das Ventilglied 18 mit seiner ringförmigen Dichtfläche 53 dichtend
an der Ventilsitzfläche 54 an,
sodass der Arbeitskanal 9 von dem den Steuerschaft 23 umschließenden Bereich
der Ventilkammer 12 und somit auch von dem in diesen Bereich
einmündenden
Speisekanal 11 abgetrennt ist.
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In
der Offenstellung ist die Dichtfläche 53 von der Ventilsitzfläche 54 abgehoben,
sodass durch die Ventilkammer 12 hindurch eine Fluidverbindung
zwischen dem Speisekanal 11 und dem Arbeitskanal 9 vorliegt.
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Ersichtlich
erfolgt das Verschließen
und Freigeben der Verbindung zwischen Speisekanal 11 und Arbeitskanal 9 nach
dem Prinzip eines Sitzventils. Zweckmäßigerweise ist dabei sowohl
die ringförmige Dichtfläche 53 als
auch die Ventilsitzfläche 54 in
einer Ebene verlaufend ausgebildet, die sich rechtwinkelig zu der
Hauptachse 5 erstreckt.
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Zweckmäßigerweise
ist die ringförmige Dichtfläche 53 radial
innen unmittelbar von der vorderen Hohlraummündung 51 begrenzt.
Deren Durchmesser entspricht somit dem Innendurchmesser „DI" der ringförmigen Dichtfläche 53.
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Der
Steuerschaft 23 ist innerhalb der Ventilkammer 12 an
seinem Außenumfang
in axialer Richtung abgestuft. Die Abstufung 56 ist beispielsweise als
konische Ringfläche
ausgebildet, und verbindet den Durchtrittsabschnitt 24 mit
dem diesbezüglich
einen kleineren Außendurchmesser
aufweisenden vorderen Endabschnitt 57 des Steuerschaftes 23.
Der vordere Endabschnitt 57 ist außen zweckmäßigerweise zylindrisch ausgebildet
und erstreckt sich bis hin zu der ringförmigen Dichtfläche 53,
wobei der Außendurchmesser
des vorderen Endabschnittes 57 zweckmäßigerweise mit dem Außendurchmesser „DA" der ringförmigen Dichtfläche 53 übereinstimmt.
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Bedingt
durch die Differenz der Außendurchmesser
des abgedichteten Durchtrittsabschnittes 24 und der ringförmigen Dichtfläche 53 ergibt
sich in der Schließstellung
des Ventilgliedes 18 eine zwischen diesen beiden Durchmessern
liegende ringförmige Beaufschlagungsfläche „FB", die dem in der
Ventilkammer 12 herrschenden Arbeitsdruck ausgesetzt ist.
Daraus resultiert eine in der Öffnungsrichtung
auf das Ventilglied 18 einwirkende Kraft – im Folgenden als „Öffnungskraft" bezeichnet –, die durch
den im Steuerraum 28 herrschenden Steuerdruck zu überwinden
ist, um das Ventilglied 18 in der Schließstellung
zu halten. Das Halten der Schließstellung ist hierbei mit einem
relativ geringen Steuerdruck möglich,
weil die Antriebsfläche 35 wesentlich
größer ist als
die dem Arbeitsdruck ausgesetzte Wirkfläche des Ventilgliedes 18 in
Form der Beaufschlagungsfläche „FB".
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Obgleich
der Hohlraum 50 zur Steuerkammer 28 hin ausmündet, ist
er zu dieser hin doch verschlossen. Hierzu taucht in den Hohlraum 50 von
der Rückseite
des Ventilgliedes 18 her ein fest am Ventilgehäuse 4 angeordneter
Verschlussschaft 58 hinein, der mit Abstand vor der Ventilsitzfläche 54 endet. Vorzugsweise
ist der Verschlussschaft 58 an dem den Steuerraum 28 rückseitig
abschließenden
Abschlusswandabschnitt 59 des Ventilgehäuses 4 angeordnet,
insbesondere in Gestalt eines einstückig angeformten Fortsatzes.
Der Verschlussschaft 58 durchsetzt somit den Steuerraum 28,
was zur Folge hat, dass dieser ein Ringraum ist.
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Der
Verschlussschaft 58 weist einen unabhängig von der Stellung des Ventilgliedes 18 unter Abdichtung
in den Hohlraum 50 eintauchenden Längenabschnitt auf, der als
Abdichtabschnitt 62 bezeichnet sei. Er liegt mit seinem
Außenumfang
unter Abdichtung und gleitverschieblich an der den Hohlraum umschließenden Innenumfangsfläche 63 des Ventilgliedes 18 an,
wobei der Kontaktbereich abgedichtet ist durch eine ringförmige Dichtung 64,
die den Abdichtabschnitt 62 koaxial umschließt und im Bereich
der Innenumfangsfläche 63 in
einer Ringnut des Ventilgliedes 18 gehalten ist.
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Da
der Hohlraum 50 zur vorderen Stirnfläche des Steuerschaftes 23 hin
offen ist, wird der Hohlraum 50 über die vordere Hohlraummündung 51 mit Fluid
beaufschlagt. Auf Grund der geschilderten Abdichtung zwischen dem
Abschlusswandabschnitt 59 und der Innenfläche 63 des
Hohlraumes 50 ist dieses Fluid jedoch an einem Austritt
aus dem Hohlraum 50 gehindert.
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Der
Hohlraum 50 ist in axialer Richtung zweckmäßigerweise
abgestuft. Beim Ausführungsbeispiel
enthält
er eine einzige Abstufung, durch die er in einen zu der ringförmigen Dichtfläche 53 führenden
vorderen Endabschnitt 50a und einen zum Steuerraum 28 ausmündenden
hinteren Endabschnitt 50b unterteilt ist. Der hintere Endabschnitt 50b nimmt den
Abdichtabschnitt 62 auf und entspricht in seinem Innendurchmesser
dem im Folgenden als Abdichtdurchmesser „DS" bezeichneten Außendurchmesser des Abdichtabschnittes 62.
Der Durchmesser des vorderen Endabschnittes 50a des Hohlraumes 50 ist kleiner
als der Abdichtdurchmesser „DS".
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Um
eine optimale Verschiebeführung
für das Ventilglied 18 zu
erhalten, ragt der Verschlussschaft 58 mit einem sich axial
an den Abdichtabschnitt 62 anschließenden, frei endenden Führungsabschnitt 65 gleitverschieblich
in den vorderen Endabschnitt 50a, des Hohlraumes 50 hinein.
Sein Außendurchmesser
ist folglich kleiner als derjenige des Abdichtabschnittes 62 und
entspricht dem Innendurchmesser des vorderen Endabschnittes 50a.
Ein im Bereich des vorderen Endabschnittes 50a in der Innenumfangsfläche 63 fixierter
Führungsring 76 umschließt den Führungsabschnitt 65 koaxial
und liegt an dessen Außenumfang
mit einem geringen Reibkoeffizienten an.
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Alternativ
kann der Führungsring 76 auch
an dem Führungsabschnitt 65 angeordnet
sein. Eine Fixierung am jeweils anderen Bauteil ist im Übrigen auch
bei den Dichtungen 25, 64 möglich.
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Der
Antriebskolben 22 trägt
zur fluiddichten Abtrennung seiner beiden Teilräume 28, 29 am
Außenumfang
zweckmäßigerweise
auch eine ringförmige
Dichtung 21, die an der die Antriebskammer 16 umschließenden Mantelfläche der
Wandung des Ventilgehäuses 4 gleitverschieblich
anliegt.
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In
der Offenstellung des Ventilgliedes 18 ist auch die ringförmige Dichtfläche 53 dem
Arbeitsdruck ausgesetzt. Allerdings gelangt das Arbeitsfluid zwischen
dem Führungsabschnitt 65 und
der Wandung des Ventilgliedes 18 hindurch auch in den axial innerhalb
der ringförmigen
Dichtung 64 liegenden Bereich des hinteren Endabschnittes 50b und
wirkt somit in der Schließrichtung
auf die von der Abstufung des Hohlraumes 50 definierte
Ringfläche „FR", die außen vom
Abdichtdurchmesser „DS" und innen vom Innendurchmesser „DI" begrenzt ist. Auf
diese Weise lässt
sich in einem anwendungsspezifisch wählbaren Ausmaß eine Kompensation
der in der Offenstellung zusätzlich
auf das Ventilglied 18 einwirkenden, vom Arbeitsfluid herrührenden
Druckkräfte erzielen.
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Besonders
vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang eine gegenseitige Abstimmung
der Durchmesser in einer Weise, dass der Außendurchmesser „DA" der ringförmigen Dichtfläche zumindest
im Wesentlichen gleich groß ist
wie der abgedichtete Abdichtdurchmesser „DS". Dies führt dazu, dass auch die ringförmige Dichtfläche 53 und
die Ringfläche „FR" zumindest im Wesentlichen
gleich groß sind
und sich die darauf einwirkenden Druckkräfte kompensieren.
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Zweckmäßig ist
es bei dieser Auslegung, wenn der Außendurchmesser „DA" der ringförmigen Dichtfläche 53 geringfügig größer ist
als der Abdichtdurchmesser „DS", sodass sich in
der Offenstellung des Ventilgliedes zusätzlich zu der Beaufschlagungsfläche „FB" eine resultierende
Wirkfläche
in der Öffnungsrichtung
einstellt.
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Während die
Schließstellung
durch den Kontakt zwischen Dichtfläche 53 und Ventilsitzfläche 54 definiert
wird, ist die Offenstellung dadurch vorgegeben, dass der Antriebskolben 22 mit
seiner Antriebsfläche 35 auf
eine gehäusefeste
Anschlagfläche 46 aufläuft. Von
Vorteil ist es hierbei, wenn diese Anschlagfläche 46 an einer konzentrisch
um den Verschlussschaft 58 herum angeordneten gummielastischen
Pufferscheibe 47 gebildet ist, die in dem Steuerraum 28 angeordnet
ist.
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Der
Anschlagkolben 22 und der Steuerschaft 23 sind
zweckmäßigerweise
fest miteinander verbunden und insbesondere einstückig miteinander
ausgebildet. Es kann sich aber auch um zwei separate Teile handeln,
die nur lose axial aneinander anliegen.
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Der
Verschlussschaft 58 kann insgesamt durchbrechungslos ausgebildet
sein, sodass er als Wand fungiert, die den gesamten vom Abdichtabschnitt 62 umgrenzten
Querschnitt absperrt. Hierzu kann der Verschlussschaft 58 beispielsweise
aus Vollmaterial bestehen. Allerdings lässt sich die Verschlussfunktion
des Verschlussschaftes 58 auch dann realisieren, wenn wie
beim Ausführungsbeispiel die
eingangs erwähnte
Reck stange 74 koaxial durch ihn hindurchgeführt ist.
Hierzu verfügt
dann der Verschlussschaft 58 über eine koaxial durchgehende Durchgangsöffnung 66,
die an der Vorderseite – innerhalb
des hohlen Ventilgliedes 18 – zur Ventilkammer 12 hin
offen ist und andernends an der Rückseite des Ventilgehäuses 4 ausmündet, an
der beim Ausführungsbeispiel
die Antriebseinrichtung 75 angebaut ist.
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Um
ein Entweichen von Fluid durch den hohlen Verschlussschaft 58 hindurch
zu vermeiden, kann am Ventilgehäuse 4 eine
die Reckstange 74 konzentrisch mit Dichtkontakt umschließende ringförmige Dichtung 67 angeordnet
sein. Diese Dichtung 67 dichtet die Durchgangsöffnung 66 an
ihrem rückseitigen
Endbereich zur Umgebung hin ab.
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Die
axial hin und her bewegliche Reckstange 74 ragt durch den
Verschlussschaft 58, den sich daran anschließenden Abschnitt
der Ventilkammer 62, den sich daran koaxial anschließenden Arbeitskanal 9 und
den sich daran wiederum koaxial anschließenden Einblaskanal 72 hindurch
in die Blaskammer 71 hinein.
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Auch
bei anderen Anwendungen der Ventileinheit 1 kann vergleichbar
der Reckstange 74 eine Stange durch die Ventileinheit 1 hindurchgeführt werden.
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Abschließend sei
noch auf die Möglichkeit verwiesen,
unmittelbar durch den Verschlussschaft 58 hindurch eine
gesteuerte Entlüftung
des Arbeitskanals 9 bei in Schließstellung befindlichem Ventilglied 18 vorzunehmen.
Als Entlüftungskanal
lässt sich
beispielsweise die Durchgangsöffnung 66 nutzen.
Es ist dann lediglich an Stelle einer ständigen Abdichtung der Durchgangsöffnung 66 ein
Absperrventil vorzusehen, das zu Entlüftungszwecken geöffnet wird,
ansonsten aber geschlossen ist, um ein Entweichen von Arbeitsfluid
durch den Verschlussschaft 58 hindurch zu vermeiden.