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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere Fluidventil,
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum
Betätigen
desselben.
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Stand der Technik
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Ventile,
insbesondere Schieberventile, sind im Stand der Technik bekannt.
Ein Ventilgehäuse
definiert eine Ventilkammer, in der ein Absperrkörper wie z. B. ein Schieber
bewegbar gelagert ist. Die Kammer ist mit Anschlusskanälen versehen,
wobei das Ventil durch Bewegung des Absperrkörpers in unterschiedliche Schaltstellungen
bringbar ist. Zur Bewegung des Körpers
sind unterschiedliche Mechanismen bekannt, wie z. B. eine manuelle
Betätigung,
Druckluft, Hydraulik, Piezoaktoren, elektromagnetisch usw.
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Die
allgemeine Entwicklung bei Ventilen ist auf eine Verkleinerung bzw.
Minimierung des Bauvolumens bei Aufrechterhaltung der möglichen
Durchflussmenge gerichtet. In der Folge steigen die Reibwerte im
Ventil und damit die notwendige Betätigungskraft an. Bei klassischen
Rundschiebern ist die durch das Druckmedium (Druckluft, Hydraulik)
erzeugte Betätigungskraft
proportional zum Quadrat des Durchmessers des Betätigungskolbens
und die zu überwindende
Reibkraft proportional zum Durchmesser der Dichtlinie. Somit sinkt
bei einer Minimierung des Bauvolumens und einer damit erforderlichen
Minimierung des Durchmessers des Betätigungskolbens die mögliche Betätigungskraft
schneller als die Reibkraft.
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Es
sind unterschiedliche Möglichkeiten
bekannt, den Absperrkörper
gegenüber
dem Gehäuse abzudichten,
um Leckage zu vermindern bzw. zu vermeiden. Größtenteils werden Ventile mit
Elastomerdichtungen ausgestattet, die jedoch reibungsbehaftet sind
und in der Folge die Betätigungskraft
erhöhen und
einem Verschleiß unterliegen,
sodass sich die Dichtigkeit im Laufe der Zeit verschlechtert. Die
relativ hohe Betätigungskraft
führt zu
einer geringen Dynamik. Weiterhin hängt die chemische und thermische
Beständigkeit
der Elastomerdichtungen vom Material ab. Daneben sind Feststoffdichtungen (Spaltdichtungen)
bekannt, die jedoch prinzipiell eine geringere Dichtigkeit als Elastomerdichtungen
bereitstellen. Die Ventile und Bauteile sind bei der Feststoffdichtung
aufwendig auf Maß herzustellen,
um genaue Passungen zu erreichen. Dabei ist zu beachten, dass die
Dichtigkeit des Ventils umso höher
ist, je genauer die Passungen der Bauteile hergestellt sind, wobei
in der Folge jedoch auch der Endmaßeffekt vergrößert wird,
was zu einer Erhöhung
der Betätigungskraft
und sogar zu Beschädigungen
des Ventils führen
kann. Weiterhin ist die Herstellung der Passungen umso teurer, je
genauer die notwendigen Passungen sein müssen, um eine bestimmte geforderte
Dichtigkeit zu erreichen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik stellt sich somit dem Fachmann die
Aufgabe, ein Ventil sowie ein Verfahren zu dessen Betätigung anzugeben,
das die Nachteile des Standes der Technik verringert und trotz einer
geringen notwendigen Betätigungskraft
eine hohe Dichtigkeit bietet.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Ventil sowie ein Verfahren zu dessen Betätigung mit
den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie
der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein
erfindungsgemäßes Ventil,
insbesondere ein Schieberventil, weist wenigstens ein erstes vermittels
einer ersten Betätigung,
wie z. B. Druckluft oder Hydraulik, relativ zu wenigstens einem
zweiten bewegbares Ventilbauteil auf und ist durch Bewegung des
Ventilbauteils in wenigstens zwei Schaltstellungen bringbar. Wenigstens
eines der wenigstens zwei Ventilbauteile ist zumindest teilweise
aus ei nem piezoelektrischem Material ausgebildet und durch Anlegen
einer ersten und einer zweiten Spannung in eine erste und zweite
Bauteilform bringbar. Zumindest in einer ersten Schaltstellung des
Ventils ergeben die erste Bauteilform und die zweite Bauteilform
unterschiedlich dichte Verbindungen zwischen dem wenigstens einen
ersten und dem wenigstens einen zweiten Ventilbauteil. Eine Bauteilform
ist insbesondere durch ihre Abmessungen gekennzeichnet.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung beinhaltet insbesondere die Lehre, dass die Form bzw.
deren Abmessungen wenigstens eines der Ventilbauteile durch Anlegen
einer elektrischen Spannung an dieses Ventilbauteil veränderbar
ist. Die Form bzw. deren Abmessungen des Ventilbauteils ist dabei
unabhängig
von der Schaltstellung des Ventils und dient dazu, in wenigstens
einer Schaltstellung des Ventils die Dichtigkeit zwischen den Ventilbauteilen
zu beeinflussen. Durch Anlegen einer ersten und zweiten Spannung
können in
der Folge unterschiedliche Dichtigkeitsstufen erzeugt werden. Es
sei explizit darauf hingewiesen, dass die erste oder zweite Spannung
auch Null sein kann. In der Folge ist ein Ventil bereitstellbar,
dessen Dichtigkeit unabhängig
von der Schaltstellung erhöht oder
verringert werden kann; sodass die notwendige Betätigungskraft
nicht mehr mit der erreichbaren Dichtigkeit des Ventils zusammenhängt. Die
Dichtigkeit und somit die notwendige Betätigungskraft kann vor der Betätigung reduziert
und nach der Betätigung wieder
erhöht
werden. Somit ist ein Ventil bereitstellbar, das einen niedrigen
Verschleiß bei
hoher mechanischer Beständigkeit,
eine niedrige Betätigungskraft bzw.
Stellenergie für
das zu betätigende
Ventilbauteil, eine hohe Dynamik, eine hohe chemische und thermische
Beständigkeit
bereitstellt. Es kann auf Elastomerdichtungen verzichtet werden,
was den Verschleiß vermindert
und die Dynamik so wie die thermische und chemische Beständigkeit
erhöht. Trotz
der Ausgestaltung im Wesentlichen als Feststoffdichtung weist das
Ventil eine größere Dichtigkeit als
herkömmliche
Feststoffdichtungsventile bei einer ggf. geringeren notwendigen
Betätigungskraft
auf.
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Zweckmäßigerweise
ergibt zumindest in der ersten Schaltstellung des Ventils die erste
Bauteilform eine dichtere Verbindung zwischen dem wenigstens einen
ersten und dem wenigstens einen zweiten Ventilbauteil als die zweite
Bauteilform.
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In
einer Ausgestaltung ist das Ventil als Schieberventil mit einem
innerhalb eines Ventilkörpers
beweglichen Schieber ausgebildet, der zumindest teilweise aus piezoelektrischem
Material besteht. Somit kann durch Anlegen und Abschalten bzw. Variieren
einer an dem Schieber angelegten Spannung die Form (bzw. deren Abmessungen)
des Schiebers verändert
werden. Insbesondere kann z. B. der Durchmesser des Schiebers vergrößert und verkleinert
werden, um eine dichte Verbindung zwischen dem Schieber und dem
angrenzenden Ventilbauteil bereitzustellen. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung
des Schiebers würde
eine Dimension (z. B. der Durchmesser) vergrößert, eine andere (z. B. die
Länge)
verkleinert. Das Volumen bleibt üblicherweise
konstant.
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Zweckmäßigerweise
ist das Ventil als Schieberventil mit einem innerhalb eines Ventilkörpers beweglichen
Schieber ausgebildet, wobei der Ventilkörper zumindest teilweise aus
piezoelektrischem Material besteht. Bei dieser Ausgestaltung kann
die Spannungsversorgung für
das piezoelektrische Bauteil auf einfache Weise bereitgestellt werden,
da es sich nicht um ein zu bewegendes Bauteil handelt. Durch Verändern der
an den Ventilkörper
angelegten Spannung kann dessen Form so verändert werden, dass eine dichte
Verbindung zu dem Absperrkörper
bereitstellbar ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist das Ventil als Schieberventil mit
einer innerhalb eines Ventilkörpers
angeordneten Hülse
und einem innerhalb der Hülse
bewegbaren Schieber ausgebildet, wobei die Hülse zumindest teilweise aus
piezoelektrischem Material besteht. Diese Ausführungsform weist ebenfalls
den Vorteil auf, dass keine zu bewegenden Ventilbauteile mit einer
Spannungsversorgung versehen werden müssen. Zusätzlich ermöglicht das Vorsehen einer Hülse innerhalb
des Ventilgehäuses,
dass die Form des Ventils unabhängig
von der zu berücksichtigenden
Formveränderung
des piezoelektrischen Materials vorgegeben werden kann.
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Es
bietet sich in diesem Zusammenhang an, zwischen der Hülse und
dem Ventilkörper
Dichtungselemente, insbesondere Elastomerdichtringe, vorzusehen.
In der Folge kann eine Formveränderung
der Hülse
auch in Richtung des Gehäuses
ausgeglichen werden, ohne die Dichtigkeit negativ zu beeinflussen oder
zu Spannungen zwischen Hülse
und Gehäuse zu
führen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Schieber zylinderförmig ausgebildet
und die Hülse
bzw. das Gehäuse
weisen eine zylinderförmige
Ausnehmung zur Aufnahme des Schiebers auf. Die Zylinderform des
Schiebers bzw. der Ausnehmung ist besonders einfach bereitzustellen und
zum Herbeiführen
einer dichten Verbindung zwischen den Ventilbauteilen geeignet.
Es bietet sich an, wenn gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung das Gehäuse eine zylinderförmige Ausnehmung
aufweist, in der eine zumindest teilweise aus piezoelektrischem
Material bestehende, hohlzylinderförmige Hülse angeordnet ist, in deren Öffnung bzw.
Ausnehmung wiederum ein zylinderförmiger Schieber gelagert ist,
wobei das Ventil durch eine Bewegung des Schiebers entlang der Zylinderachse
in unterschiedliche Schaltstellungen bringbar ist.
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Zweckmäßigerweise
ist die erste Spannung größer als
die zweite Spannung, so dass die Dichtigkeit des Ventils in der
Folge durch Absenken der angelegten Spannung erhöht wird. In der Folge kann das
Ventil auch bei Spannungsausfall eine Dichtigkeit bereitstellen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Betätigen
eines erfindungsgemäßen Ventils
wird das wenigstens eine zumindest teilweise aus piezoelektrischem
Material bestehende Ventilbauteil in der ersten Schaltstellung des
Ventils mit der ersten Spannung beaufschlagt und anschließend das
Ventil in eine zweite Schaltstellung gebracht. Durch Beaufschlagen
der ersten Spannung wird die Form (bzw. deren Abmessungen) des Ventilbauteils
so verändert,
dass die Dichtigkeit des Ventils und in der Folge die notwendige
Betätigungskraft
zur Veränderung der
Schaltstellung verringert wird. Somit kann das Ventil anschließend mit
einer geringen Betätigungskraft
in die zweite Schaltstellung gebracht werden.
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Zweckmäßigerweise
wird anschließend
in der zweiten Schaltstellung des Ventils das wenigstens eine zumindest
teilweise aus piezoelektrischem Material bestehende Ventilbauteil
mit der zweiten Spannung beaufschlagt, um auf diese Weise die Dichtigkeit
des Ventils wiederherzustellen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird das wenigstens eine zumindest
teilweise aus piezoelektrischem Material bestehende Ventilbauteil
mit der ersten Spannung beaufschlagt, um auf diese Weise die Dichtigkeit
und die notwendige Betätigungskraft
des Ventils verringern, bevor das Ventil in die erste Schaltstellung
gebracht wird. Anschließend
wird das wenigstens eine zumindest teilweise aus piezoelektrischem
Material bestehende Ventilbauteil mit der zweiten Spannung beaufschlagt,
um die Dichtigkeit des Ventils wiederherzustellen.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung:
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ventils
in einer Querschnittsansicht.
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In 1 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ventils
in einer Querschnittsansicht schematisch dargestellt und insgesamt
mit 100 be zeichnet. Das Ventil 100 weist ein Ventilgehäuse 110,
eine Hülse 120 sowie
einen Schieber 130 auf.
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Das
Ventil 100 ist in der gezeigten Darstellung als pneumatisch
oder hydraulisch betätigbares 3/2-Wegeventil
ausgestattet. Dazu weist das Ventilgehäuse 110 drei Arbeitsanschlüsse 111, 112 und 113 sowie
zwei hier als Druckluftanschlüsse 114 und 115 ausgebildete
Betätigungsanschlüsse auf.
Das Gehäuse 110 kann
aus herkömmlichem
Material wie z. B. Kunststoff ausgebildet sein.
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Die
Hülse 120 ist
als Hohlzylinder ausgebildet und in einer zylinderförmigen Ausnehmung 116 des
Gehäuses 110 angeordnet.
Die Hülse 120 weist entsprechend
den Arbeitsanschlüssen 111 bis 113 Öffnungen 121 bis 123 auf.
Die Hülse 120 weist
weiterhin eine zylinderförmige
Ausnehmung 126 auf, in der der zylinderförmige Schieber 130 bewegbar
gelagert ist. Der Schieber 130 weist eine Ausnehmung 131 zur
Bereitstellung der Ventilfunktionalität auf. In der gezeigten Darstellung
befindet sich das Ventil 100 in einer Schaltstellung, in
der der Arbeitsanschluss 111 mit dem Arbeitsanschluss 112 verbunden
ist. Der Arbeitsanschluss 113 ist abgedichtet.
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Nachfolgend
wird die erfindungsgemäße Funktionalität näher erläutert. Die
Hülse 120 ist
aus piezoelektrischem Material hergestellt, sodass die Form der
Hülse (bzw.
deren Abmessungen) durch Spannungsbeaufschlagung derselben beeinflussbar ist.
Die Maße
sowie das Material der Hülse 120 sind so
gewählt,
dass die Hülse 120 zusammen
mit dem in ihr gelagerten Schieber 130 eine Abdichtung
bereitstellt, wenn die Hülse 120 nicht
mit Spannung beaufschlagt wird. In diesem Fall ist eine dichte Verbindung
zumindest an den Punkten 140 und 141 gewährleistet.
Die Hülse 120 wird
gegenüber
dem Gehäuse 110 mittels
optional vorzusehender Elastomerdichtringe 151 bis 154 abgedichtet.
Es versteht sich, dass bei entsprechend passgenauer Ausgestaltung der
Hülse 120 sowie
des Gehäuses 110 auf
die Dichtringe 151 bis 154 verzichtet werden kann.
Bei Vorsehen der Dichtringe 151 bis 154 muss jedoch
die Passung der Hülse 120 und
des Gehäuses 110 bzw.
dessen Ausnehmung 116 nicht hochgradig genau ausgestaltet
werden, was zu einer Kostenreduzierung führt.
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Zur
Betätigung
des Ventils 100, im gezeigten Beispiel zum Bringen des
Ventils in die zweite (nicht gezeigte) Schaltstellung, in der der
Kanal 112 mit dem Kanal 113 verbunden ist, wird
zunächst
die Hülse 120 mit
einer vorgegebenen Spannung beaufschlagt. In der Folge ändert die
Hülse 120 ihre
Abmessungen und nimmt die zweite Bauteilform ein, wobei sich der
Innendurchmesser D der Hülse 120 vergrößert. In
der Folge wird die Abdichtung an den Punkten 140 und 141 verringert,
wodurch die Betätigungskraft
zur Bewegung des Schiebers 130 entlang der Zylinderachse
verringert wird. Durch Betätigung des
Ventils, beispielsweise durch Beaufschlagung des Anschlusses 114 mit
Druckluft, wird der Schieber 130 in der gezeigten Abbildung
nach rechts verschoben, bis die zweite Schaltstellung erreicht ist.
Anschließend
wird die Spannungsbeaufschlagung der Hülse 120 beendet, sodass
sie wieder die erste Bauteilform einnimmt, in der eine dichte Verbindung
zwischen dem Schieber 130 und der Hülse 120 besteht.
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Mit
der Erfindung kann somit ein Ventil bereitgestellt werden, dass
eine hohe Dichtigkeit bei gleichzeitig hoher Dynamik und geringer
Betätigungskraft
bereitstellt. Die erfinderische Lösung vereinigt die Vorteile
von Feststoffdichtungen, wie z. B. hohe Lebensdauer, hohe chemische
und thermische Beständigkeit,
geringe Abnutzung, hohe Dynamik, mit einer hohen Dichtigkeit, die üblicherweise
nur von Elastomerdichtungen bereitgestellt werden kann.
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Es
versteht sich, dass in den dargestellten Figuren nur beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt sind. Daneben ist jede andere Ausführungsform
denkbar, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.