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Die
Erfindung betrifft ein Ventil mit einer ersten Ventilkammer und
mit einer zweiten Ventilkammer, zwischen welchen eine Fluidpassage
vorhanden ist, die mittels eines im Wesentlichen zylinderförmigen und
im Wesentlichen in axialer Richtung verstellbaren Ventilkörpers verschließbar ist,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
derartiges Ventil ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 036 059 B3 bekannt.
Dort wird eine vorteilhafte Anwendung des Ventils in einem Dreiwegeventil
zur Ansteuerung eines pneumatisch betätigbaren Zweikammerstellantriebs
beschrieben, der eine erste Ventilkammer, eine zweite Ventilkammer und
eine dritte Ventilkammer aufweist, wobei zwischen der ersten Ventilkammer
und der zweiten Ventilkammer eine Fluidpassage vorhanden ist, welche mittels
eines ersten verstellbaren Ventilkörpers verschließbar ist,
und zwischen der zweiten Ventilkammer und der dritten Ventilkammer
eine zweite Fluidpassage vorhanden ist, welche mittels eines zweiten verstellbaren
Ventilkörpers
verschließbar
ist. Der erste Ventilkörper
und der zweite Ventilkörper
sind an einem um wenigstens eine Drehachse drehbar gelagerten Betätigungselement
angeordnet, so dass die Verstellbewegungen der Ventilkörper gegenläufig erfolgen.
Ein derartiges Ventil eignet sich hervorragend als Hauptventil (Booster)
für die
Arbeitskammer eines elektropneumatischen Stellungsreglers an einem Regelventil.
Es kann beispielsweise zur direkten Ansteuerung eines pneumatisch
betätigbaren
Zweikammerstellantriebs verwendet werden, wie er beispielsweise
aus der
EP 0 918 939
B1 bekannt ist.
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Bei
dem bekannten Dreiwegeventil ist zwischen den Ventilkörpern und
dem Betätigungselement
jeweils eine Membran angeordnet. Das hat den Vorteil, dass sich
das Betätigungselement
außerhalb der
Ventilkammern befindet und daher nicht mit dem durch das Ventil
geleiteten Medium in Kontakt kommt. Dadurch wird beispielsweise
vermieden, dass das Betätigungselement
aufgrund aggressiver Eigenschaften des Mediums korrodiert. Zudem
ist die Wirkfläche
der Membran auf den Wirkquerschnitt des jeweiligen Ventilkörpers abgestimmt.
Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Kraft, die auf die Ventilkörper aufgrund
des in den Ventilkammern herrschenden Drucks ausgeübt wird,
kompensiert, denn die auf die betreffende Membran wirkende Kraft
wirkt in eine Richtung, die der auf den betreffenden Ventilkörper wirkenden
Kraft entgegengesetzt ist. Die Funktion der Ventilkörper bzw.
des Ventils wird daher durch den in den Ventilkammern herrschenden
Druck nicht beeinflusst, das heißt, die Ventile arbeiten unabhängig vom
jeweiligen Druck in den Ventilkammern und behalten auch bei Druckänderungen
ihre von außen über das
Betätigungselement
vorgegebene Stellung bei.
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Bezüglich weiterer
Varianten und Ausgestaltungen von Dreiwegeventilen, in welchen das
Ventil vorteilhaft anwendbar ist, wird auf die
DE 10 2005 036 059 B3 verwiesen.
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Problematisch
bei dem bekannten Ventil, bei welchem der Ventilkörper auf
den beiden Seiten der Fluidpassage jeweils durch eine im Wesentlichen senkrecht
zur Verstellrichtung des Ventilkörpers
verlaufende Membran geführt
ist, kann die dabei erforderliche hohe Fertigungsgenauigkeit sein.
Besonders unter Druck verhalten sich nämlich Membranen in seitlicher
Richtung sehr starr und die Führung
des Ventilkörpers
mit Hilfe zweier Membranen stellt im geschlossenen Zustand des Ventils
ein statisch überbestimmtes
System dar. Bereits bei geringen Fertigungstoleranzen benötigt das
sichere Schließen
des Ventils eine hohe Kraft, um die geometrischen Toleranzen durch
Verformungen des Ventilkörpers
beim Schließvorgang
auszugleichen.
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Aus
der
US-PS 2,840,336 ist
ein Ventil mit einer Fluidpassage zwischen zwei Ventilkammern bekannt,
die mittels eines zylinderförmigen
und in axialer Richtung verstellbaren Ventilkörpers verschließbar ist.
Zum Toleranzausgleich bezüglich
einer Neigung der Längsachse
des Ventilkörpers
gegenüber der
Mittelachse der Fluidpassage ist ein an seiner Außenseite
kugelkalottenförmiger
Dichtkörper
vorgesehen, der koaxial zu einem Schaft des Ventilkörpers gelagert
ist.
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In
der
DE 1 298 799 A ist
ebenfalls ein Ventil mit einer Fluidpassage zwischen zwei Ventilkammern
beschrieben, die mit einem zylinderförmigen und in axialer Richtung
verstellbaren Ventilkörper verschließbar ist.
Zum Toleranzausgleich bezüglich einer
Neigung einer Achse des Ventilkörpers
gegenüber
der Mittelachse der Fluidpassage ist ein an seiner Außenseite
kugelkalottenförmiger
Dichtkörper vorgesehen,
der koaxial zu einem Schaft des Ventilkörpers gelagert ist. Zudem weist
der Dichtkörper eine
zylinderförmige,
koaxial zur Kugelkalotte angeordnete Ausnehmung auf, deren Durchmesser
zum Toleranzausgleich bezüglich
eines radialen Versatzes des Ventilkörpers gegenüber der Fluidpassage größer als
der Außendurchmesser
des Lagers für den
Dichtkörper
auf dem Schaft ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zu schaffen, das
sich durch gute Schließeigenschaften
auszeichnet und dennoch mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbar
ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe weist das neue Ventil der eingangs genannten Art
die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
auf. In den abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass durch die kugelkalottenförmige Außenseite
des auf dem Schaft des Ventilkörpers
gelagerten Dichtkörpers
ein dicht schließendes
Ventils selbst dann gewährleistet
ist, wenn die Achse des Ventilkörpers
gegenüber
der Mittelachse der Fluidpassage leicht geneigt ist.
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Als
Mittelachse der Fluidpassage wird dabei eine gedachte Mittelsenkrechte
auf der Kreisfläche der
Durchlassöffnung
des Ventilsitzes bezeichnet. Eine derartige Neigung kann beispielsweise
dadurch entstehen, dass der Lagerpunkt des Ventilkörpers auf
einer Seite der Fluidpassage gegenüber dem Lagerpunkt auf der
anderen Seite seitlich versetzt ist. Da nun größere Neigungstoleranzen verwendet
werden können,
reduziert sich der mit der Herstellung des Ventils verbundene Aufwand.
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Damit
beim Verschieben des Dichtkörpers gegenüber dem
Schaft keine Undichtigkeiten entstehen, wird der Zwischenraum zwischen
dem Dichtkörper
und dem Lager durch eine Dichtung abgedichtet, welche auf der der
Fluidpassage abgewandten Seite des Dichtkörpers angeordnet ist. Diese
Art der Dichtungsanordnung hat den Vorteil, dass sie mit einem besonders
geringen Raumbedarf auskommt.
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Alternativ
dazu könnte
die Dichtung selbstverständlich
auf der gegenüberliegenden
Seite des Dichtkörpers
angeordnet werden. Dafür
wäre jedoch ein
größerer Bauraum
erforderlich. Es hätte
allerdings den Vorteil, dass die axiale Lage des Dichtkörpers unabhängig von
der elastischen Eigenschaft der Dichtung definiert wäre.
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Als
weitere Alternative könnte
der O-Ring ersetzt werden durch ein elastisches Rohr, welches sowohl
mit dem Dichtkörper
als auch mit dem Schaft des Ventilkörpers dicht verbunden ist.
Auch für
diese Art der Abdichtung würde
jedoch in nachteiliger Weise ein größerer Bauraum erforderlich
sein.
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Zudem
besteht der Dichtkörper
im Dichtbereich aus einem dünnwandigen,
elastischen Material, welches in der Lage ist, seine äußere Form
aufgrund seiner Elastizität
an die Innenform der Fluidpassage anzupassen. Dies führt zu einer
weiteren Verbesserung des Schließens des Ventils, denn Formtoleranzen
des Ventilsitzes werden durch die elastischen Eigenschaften des
Dichtkörpers
bereits mit geringen Kräften
ausgeglichen. Die axiale Lage des Ventilkörpers bleibt beim Schließen auf grund
der Formanpassungen weitgehend unverändert, da sich der Dichtkörper durch
innere Kräfte
in seiner Form stabilisiert.
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Zusätzlich kann
eine Erhöhung
der Toleranz bezüglich
eines radialen Versatzes des Ventilkörpers gegenüber der Fluidpassage in vorteilhafter
Weise erreicht werden, wenn der Dichtkörper eine koaxial zur Kugelkalotte
angeordnete Ausnehmung aufweist, deren Durchmesser größer als
der Außendurchmesser
des Lagers des Dichtkörpers
auf dem Schaft ist. Damit kann die bei der Fertigung des Ventils
erforderliche Präzision
und damit der mit der Herstellung des Ventils verbundene Aufwand
weiter reduziert werden.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Dichtkörper mit
seiner der Fluidpassage abgewandten Kreisfläche auf einem kreisförmig umlaufenden
Kragen des Ventilkörpers
um einen gewissen Bereich radial verschiebbar gelagert. Dadurch werden
ein Toleranzausgleich des radialen Versatzes des Fluidkörpers gegenüber der
Fluidpassage und eine gleichmäßige Krafteinleitung
auf die Dichtfläche des
Ventilkörpers
erreicht.
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Das
Ventil arbeitet in vorteilhafter Weise praktisch unabhängig vom
jeweils in den beiden Ventilkammern herrschenden Druck, wenn der
Ventilkörper
auf den beiden Seiten der Fluidpassage jeweils durch eine im Wesentlichen
senkrecht zu seiner Verstellrichtung verlaufende Membran geführt ist,
wobei die Wirkflächen
der beiden Membranen zum Kräfteausgleich
auf den Wirkquerschnitt des Ventilkörpers abgestimmt sind.
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Die
Eigenschaften des Ventils sind insbesondere dann von Vorteil, wenn
es als Servoventil in einem elektropneumatischen Stellungsregler
verwendet wird, der zur Einstellung der Position eines Regelventils
dient.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und
Vorteile näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Schnittbild eines Ventils mit radial versetztem Ventilkörper und
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2 ein
Schnittbild eines Ventils mit geneigtem Ventilkörper.
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Gleiche
Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die
Figuren sind nicht maßstabsgetreu
gezeichnet.
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Durch
ein Ventil ist gemäß 1 eine
Fluidpassage 3 in einer Trennwand 22 verschließbar, die zwischen
einer ersten Ventilkammer 1 und einer zweiten Ventilkammer 2 angeordnet
ist. Zum Schließen
der Fluidpassage 3 dient ein im Wesentlichen zylinderförmiger und
im Wesentlichen in axialer Richtung verstellbarer Ventilkörper 4.
Eine Symmetrieachse 15 des Ventilkörpers 4 ist in 1 mit
durchbrochenen Linien dargestellt. Eine dazu parallel verlaufende,
durchbrochene Linie markiert die Mittelachse 16 der Fluidpassage 3,
welche geometrisch als die Mittelsenkrechte auf der Kreisebene der
Fluidpassage 3 gebildet werden kann. Der Ventilkörper 4 ist
rotationssymmetrisch aufgebaut und in 1 ist deutlich
sichtbar, dass die Achse 15 des Ventilkörpers 4 gegenüber der
Mittelachse 16 der Fluidpassage 3 radial versetzt
ist. Dieser radiale Versatz, der aufgrund von Fertigungstoleranzen
ent stehen kann, wird durch einen Dichtkörper 5 ausgeglichen,
der eine im Wesentlichen zylinderförmige, koaxial zu seiner im
Wesentlichen kugelkalottenförmigen
Außenseite
angeordnete Ausnehmung 7 aufweist, deren Durchmesser größer als
der Außendurchmesser
eines Lagers für
den Dichtkörper 5 auf
einem Schaft 6 ist. Der Dichtkörper 5 ist mit seiner
der Fluidpassage 3 abgewandten, größeren Kreisfläche 9 auf
einem kreisförmig
umlaufenden Kragen 8 des Ventilkörpers 4 zum Toleranzausgleich
des radialen Versatzes radial verschiebbar gelagert. Zur Abdichtung
des Spaltes zwischen dem Dichtkörper 5 und
seiner Lagerung auf dem Schaft 6 ist eine O-Ring-Dichtung 10 unterlegt, die
vorzugsweise aus NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk) besteht. In einer praktischen
Realisierung des Ventils ist der Dichtkörper 5 aus elastischem POM(Polyoxymethylen)-Kunststoff
gefertigt und besitzt eine Wanddicke von etwa 0,4 mm sowie einen Durchmesser
der größeren Kreisfläche 9 von
etwa 9 mm. Das radiale Spiel der Ausnehmung 7 beträgt etwa
0,2 mm. Die übrigen
Teile des Ventilkörpers 4, das
heißt
alle seine Teile mit Ausnahme des Dichtkörpers 5, sind aus
glasfaserverstärktem
PPS(Polyphenylensulfid)-Kunststoff hergestellt.
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Der
Ventilkörper 4 ist
auf den beiden Seiten der Fluidpassage 3 jeweils durch
eine im Wesentlichen senkrecht zu seiner Verstellrichtung verlaufende
Membran 11 bzw. 12 geführt, wobei die Wirkflächen der
beiden Membranen 11 und 12 zum Kräfteausgleich
auf den Wirkquerschnitt des Ventilkörpers 4 abgestimmt
sind. Die Membranen 11 und 12 dienen gleichzeitig
zur Trennung von in 1 nicht dargestellten Betätigungseinrichtungen,
welche eine Verstellkraft auf eine Oberseite 17 und/oder
eine Unterseite 18 des Ventilkörpers 4 ausüben können, von einem
in der ersten Ventilkammer 1 oder der zweiten Ventilkammer 2 befindlichen
Medium. Zur Montage des Ventilkörpers 4 werden
nacheinander eine Hülse 19,
der Dichtkörper 5,
die Dichtung 10, eine Lagerhülse 20 und eine Kappe 21 auf
den Schaft 6 unter Zwischenlage der Membran 12,
der Trennwand 22 und der Membran 11 aufgesetzt
und die Kappe 21 mit dem Schaft 6 durch Ultraschallschweißen dauerhaft verbunden.
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Gegenüber einer
Verbindung der Kappe 11 mit dem Schaft 6 durch
Verschrauben hat das Ultraschallschweißen den Vorteil, dass bei der
Montage kein Drehmoment auf die beiden Membranen 11 und 12 ausgeübt wird.
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Zur
Verdeutlichung des Toleranzausgleichs bezüglich einer Neigung ist in 2 ein
Ventilkörper 4 dargestellt,
der gegenüber
der Trennwand 22 zur Seite geneigt ist. Der Ventilkörper 4 mit
seiner Achse 15 weist hier gegenüber der Mittelachse 16 der
Fluidpassage 3 eine deutliche Schrägstellung auf. Aufgrund der
Verwendung des Dichtkörpers 5 mit
im Wesentlichen kugelkalottenförmiger
Außenseite
wird selbst bei derart starker Schrägstellung, die mehr als 5° betragen
kann, ein gutes Schließen
des Ventils erreicht.