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Die
Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zur Fluidversorgung fluidischer
Verbraucher, mit mehreren in einer Stapelrichtung aneinandergereihten
Ventilmodulen; die Ventilmodule umfassen jeweils einen plattenförmigen
Kanalkörper, der eine zur Verbindung mit einer Fluidquelle
ausgebildete Speisekanalausnehmung, einen zur Ankopplung eines fluidischen
Verbrauchers vorgesehenen Arbeitskanal sowie zwei zueinander parallele,
einander entgegengesetzte Fügeflächen und senkrecht
zu den Fügeflächen ausgerichtete Außenflächen
aufweist, wobei die Fügeflächen die Stapelrichtung
bestimmen und zur Anlage an Fügeflächen benachbarter
Kanalkörper ausgebildet sind, weiterhin umfassen die Ventilmodule
jeweils eine Ventileinheit mit einem Ventilelement, das zwischen
der Speisekanalausnehmung und dem Arbeitskanal angeordnet ist und
das einen Ventilsitz und ein zum Ventilsitz längs einer
Bewegungsrichtung relativbewegliches Ventilglied umfasst, um in
einer Sperrstellung durch abdichtende Anlage des Ventilglieds am
Ventilsitz eine Verbindung zwischen Speisekanal und Arbeitskanal
zu unterbrechen und in einer Freigabestellung die Ver bindung zwischen
Speisekanal und Arbeitskanal freizugeben, sowie mit einem zur Umschaltung
des Ventilglieds zwischen der Sperrstellung und der Freigabestellung
ausgebildeten Betätigungsmittel, das zur Bereitstellung
einer Stellkraft auf das Ventilglied eingerichtet ist
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Aus
der
EP 1 748 238 B1 ist
ein Magnetventil bekannt, das einen von Ventilkanälen durchsetzten Grundkörper
und einen eine Elektromagneteinrichtung aufweisenden Magnetkopf
aufweist. Zwischen dem Magnetkopf und dem Grundkörper,
die in Richtung einer Hauptachse aufeinanderfolgend angeordnet sind,
ist eine mit mehreren Ventilkanälen kommunizierende Ventilkammer
angeordnet. Die Ventilkammer enthält einen als Ventilglied
dienenden, plattenförmigen Magnetanker, der von einer ortsfesten
Magnetkernanordnung der Elektromagneteinrichtung angezogen werden
kann.
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Aus
der
DE 102 08 390
A1 ist ein Mehrwegeventil mit frei konfigurierbarer Ventilfunktion
bekannt, das mehrere an einem Ventilkörper angeordnete Druckmittelanschlüsse
sowie eine elektrisch ansteuerbare Antriebseinheit zur Betätigung
einer im Ventilkörper untergebrachten Ventilmechanik umfasst.
Die Ventilmechanik besteht aus zumindest vier einzelnen, in Reihe
geschalteten 2/2-Wege-Hauptventilen mit dazwischen angeordneten
Druckmittelanschlüssen. Jedem einzelnen Hauptventil ist
ein elektrisches Antriebselement zugeordnet, das mit einer gemeinsamen
elektronischen Steuereinrichtung verbunden ist. Mit dem Mehrwegeventil
können unterschiedliche Wegefunktionen frei wählbar
realisiert werden.
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Aus
der
DE 103 15 460
B4 ist eine Ventilanordnung für gasförmige
und flüssige Medien bekannt. Diese umfasst mindestens vier
zu einer Mehrwegeventileinheit in Vollbrückenanordnung
verknüpfte 2/2-Wegeventile, denen eine elektrische Steuereinheit
mit mindestens einem Busanschluss, mindestens einem Sensoranschluss
und mindestens einer Pulsweitenmodulation zugeordnet ist. Die Wegeventile
sind als schnellschaltende Plattenankerventile ausgebildet, deren
Schaltzeit kleiner als 5 Millisekunden ist.
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Die
EP 0 391 269 B1 offenbart
eine Magnetventilbatterie mit einer auf einer gemeinsamen Grundplatte
angeordneten Mehrzahl von Magnetventilen, die eingangsseitig über
einen in die Grundplatte integrierten Kanal gemeinsam mit Druckluft
versorgbar sind. Der Kanal ist mit einer Stichleitung verbunden,
die an zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen
der Grundplatte ausmündet.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ventileinrichtung bereitzustellen,
die bei einer kompakten Gestaltung einen vergrößerten
Fluiddurchfluss ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird für eine Ventileinheit der eingangs genannten
Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist
vorgesehen, dass die Stapelrichtung für die Ventilmodule
und die Bewegungsrichtung der zugeordneten Ventilelemente parallel zueinander
ausgerichtet sind.
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Hierdurch
ist es möglich, Ventilelemente, die für schnelle
Schaltzeiten, vorzugsweise kleiner 1/100 Sekunden, mit kleinem Ventilhub
und großem Strömungsquerschnitt in einen Kanalköper
zu integrieren, der in Stapelrichtung eine deutlich geringere Ausdehnung
aufweist als in Raumrichtungen senkrecht zur Stapelrichtung. Durch
die Verwendbarkeit derart gestalteter Kanalkörper können
mehrere Ventilmodule in der Stapelrichtung aneinander gereiht werden,
um eine kompakte Ventileinrichtung zu bilden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Betätigungsmittel
als elektrisch ansteuerbares, fluidisches Vorsteuerventil für eine
fluidische Ansteuerung des Ventilelements ausgebildet ist. Dabei
hat das elektrisch an steuerbare Vorsteuerventil die Aufgabe, eine
geringe Fluidmenge bereitzustellen, um das Ventilelement zwischen der
Sperrstellung und der Freigabestellung umzuschalten. Vorteil haft
ist hierbei, dass keine direkte mechanische Kopplung zwischen dem
Vorsteuerventil und dem Ventilelement notwendig ist, ein Fluidkanal
mit geringem Querschnitt ist ausreichend, um die zur Ansteuerung
des Ventilelements notwendige Fluidmenge bereitzustellen.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Betätigungsmittel als elektrisch ansteuerbares, elektromechanisches
Stellglied ausgebildet ist. Hierdurch kann ein besonders spontanes
Ansprechverhalten für das Ventilelement bewirkt werden,
da das elektromechanische Stellglied unmittelbar auf das Ventilglied
einwirkt. Hierdurch lassen sich besonders kurze Ansteuerungszeiten
und eine hohe öffnungs- und/oder Schließgeschwindigkeit
für das Ventilelement realisieren. Das elektromechanische
Stellglied kann entweder eine Magnetkraft oder eine Druck- und/oder
Zugkraft zur Betätigung des Ventilelements bereitstellen.
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Zweckmäßig
ist es, wenn dem Betätigungsmittel ein Kraftumlenkmittel
zur Umlenkung der Stellkraft zugeordnet ist, um die Stellkraft aus
der Stellkraftrichtung in eine Bewegungsrichtung des Ventilglieds
umzulenken. Die Kraftumlenkmittel ermöglichen es, die Bewegungsrichtung
des Ventilglieds abweichend von der Stellkraftrichtung zu wählen.
Beispielsweise kann die Bewegungsrichtung einen Winkel von zumindest
nahezu 90 Grad mit der Stellkraftrichtung einschließen.
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Dies
ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Ventilelement für
schnelle Schaltfunktionen, insbesondere für Schaltzeiten
kleiner 1/100 Sekunden, und für einen großen Fluidquerschnitt,
der hohe Volumenströme durch das Ventilelement zulässt,
ausgelegt sein soll. Hierzu ist die Kombination eines kleinen Ventilhubs,
also einer Bewegung des Ventilglieds in der Bewegungsrichtung mit
kurzem Bewegungsweg, und einer großen Ventilfläche
von Vorteil. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das Ventilelement
in eine Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung eine große
Ausdehnung aufweist, während die Ausdehnung des Ventilelements
in Bewegungsrichtung demgegenüber kleiner gewählt wird.
Im Gegensatz hierzu weist das Betätigungsmittel, das beispielsweise
als elektromagnetischer Spulenmotor oder als piezoelektrischer Antrieb
aus mehreren aufeinandergestapelten Kristallscheiben ausgeführt
sein kann, in der Stellkraftrichtung die größte Ausdehnung
aus. Mit Hilfe der Kraftumlenkmittel ist es möglicht, das
Betätigungsmittel und das Ventilelement so zu gestalten,
dass deren größte Ausdehnungen in einer gemeinsamen
Ebene angeordnet sind, wodurch sich eine besonders schlanke und
vorzugsweise zu einer kompakten Ventileinrichtung stapelbare Ventileinheit
ergibt.
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Zweckmäßig
ist es, wenn das Kraftumlenkmittel als Hebelgetriebe ausgebildet
ist. Mittels des Hebelgetriebes kann bei kompakter Bauweise der Ventileinheit
eine verlustarme Umlenkung der Stellkraft in die Bewegungsrichtung
des Ventilglieds erfolgen. Bei geeigneter Auswahl des Hebelgetriebes kann
eine Kraftverstärkung der Stellkraft oder eine Vergrößerung
des Stellwegs des Betätigungsmittels erreicht werden.
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Vorteilhaft
ist es, wenn das Hebelgetriebe einen Schwenkhebel umfasst, dessen
Schwenkachse senkrecht zu Stellkraftrichtung und zur Bewegungsrichtung
ausgerichtet ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Kraftumlenkmittel als Leiter für magnetische Feldkräfte
ausgebildet ist und vorzugsweise eine stabartige, insbesondere eine im
wesentlichen L-förmige, Gestalt aufweist. Dies ist von
Interesse, wenn es sich bei dem Betätigungsmittel um einen
elektromagnetischen Spulenmotor mit wenigstens einer elektrisch
ansteuerbaren Magnetspule handelt. Üblicherweise ist bei
einem solchen Spulenmotor die vom magnetischen Fluss bestimmte Stellkraftrichtung
im Wesentlichen parallel zu einer Symmetrieachse der Magnetspule
ausgerichtet. Um eine kompakte Gestaltung der Ventileinheit zu erreichen,
kann der Spulenmotor derart am Grundköper angeordnet sein,
dass die Symmetrieachse der Magnetspule und somit auch die Stellkraftrichtung
senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds ausgerichtet sind.
Zur Gewährleistung einer vorteilhaften Ansteuerung des
Ventilglieds wird mit Hilfe des Kraftumlenkmittels eine zumindest
nahezu rechtwinklige Umlenkung der als magnetischer Fluss auftretenden Stellkraft
vorgenommen. Hierzu ist das Kraftumlenkmittel beispielsweise stabartig,
insbesondere L-förmig, ausgebildet und wird in Verlängerung
der Symmetrieachse der Magnetspule gegenüberliegend zur Stirnseite
der Magnetspule angeordnet. Der magnetische Fluss wirkt ausgehend
von einer normal oder parallel zur Symmetrieachse ausgerichteten
Stirn- oder Seitenfläche des Kraftumlenkmittels unmittelbar auf
ein mit dem Ventilglied gekoppeltes, insbesondere magnetisierbares
oder permanentmagnetisches, Element und kann durch Anziehungs- oder
Abstoßungskräfte eine Bewegung des Ventilglieds
bewirken.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ventilglied
ein magnetisierbares Ankerelement umfasst, das einem Schenkel des stabartigen,
insbesondere L-förmigen, Kraftumlenkmittels gegenüberliegend
angeordnet ist. Der magnetische Fluss, der vom elektromagnetischen
Spulenmotor auf den ersten, beispielsweise den kürzeren,
Schenkel des Kraftumlenkmittels eingeleitet wird, steht am zweiten,
beispielsweise längeren, Schenkel des L-förmigen
Kraftumlenkmittels zur Verfügung und wirkt auf das Ankerelement
ein. Dieses wird aufgrund des magnetischen Flusses zeitweilig magnetisiert
und durch die auftretenden Magnetkräfte vom Kraftumlenkmittel
abgestoßen oder von diesem angezogen und bewirkt dadurch
die Bewegung des Ventilglieds in der Bewegungsrichtung. Vorzugsweise
stimmen die Bewegungsrichtung des Ventilglieds und die längste
Erstreckung des kürzeren Schenkels des Kraftumlenkmittels überein,
da sich hierdurch eine besonders kompakte Gestaltung der Ventileinheit
erreichen lässt.
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Zweckmäßig
ist es, wenn das Ventilglied in einer Ventilkammer aufgenommen ist,
die von Wandabschnitten berandet ist, wobei ein Wandabschnitt eine
Fluideintrittsöffnung und ein Wandabschnitt eine als Ventilsitz
zur abdichtenden Anlage des Ventilglieds ausgebildete Fluidaustrittsöffnung
aufweist. Mit der Ventilkammer können definierte Strömungsverhältnisse
für das Fluid beim Durchströmen des Ventilelements
vorgegeben werden. Die Strömungsverhältniss werden
insbesondere von der Geometrie der Fluideintrittsöffnung,
der Wandabschnitte und der Fluidaustrittsöffnung bestimmt.
Das Fluid tritt durch die Fluideintrittsöffnung in die
Ventilkammer ein und strömt von dort aus in Richtung der
als Ventilsitz ausgebildeten Fluidaustrittsöffnung, sofern
das Ventilglied nicht abdichtend am Ventilsitz anliegt.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Ventilkammer derart mit einer Strömungskammer
kommunizierend verbunden ist, dass die Fluidaustrittsöffnung
der Ventilkammer eine Fluideintrittsöffnung der Strömungskammer
bildet. Die Strömungskammer dient wie die Ventilkammer
zur Gewährleistung von vorteilhaften Strömungs bedingungen
für das Fluid vor dem Eintritt in den im Grundköper
vorgesehenen Arbeitskanal.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Fluideintrittsöffnung der Ventilkammer und/oder die
Fluidaustrittsöffnung der Strömungskammer orthogonal
zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds ausgerichtet sind. Hierdurch kann
eine besonders kompakte Gestaltung der Ventileinheit in der Bewegungsrichtung
des Ventilglieds erreicht werden. Dies ist insbesondere dann von
Interesse, wenn mehrere Ventileinheiten zur Aneinanderreihung in
einer Stapelrichtung zu einer kompakten Ventileinrichtung zusammengefügt
werden sollen. Dabei ist vorzugsweise die Stapelrichtung parallel
zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds gewählt.
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Vorzugsweise
sind die Ventilkammer und/oder die Strömungskammer rotationssymmetrisch
zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds ausgebildet. Hierdurch wird
eine Montage der Ventileinheit am oder im Grundköper erleichtert,
da aufgrund der Rotationssymmetrie keine bevorzugte oder zwingende
Einbaulage der Ventileinheit beachtet werden muss.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ventilglied
an einem Federelement beweglich in der Ventilkammer aufgehängt
ist. Die Aufgabe des Federelements besteht darin, das Ventilglied
ohne Vorliegen druckbeaufschlag ten Fluids in einer Vorzugsstellung
zu halten. Beispielsweise kann es sich bei der Vorzugsstellung um
die abdichtende Anlage des Ventilglieds am Ventilsitz handeln. Eine
weitere Aufgabe der Federeinrichtung kann darin bestehen, die Freiheitsgrade
der Bewegung für das Ventilglied zu begrenzen, beispielsweise
auf einen translatorischen Freiheitsgrad der Bewegung. Somit dient
die Federeinrichtung auch der Führung des Ventilelements
und stellt sicher, dass das Ventilelement zuverlässig in
abdichtende Anlage mit dem Ventilsitz kommt.
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Zweckmäßig
ist es, wenn das Federelement als Wandabschnitt der Ventilkammer
und/oder der Strömungskammer ausgebildet ist. Hierdurch
kann ein besonders einfacher Aufbau der Ventileinheit erreicht werden,
da das Federmittel neben der Federwirkung und der gegebenenfalls
vorgesehenen Führungseigenschaften für das Ventilglied
auch eine Dichtwirkung für die Ventilkammer oder die Strömungskammer
aufweist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass einander gegenüberliegende Stirnflächen der
Ventilkammer und der Strömungskammer, deren Flächennormalen
parallel zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds ausgerichtet sind,
als Federelemente ausgebildet sind. Hierdurch können die
Freiheitsgrade der Bewegung für das Ventilglied auf genau
einen translatorischen Freiheitsgrad der Bewegung eingeschränkt
werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die ein ander gegenüberliegenden
Stirnflächen der Ventilkammer und der Strömungskammer
einen Abstand aufweisen, der im Wesentlichen der Ausdehnung der
Ventileinheit in der Bewegungsrichtung des Ventilglieds entspricht, da
hierdurch unerwünschte Verkippungen des Ventilglieds vermieden
werden können.
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Vorzugsweise
weisen die als Federelemente ausgebildeten Stirnflächen
der Ventilkammer und der Strömungskammer jeweils gleich
große fluidisch wirksame Oberflächen auf. Besonders
bevorzugt entspricht die Größe der fluidisch wirksamen
Oberfläche der Federelemente der fluidisch wirksamen Größe
des Ventilsitz. Dadurch ist gewährleistet, dass unabhängig
von der Höhe einer Überdruckbeaufschlagung der
Ventilkammer oder von der Höhe einer Unterdruckbeaufschlagung
der Strömungskammer eine auf das Ventilglied wirkende resultierende
Kraft gering, vorzugsweise verschwindend, ist. Das Ventilglied ist
aufgrund dieser Dimensionierung der fluidisch wirksamen Flächen
in jeder Stellung zumindest nahezu vollständig druckkompensiert.
Dies gilt insbesondere dann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit im
Ventilelement klein oder verschwindend ist. Dadurch werden schnelle
Schaltzeiten für das Ventilelement mit geringen Stellkräften
ermöglicht.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Ventilkammer und die Strömungskammer in einer
gemeinsamen, zylindrischen Hüllfläche angeordnet
sind.
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Hierdurch
wird die Aufnahme der Ventileinheit in einer vorzugsweise zylindrischen
Ausnehmung des Grundkörpers ermöglicht, so dass
der Grundkörper einen konstruktiv einfachen Aufbau aufweisen
kann und kostengünstig herstellbar ist.
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Zweckmäßig
ist es, wenn die Ventilkammer und die Strömungskammer um
eine gemeinsame Mittelachse umlaufende Wandabschnitte aufweisen, an
denen in Richtung der Mittelachse voneinander beabstandete, in radialer
Richtung abragende, zirkular umlaufende Radialstege ausgebildet
sind. Diese Stege können entweder direkt zur abdichtenden
Anlage an einem Wandbereich der im Grundkörper ausgebildeten
Ausnehmung vorgesehen sein oder eine geeignete Profilierung aufweisen,
die die Aufnahme eines endlos umlaufenden Dichtmittels, insbesondere
eines gummielastischen Dichtrings, ermöglicht, der für
eine Dichtwirkung zwischen Radialsteg und Wandbereich ausgebildet
ist.
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Bevorzugt
begrenzen benachbarte Radialstege eine Ringnut, in die die mit der
Ventilkammer kommunizierend verbundene Fluideintrittsöffnung oder
die mit der Strömungskammer kommunizierend verbundene Fluidaustrittsöffnung
ausmündet. Die von den benachbarten Radialstegen begrenzte
Ringnut bildet bei Montage der Ventileinheit in den Grundkörper
mit dem Wandbereich der Ausnehmung einen Ringraum, in den der Speisekanal
oder der Arbeitskanal mündet, wodurch in einfacher Weise
eine kommunizierende Verbindung zwischen dem Speisekanal und der
Ventilkammer oder der Strömungskammer und dem Arbeitskanal
verwirklicht werden kann.
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Zweckmäßig
ist es, wenn drei zirkular umlaufende Dichtstege vorgesehen sind,
die zusammen mit einem Wandabschnitt der Ausnehmung im Grundkörper
zwei Ringräume bilden, in die der Speisekanal oder der
Arbeitskanal ausmünden. Somit können die notwendigen
kommunizierenden Verbindungen zwischen Speisekanal und Ventilkammer bzw.
zwischen Strömungskammer und Arbeitskanal in einfacher
Weise durch Montage der Ventileinrichtung in die vorzugsweise zylindrische
Ausnehmung im Grundkörper hergestellt werden. Weitere Maßnahmen
zur Erstellung dieser Verbindungen sind nicht notwendig.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass mehrere Fluideintrittsöffnungen oder Fluidaustrittsöffnungen
in die Ringnut ausmünden, insbesondere mit gleicher Winkelteilung.
Hierdurch wird ein großer freier Strömungsquerschnitt
für die kommunizierenden Verbindungen zwischen Speisekanal
und Ventilkammer bzw. zwischen Strömungskammer und Arbeitskanal
bereitgestellt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die vier 2/2-Wegeventile des Ventilmoduls in
einer Vollbrückenanordnung miteinander verschaltet sind,
bei der die ersten Fluidanschlüsse des er sten und des zweiten
2/2-Wegeventils mit der Speisekanalausnehmung verbunden sind, der
zweite Fluidanschluss des ersten 2/2-Wegeventils und der erste Fluidanschluss des
vierten 2/2-Wegeventils mit einem ersten Arbeitskanal verbunden
sind, der zweite Fluidanschluss des zweiten 2/2-Wegeventils und
der erste Fluidanschluss des dritten 2/2-Wegeventils mit einem zweiten
Arbeitskanal verbunden sind und die zweiten Fluidanschlüsse
des dritten und des vierten 2/2-Wegeventils mit der Entlüftungskanalausnehmung
verbunden sind. Hierdurch können die beiden Arbeitskanäle
des Ventilmoduls unabhängig voneinander mit druckbeaufschlagtem
Fluid versorgt oder entlüftet werden, wodurch eine Vielzahl
von unterschiedlichen Ansteuerfunktionen für eine oder
mehrere mit dem oder den Arbeitskanälen kommunizierend
verbundene fluidische Arbeitseinrichtung ansteuerbar sind.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Dabei zeigt:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer aus mehreren Ventilmodulen aufgebauten
Ventileinrichtung,
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2 eine
perspektivische Teilschnittdarstellung eines Ventilmoduls aus der
Ventileinrichtung gemäß 1 in teilmontiertem
Zustand,
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3 eine
perspektivische Teilschnittdarstellung eines Ventilelements, dem
Betätigungsmittel und Kraftumlenkmittel zugeordnet sind
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4 eine
Seitenansicht des Ventilelements, des Betätigungsmittels
und des Kraftumlenkmittels gemäß der 3,
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5 eine
perspektivische Teilschnittdarstellung des Ventilelements gemäß den 3 und 4,
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6 eine
perspektivische Teilschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform
eines Ventilelements,
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7 perspektivische
Teilschnittdarstellung eines Ventilelements, das von den Betätigungsmitteln
mittels eines Hebelgetriebes angesteuert wird,
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8 eine
Schnittdarstellung des Betätigungsmittels,
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9 ein
pneumatisches Ersatzschaltbild für eine weitere Ausführungsform
eines Ventilmoduls und
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10 eine
schematische Darstellung der Schaltzustände, die das Ventilmodul
gemäß 9 einnehmen kann.
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Die
in der 1 dargestellte Ventileinrichtung 100 umfasst
mehrere Ventilmodule 1, die aneinander aufgereiht angeordnet sind
und mit einer nicht dargestellten Fluidquelle und mit nicht dargestellten fluidischen
Verbrauchern koppelbar sind. Jedes der Ventilmodule 1 umfasst
vier Ventileinheiten 2, die in einem gemeinsamen, als plattenförmiger
Kanalkörper ausgebildeten Grundkörper 3 angeordnet
sind. Dabei ist jeder der Ventileinheiten 2 ein exemplarisch kubisch
ausgeführter, nicht näher bezeichneter Abschnitt
des Grundkörpers 3 zugeordnet. Der Grundkörper 3 weist
mehrere, nachfolgend näher beschriebene Ausnehmungen auf,
die beispielsweise zur Aufnahme von Ventilelementen 4 ausgebildet
sind. An einer längeren Schmalseite des Grundkörpers 3 sind mehrere
elektrisch ansteuerbare, exemplarisch als elektromagnetische Spulenmotoren
ausgeführte Betätigungsmittel 5 angeordnet.
Diese wirken auf vorwiegend längs der größten
Oberfläche des Grundkörpers 3 erstreckte
Kraftumlenkmittel 6 ein. Die mit den Betätigungsmitteln 5 versehene
längere Schmalseite des Grundkörpers 3 wird
als Bestückungsfläche 7 bezeichnet. Die
entgegengesetzt zur Bestückungsfläche 7 ausgerichtete
Schmalseite des Grundkörpers 3 wird als Anschlussfläche 8 bezeichnet,
da sie zwei Fluidkupplungen 9, 10 trägt.
Die Fluidkupplungen 9, 10 sind jeweils zum Anschluss
von nicht dargestellten fluidischen Verbrauchern, beispielsweise fluidischen
Antriebseinrichtungen, vorgesehen.
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Die
größten Oberflächen des Grundköpers 3 sind
zur Anlage an benachbarte größte Oberflächen nicht
dargestellter Grundkörper 3 vorgesehen und werden
daher auch als Fügeflächen 11, 12 bezeichnet.
Zwischen den Fügeflächen 11, 12 erstrecken sich
eine Speisekanalausnehmung 14 und zwei Entlüftungskanalausnehmungen 15,
die den Grundkörper 3 in einer Stapelrichtung 16 durchsetzen
und die zusammen mit korrespondierenden Speisekanalausnehmungen
bzw. Entlüftungskanalausnehmungen nicht dargestellter benachbarter
Grundkörper 3 mehrere in Stapelrichtung erstreckte
Speisekanäle bzw. Entlüftungskanäle ausbilden.
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Die
Bestückungsfläche 7 ist mit parallel
zur Stapelrichtung verlaufenden Nuten 17 versehen, die zur
Aufnahme eines kürzeren Schenkels 18 der in den 3 und 4 näher
dargestellten Kraftumlenkmittel 6 ausgebildet sind. In
die Fügeflächen 11 und 12 sind
ebenfalls Nuten 20 eingebracht, die zur Aufnahme der längeren
Schenkel 19 der Kraftumlenkmittel 6 vorgesehen
sind. Sowohl die Nuten 17 als auch die Nuten 20 sind
jeweils derart ausgebildet, dass die Kraftumlenkmittel 6 zumindest
im Wesentlichen oberflächenbündig mit der Bestückungsfläche 7 und/oder
mit einer der beiden Fügeflächen 11, 12 abschließen.
Die Nuten 20 für die Kraftumlenkmittel 6 sind
paarweise für jeweils benachbart angeordnete Betätigungsmittel 5 an
der vorderen und an der hinteren Fügefläche 11, 12 angebracht.
Jedem Betätigungsmittel 5 sind zwei exemplarisch
L-förmig ausgeführte Kraftumlenkmittel 6 zugeordnet,
die im Bereich der Fügefläche 11, 12 durch
einen stabförmigen Abstandshalter 21 zueinander
auf Abstand gehalten werden. Die Abstandshalter 21 sind
mittels Befestigungsmitteln 22, exemplarisch als Schrauben
ausgeführt, am Grundkörper 3 befestigt.
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Die
jeweils paarweise angeordneten Betätigungsmittel 5 bilden
eine erste und eine zweite Betätigungsmittelgruppe, die
in Stapelrichtung 16 versetzt zueinander angeordnet sind,
wodurch ein Anschließen von nicht dargestellten Steuerkabeln
an stirnseitig vorgesehenen Steckbuchsen 23 der Betätigungsmittel 5 erleichtert
wird.
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Wie
ebenfalls aus der 1 entnommen werden kann, verläuft
ausgehend von der Entlüftungskanalausnehmung 15 orthogonal
zur Stapelrichtung 16 ein Abluftkanal 24. Wie
zudem aus der 2 hervorgeht, sind zwischen
den jeweils paarweise angeordneten Betätigungsmitteln 5 jeweils
orthogonal zur Stapelrichtung 16 und parallel zur nicht dargestellten
Flächennormalen der Anschlussfläche 8 ausgerichtete
Arbeitskanäle 25 vorgesehen, die jeweils mit einem
Verbindungskanal 29 kommunizierend gekoppelt sind. Die
Arbeitskanäle 25 münden jeweils in einer
Anschlussausnehmung 26 für die Fluidkupplung 9 aus.
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Die
Abluftkanäle 24 und die Verbindungskanäle 29 stehen
jeweils mit einer der vier im Grundkörper 3 ausgebildeten,
zur Aufnahme der Ventilelemente 4 vorgesehenen Ventilbohrungen 27, 28 in
kommunizierender Verbindung. Zudem münden in die Ventilbohrungen 27, 28 von
der zentral im Grundkörper 3 angebrachten Speisekanalausnehmung 14 ausgehende
Zuluftkanäle 59. Die Ventilbohrungen 27, 28 sind
jeweils als Stufenbohrungen mit endseitig verringertem Durchmesser
ausgehend von einer der beiden Fügeflächen 11, 12 in
den Grundkörper 3 eingebracht und durchsetzen
den Grundkörper 3 zwischen den Fügeflächen 11, 12 vollständig.
Der jeweils endseitig verringerte Durchmesser der Ventilbohrungen 27, 28 führt
zur Ausbildung eines kreisringförmigen, umlaufenden Bundes,
der als Tiefenanschlag beim Einbau der Ventilelemente 4 dient.
Die Abluftkanäle 24, die Verbindungskanäle 29 und
die Zuluftkanäle 59 können beispielsweise
durch Einfräsen mittels eines Scheibenfräsers
ausgehend von den Ventilbohrungen 27, 28 in den
einstückig ausgebildeten Grundkörper 3 eingebracht
werden. Hierdurch ist die jeweils in Richtung der Speisekanalausnehmungen 14,
der Entlüftungskanalausnehmungen 15 bzw. der Arbeitskanäle 25 verjüngte
Ausführung der Abluftkanäle 24, der Verbindungskanäle 29 und der
Zuluftkanäle 59 begründet.
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Das
in den 3 bis 5 näher dargestellte
Ventilelement 4 ist als 2/2-Wegeventil für eine,
beispielsweise kraftschlüs sige, Festlegung in der Ventilbohrung 27, 28 ausgebildet
und weist hierzu einen formstabilen, exemplarisch rotationssymmetrisch ausgebildeten
Dichtkörper 30 auf. Der Dichtkörper 30 umfasst
einen radial nach außen gewandten, ringartigen Wandabschnitt 31 und
einen radial nach innen gewandten ringartigen Wandabschnitt 32.
Am Wandabschnitt 31 sind exemplarisch drei in gleicher Teilung
längs einer Mittelachse 33 des Dichtkörpers 30 voneinander
beabstandete Radialstege 34 angeformt. Bei der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung ist jeder der Radialstege 34 mit
einer nicht näher bezeichneten, umlaufenden Nut versehen,
die zur Aufnahme eines nicht dargestellten, endlos umlaufenden,
ringförmigen Dichtmittels dient. Mit Hilfe des, vorzugsweise
aus einem gummielastischem Werkstoff hergestellten, Dichtmittels
kann eine abdichtende Anlage der Radialstege 34 an einer
der Ventilbohrungen 27, 28 gewährleistet
werden.
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Zwischen
den Radialstegen 34 ausgebildete Ringnuten 35, 39 bilden
zusammen mit einer der Ventilbohrungen 27, 28 jeweils
einen Ringraum, in dem Fluid zu oder von einem Abluftkanal 24,
Verbindungskanal 29 oder Zuluftkanal 59 strömen
kann. Hierzu sind die Abluftkanäle 24, die Verbindungskanäle 29 und
die Zuluftkanäle 59 derart in den Grundkörper 3 eingebracht,
dass sie bei Montage der Ventilelemente 4 mit den Ringnuten 35, 39 in Überdeckung
gebracht werden können.
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Zwischen
dem äußeren Wandabschnitt 31 und dem
inneren Wandabschnitt 32 erstrecken sich jeweils in radialer
Richtung ausgerichtete Radialbohrungen, die beispielsweise als Fluideintrittsöffnungen 36 oder
als Fluidaustrittsöffnungen 37 dienen können.
Ausgehend von dem inneren Wandabschnitt 32 ragt radialer
Richtung nach innen eine umlaufende, beispielsweise L-förmig
profilierte Dichtlippe 38 ab. Die Dichtlippe ist vorliegend
im Bereich des längs der Mittelachse 33 erstreckten
Schenkels schneidenartig verjüngt und bildet einen Ventilsitz,
der zur abdichtenden Anlage eines Ventilglieds 40 in der
Sperrstellung des Ventilelements 4 vorgesehen ist. Bei
dem in den 2 bis 5 dargestellten
Ventilelement 4 umfasst das Ventilglied 40 ein
als Trägerteil dienendes, aus einem magnetisierbaren Werkstoff
hergestelltes Ankerelement 41, das im Wesentlichen rotationssymmetrisch
ausgebildet ist. Das Ankerelement 41 trägt an
jeweils abschnittsweise zylindrisch ausgebildeten Außenoberflächen
einen Stützring 43 und einen Leitring 44.
Der Stützring 43 ist mit einer umlaufenden, nutartigen
Ausnehmung versehen, die zur Aufnahme eines Dichtrings 42 ausgebildet
ist. Die Ausnehmung ist in Richtung der Mittelachse 33 in
eine orthogonal zur Mittelachse 33 ausgerichtete kreisringförmige Oberfläche
des Stützrings 43 eingebracht. Der Dichtring 42 ist
zur abdichtenden Anlage an der schneidenförmig verjüngten
Vorderkante der Dichtlippe 38 ausgebildet. Vorzugsweise
ist der Dichtring 42 aus einem Materi al hergestellt, das
eine größere Elastizität als das Material
der einstückig am Dichtkörper 30 ungeformten
Dichtlippe 38 aufweist. Der Leitring 44 dient
dazu, einen im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt
für das Fluid zu gewährleisten, das das Ventilelement 4 durchströmt.
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Das
Ankerelement 41 erstreckt sich durch den Dichtköper 30 und
ragt mit einem Endabschnitt 45 über eine der beiden
senkrecht zur Mittelachse 33 ausgerichteten, kreisringförmigen
Endflächen des Dichtkörpers 30 hinaus.
Der Endabschnitt 45 ist abschnittsweise zungenartig ausgebildet
und weist in einer Querschnittsebene, die senkrecht zur Mittelachse 33 ausgerichtet
ist, einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Endabschnitt 45 wird
im montierten Zustand der Ventileinheit 2 gegenüberliegend
zum längeren Schenkel 19 des Kraftumlenkmittels 6 angeordnet,
um mit diesen in magnetische Wechselwirkung treten zu können.
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Das
Ankerelement 41 ist an beiden Endabschnitten 45, 46 mit
jeweils einem dünnwandigen, elastischen Federelement 47, 49 abdichtend verbunden,
das beispielsweise als kreisringförmige Scheibe aus einem
federelastischen Metallwerkstoff oder als Kunststoffmembran ausgebildet
sein kann. Die Federelemente 47, 49 sind mit einem
radial innenliegenden Ringbereich kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig,
insbesondere durch Verkleben oder Verschweißen, mit dem
Ankerelement 41 verbunden.
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In
radial außenliegenden Ringbereichen sind die Federelemente 47, 49 kraftschlüssig
und/oder stoffschlüssig, insbesondere durch Verkleben oder Verschweißen,
mit dem Dichtkörper 30 verbunden, der zu diesem
Zweck beispielsweise jeweils kreisringförmige Ausnehmungen
aufweisen kann. Aufgrund der dünnwandigen Gestaltung der
Federelemente 47, 49 können diese in
Richtung der Mittelachse 33 deformiert werden und erlauben
somit eine lineare Bewegung des Ventilglieds 40 längs
der Mittelachse 33. Bei der in den 2 bis 5 dargestellten
Ausführungsform eines Ventilelements 4 ist wenigstens
eines der Federelemente 47, 49 exemplarisch derart
ausgeführt, dass der Dichtring 42 bereits ohne
eine Druckbeaufschlagung des Ventilelements 4 abdichtend
an der Dichtlippe 38 anliegt.
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In
dieser Sperrstellung bildet der Dichtkörper 30 mit
der umlaufenden Dichtlippe 38, dem Ventilglied 40 und
dem Federelement 47 eine Ventilkammer 48. Zudem
begrenzt der Dichtkörper 30 mit der umlaufenden
Dichtlippe 38, dem Ventilglied 40 und dem Federelement 49 eine
von der Ventilkammer 48 getrennte Strömungskammer 50.
Die Ventilkammer 48 steht über die, vorzugsweise
in gleicher Winkelteilung angeordneten, Fluideintrittsöffnungen 36 in kommunizierender
Verbindung mit der Ringnut 35. Die Strömungskammer 50 steht über
die Flui daustrittsöffnungen 37 in kommunizierender
Verbindung mit der Ringnut 39. Bei Montage des Ventilelements 4 in
den Grundkörper 3 kommt die Ringnut 35 je
nach Funktion des Ventilelements 4 als Zuluftventil (vgl. 9,
Ventile 301, 302) oder als Abluftventil (vgl. 9,
Ventile 303, 304) in Überdeckung mit
dem Zuluftkanal 59, so dass eine kommunizierende Verbindung
zwischen der Speisekanalausnehmung 14 und der Ventilkammer 48 hergestellt
wird, oder in Überdeckung mit dem Verbindungskanal 29,
so dass eine kommunizierende Verbindung zwischen dem Arbeitskanal 25 und
der Ventilkammer 48 hergestellt wird. In seiner Funktion
als Zuluftventil steht die Ringnut 39 des entsprechenden
Ventilelements 4 in kommunizierender Verbindung mit dem
Verbindungskanal 29. In seiner Funktion als Abluftventil
steht die Ringnut 39 des entsprechenden Ventilelements
in kommunizierender Verbindung mit dem Abluftkanal 24.
Die Ventileinheiten 2 des Ventilmoduls 1 sind
somit in einer Vollbrückenschaltung miteinander verbunden,
wie nachstehend zu den 9 und 10 näher
erläutert wird.
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Bei
einer Beaufschlagung der Speisekanalausnehmung 14 mit druckbeaufschlagtem
Fluid liegt der Fluiddruck auch im Zuluftkanal 59 sowie
in dem vom Grundkörper 3 und der Ringnut 35 begrenzten
Ringraum und in der Ventilkammer 48 an. Solange sich das
Ventilglied 40 in der Sperrstellung gemäß den 2 bis 5 befindet,
in der der Dichtring 42 abdichtend an der Dichtlippe 38 anliegt,
tritt kein Fluid aus der Ventilkammer 48 in die Strömungskammer 50 ein.
Aufgrund der Dimensionierung des Federelements 47 und des
durch die Dichtlippe 38 bestimmten Ventilsitzes ergibt
sich bei Druckbeaufschlagung der Ventilkammer 48 allenfalls
eine verschwindend geringe resultierende Kraft auf das Ventilglied 40.
Dies liegt darin begründet, dass die fluidisch wirksame
Fläche des Federelements 47 bedingt durch die
randseitige Befestigung am Dichtkörper 30 und
die in diesen Bereich erhöhte Steifigkeit kleiner als die
der Ventilkammer 8 zugewandte Oberfläche des Federelements 47 ist.
Gleiches gilt auch für das Federelement 49. Durch
diese Druckkompensation in der Sperrstellung ist nur eine geringe
Stellkraft notwendig, um das Ventilglied in die Freigabestellung
zu bewegen. Hierdurch können schnelle Schaltzeiten für
das Ventilelement 4 mit klein dimensionierten Betätigungsmitteln 5 erzielt
werden.
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Durch
elektrische Ansteuerung des nachstehend näher beschriebenen
Betätigungsmittels 5 wird zunächst ein
magnetischer Fluss bereitgestellt, der einer in Stellkraftrichtung
S ausgeübten Stellkraft gleichzusetzen ist. Der magnetische
Fluss wird in den kürzeren Schenkel 18 des Kraftumlenkmittels 6 eingekoppelt
und über das Kraftumlenkmittel 6 weitergeleitet.
Der magnetische Fluss wird dabei am längeren Schenkel 19 in
einer Richtung umgelenkt, die parallel zur Flächennormale
auf die Fügefläche 11 bzw. 12 ausgerichtet
ist und dort zur Wechselwirkung mit dem Ankerelement 41 bereitgestellt.
Hierdurch kommt es zu einer zeitweiligen Magnetisierung des Endabschnitts 45 des
Ankerelements 41, die in einer längs der Mittelachse 33 in
Richtung des längeren Schenkels 19 des Kraftumlenkmittels 6 ausgeübten Anziehungskraft
auf das Ankerelement 41 resultiert. Somit findet durch
das Kraftumlenkmittel 6 eine Umlenkung der Stellkraft in
die Bewegungsrichtung B des Ventilglieds 40 statt. Durch
die nunmehr längs der Bewegungsrichtung B wirkende Anziehungskraft werden
die Federelemente 47, 49 deformiert, so dass sich
das Ventilglied 40 aus der dargestellten Sperrstellung
in Richtung des Kraftumlenkmittels 6 in eine nicht dargestellte
Freigabestellung bewegt. Dabei wird der Dichtring 42 von
der Dichtlippe 38 abgehoben und beispielsweise eine kommunizierende
Verbindung zwischen der Ventilkammer 48 und der Strömungskammer 50 freigegeben.
Somit kann das druckbeaufschlagte Fluid beispielsweise aus der Speisekanalausnehmung 14 durch
die Ventilkammer 48 und die Strömungskammer 50 und
von dort aus in den Arbeitskanal 25 abströmen
und zu einem nicht dargestellten, am Arbeitskanal 25 angeschlossenen fluidischen
Verbraucher gelangen. In gleicher Weise kann druckbeaufschlagtes
Fluid ausgehend vom Arbeitskanal 25 über den Verbindungskanal 29 durch das
Ventilelement 4 in der Freigabestellung in die Entlüftungskanalausnehmung 15 abströmen.
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In
der Freigabestellung wirkt das druckbeaufschlagte Fluid im Wesentlichen
gleichmäßig auf die in der Ventilkammer 48 und
der Strömungskammer 50 liegenden Oberflächen
des Ventilglieds 40, so dass sich hieraus keine durch den
Fluiddruck bedingte resultierende Kraft auf das Ventilglied 40 ergibt. Das
druckbeaufschlagte Fluid wirkt auch auf die nach innen in die Ventilkammer 48 bzw.
die Strömungskammer 50 gewandten Oberflächen
der Federelemente 47, 49, die jeweils gleich groß ausgebildet sind,
so dass hieraus ebenfalls keine durch den Fluiddruck bedingte resultierende
Kraft auf das Ventilglied 40 auftritt. Somit ist das Ventilglied 40 auch
in der Freigabestellung frei von resultierenden Kräften, die
durch den Fluiddruck hervorgerufen werden und kann daher als vollständig
druckkompensiert angesehen werden.
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Da
die Federelemente 47, 49 in der Freigabestellung
aus der in den 2 bis 5 dargestellten
Neutralstellung, insbesondere entgegen einer Vorspannkraft, ausgelenkt
werden, stellen sich aufgrund der dabei auftreten Deformationen
Rückstellkräfte ein, die in einem Kräftegleichgewicht
mit den vom Betätigungsmittel 5 hervorgerufenen
Anziehungskräften stehen. Sobald die Anziehungskräfte durch
Abschaltung der Stromzufuhr an das Betätigungsmittel 5 verschwinden,
bewegt sich das Ventilelement 40 aufgrund der Rückstellkräfte
in Richtung der Sperrstellung, wobei der Dichtring 42 wieder
in abdichtende Anlage zur Dichtlippe 38 kommt.
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Das
in der 6 dargestellte Ventilelement 104 weist
einen ähnlichen Aufbau wie das Ventilelement 4 auf,
ist jedoch als 3/2-Wegeventil ausgebildet. Die Federelemente 147 und 149 sind
als Wellmembranen ausgebildet, um einen größeren
linearen Verstellbereich des Ventilglieds 140 längs
der Mittelachse 33 zu ermöglichen. Das Ventilglied 140 umfasst ein
Ankerelement 141, das einen Stützring 143 trägt, der
an einander entgegengesetzten, ringförmigen Stirnflächen
jeweils mit umlaufenden, nutartigen Ausnehmungen versehen ist, die
zur Aufnahme von Dichtringen 142, 153 ausgebildet
sind. Der Stützring ist an seiner radial außenliegenden
Oberfläche mit einer umlaufenden Nut versehen und dient
somit in einer Doppelfunktion auch als Strömungsleitkörper.
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Die
Dichtringe 142 sind zur abdichtenden Anlage an einander
gegenüberliegend angeordneten Stirnflächen der
Dichtlippen 138, 154 ausgebildet. Die Dichtlippen 138, 154 sind
exemplarisch spiegelsymmetrisch zu einer orthogonal zur Mittelachse 33 ausgerichteten,
nicht dargestellten Spiegelebene angeordnet. Der Dichtkörper 130 weist
vorliegend vier Radialstege 134 auf, die an einer Umfangsfläche schneidenartig
profiliert sind, um bei Montage in einen Grundkörper ohne
zusätzliche Dichtmittel abdichtend in der vorgesehenen
Ausnehmung anzu liegen. Zwischen den Radialstegen 134 sind
exemplarisch drei Ringnuten 135, 139, 151 ausgebildet,
die jeweils mit dem Grundkörper einen Ringkanal ausbilden.
In jede der Ringnuten 135, 139, 151 münden
jeweils mehrere als Radialbohrungen ausgeführte Fluideintrittsöffnungen 136 und
Fluidaustrittsöffnungen 137 aus, die die Wandabschnitte 131 und 132 des Dichtkörpers 130 durchsetzen.
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Die
beiden Federelemente 147 und 149 weisen jeweils
gleich große fluidisch wirksame Oberflächen auf,
sodass in der Neutralstellung, wie sie in 6 dargestellt
ist, keine resultierende Kraft auf das Ventilglied 140 einwirkt.
Das Ventilelement 104 kann in gleicher Weise wie das Ventilelement 4 benachbart zu
einem nicht dargestellten Kraftumlenkmittel angeordnet werden, das
zur Übertragung eines magnetischen Flusses vorgesehen ist.
Bei Beaufschlagung des Kraftumlenkmittels mit einem magnetischen Fluss
wird eine magnetische Anziehungskraft auf den als separates Bauteil
ausgebildeten Endabschnitt 145 ausgeübt, der an
dem Ankerelement 141 angebracht ist. Da eine Auslenkung
des Ventilglieds 140 in beide Richtungen längs
der Mittelachse 33 vorgesehen ist, um unterschiedliche
Schaltfunktionen des Ventilelements 104 zu bewirken, ist
der Endabschnitt 145 vorzugsweise als Permanentmagnet ausgebildet,
um vom magnetischen Fluss, der über das Kraftumlenkmittel
bereitgestellt werden kann, entweder angezogen oder abgestoßen
zu werden.
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Bei
Ausübung einer Anziehungskraft auf den Endabschnitt 145 zur
Einnahme einer ersten, nicht dargestellten Schaltstellung für
das Ventilelement 104 bewegt sich das Ventilglied 140 in
Richtung des gegenüberliegend zum Endabschnitt 145 anzuordnenden
Kraftumlenkmittels. Dadurch wird die kommunizierende Verbindung
zwischen der Ventilkammer 148 und der ersten Strömungskammer 150 durch
abdichtende Anlage des Dichtrings 142 an der Dichtlippe 138 gesperrt.
Synchron hierzu wird die kommunizierende Verbindung zwischen der
Ventilkammer 148 und der zweiten Strömungskammer 152 vollständig
freigegeben. Damit kann druckbeaufschlagtes Fluid ausgehend von
der Ringnut 135 durch die Fluideintrittsöffnungen 136 in
die Ventilkammer 148 und von dort aus durch die zweite
Strömungskammer 152 durch die Fluidaustrittsöffnungen 137 in
die Ringnut 151 strömen. Bei Abschaltung der Anziehungskraft
auf den Endabschnitt 145 bewegt sich das Ventilglied 140 aufgrund
der Rückstellkräfte der Federelemente 147, 149 und
der fluidisch wirksamen Flächen selbsttätig zurück
in die in 6 dargestellte Neutralstellung.
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In
einer weiteren, ebenfalls nicht dargestellten Schaltstellung des
Ventilelements 104 bewegt sich das Ventilglied 140 durch
Aufbringung von Abstoßungskräften vom Kraftumlenkmittel weg.
Dadurch wird die kommunizierende Verbindung zwischen der Ventilkammer 148 und
der ersten Strömungskammer 150 freigegeben und
die kommunizierende Verbindung zwischen der Ventilkammer 148 und
der zweiten Strömungskammer 152 gesperrt.
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Bei
dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel weist
das Ventilelement 204 nahezu den gleichen Aufbau wie das
Ventilelement 4 auf. Allerdings entfällt der über
die Endfläche hinausragende Endabschnitt des Ankerelements 241.
An der nunmehr glattflächigen Stirnfläche des
Ankerelements 241 liegt ein Schwenkhebel 255 im
Berührkontakt an, der für eine Umlenkung der vom
Betätigungsmittel 5 bereitgestellten Stellkraft
vorgesehen ist. Der Schwenkhebel 255 ist zumindest in einem
der Stirnfläche des Betätigungsmittels 5 gegenüberliegenden
Abschnitt aus einem magnetisierbaren oder einem permanentmagnetischen
Material hergestellt und kann durch entsprechende elektrische Versorgung
des Betätigungsmittels 5 von diesem angezogen
werden. Hierdurch vollzieht der Schwenkhebel 255 eine Schwenkbewegung
um eine Hebelachse 256, die durch zwei Achsstummel 257 bestimmt
wird. Die Achsstummel 257 sind für eine schwenkbewegliche Lagerung
im nicht dargestellten Grundkörper vorgesehen. Durch die
Schwenkbewegung wird die vom Betätigungsmittel 5 auf
den Schwenkhebel 255 aufgebrachte Stellkraft exemplarisch
um ca. 90 Grad umgelenkt. Hierdurch verschiebt der am Ventilglied 240 anliegende
Arm des Schwenk hebels 255 das Ventilglied 240 linear
in Richtung der Mittelachse 33 aus der dargestellten Sperrstellung
in eine nicht dargestellte Freigabestellung.
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In 8 ist
exemplarisch der Aufbau des Betätigungsmittels 5 dargestellt.
Das elektromagnetische Betätigungsmittel 5 um
fasst einen U-förmigen, aus mehreren Einzelplatten zusammengesetzten
Eisenrückschluss 58, an dessen parallel zueinander ausgerichteten
Schenkeln 60, 61 jeweils aus nicht näher
dargestellten Drahtwindungen aufgebaute elektromagnetische Spulenkörper 62, 63 angeordnet sind.
Die im Wesentlichen zylinderhülsenförmig ausgebildeten
Spulenkörper 62, 63 können mittels
nicht näher dargestellter elektrischer Verbindungsleitungen
mit elektrischer Energie beaufschlagt werden. Die beiden Schenkel 60, 61 des
Eisenrückschluss 58 werden durch einen Verbindungssteg 64 miteinander verbunden,
der einen magnetischen Fluss zwischen den beiden Schenkeln 60, 61 gestattet.
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An
einer dem Verbindungssteg 64 entgegengesetzten Stirnseite 65 der
Schenkel 60, 61 wird bei Beaufschlagung der beiden
Spulenkörper 62, 63 mit elektrischer
Energie ein starkes Magnetfeld bzw. einer magnetischer Fluss bereitgestellt,
der in der Lage ist, eine nicht dargestellte, gegenüberliegend
angeordnete Platte aus magnetisierbarem Material, insbesondere Weicheisen,
derart zu magnetisieren, dass auf diese Platte eine Anziehungskraft
oder Stellkraft S in Richtung des Betätigungsmittels 5 wirkt.
Alternativ kann ein aus magnetisierbarer Material hergestelltes
Kraftumlenkmittel der Stirnseite 65 des Betätigungsmittels 5 gegenüberliegend
angeordnet werden, das in einem festen Abstand zum Betätigungsmittel 5 angeordnet
ist. Die Aufgabe des Kraftumlenkmittels besteht darin, den vom Betätigungsmittel
aufgebrachten magnetischen Fluss verlustarm an einen von der Stirnseite
des Betätigungsmittels beabstandeten Ort weiterzuleiten
und eine Änderung der Kraftrichtung der Stellkraft S vorzunehmen.
Beispielsweise kann durch Umlenkung des magnetischen Flusses mittels
geeigneter Leiter, wie sie in den 2 bis 5 dargestellt
sind, eine Umlenkung der Stellkraftrichtung um ca. 90 Grad erfolgen.
Dadurch kann eine besonders kompakte Anordnung eines schnell schaltbaren
Ventilelements 4 und eines Betätigungsmittels 5 erzielt
werden.
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Aufgrund
der Ausführung des elektromagnetischen Betätigungsmittels 5 mit
zwei durch den Eisenrückschluss 58 magnetisch
miteinander gekoppelten Spulenkörpern 62, 63 kann
das Betätigungsmittel in wenigstens einer Raumrichtung,
insbesondere in Bewegungsrichtung des Ventilglieds, besonders schlank
gestaltet werden, so dass ein mit derartigen Betätigungsmitteln 5 ausgestattetes
Ventilmodul 1 ebenfalls kompakt gestaltet werden kann.
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Aus
dem in der 9 dargestellten fluidischen
Ersatzschaltbild geht schematisch ein Ventilmodul hervor, das im
Wesentlichen den gleichen Aufbau wie das Ventilmodul 1 gemäß den 1 und 2 aufweist,
wobei die baugleich zu dem Ventilelement 4 ausgebildeten
Ventilelemente 301, 302, 303, 304 als
Vollbrückenschaltung verschaltet sind.
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Die
ersten Fluidanschlüsse 310 und 312 des ersten
und des zweiten jeweils als 2/2-Wegeventil ausgeführten
Ventilelements 301, 302 sind mit der Speisekanalausnehmung 320 verbunden,
die in der 9 als P-Anschluss gekennzeichnet
ist. Der zweite Fluidanschluss 311 des ersten Ventilelements 301 und
der erste Fluidanschluss 316 des vierten Ventilelements 304 sind
mit einem ersten Arbeitskanal 321 verbunden, der mit Z1
bezeichnet ist. Der zweite Fluidanschluss 313 des zweiten
Ventilelements 102 und der erste Fluidanschluss 314 des
dritten Ventilelements 303 sind mit einem zweiten Arbeitskanal 322 verbunden,
der mit Z2 bezeichnet ist. Die zweiten Fluidanschlüsse 315 und 317 des
dritten und des vierten Ventilelements 303, 304 sind
mit einer Entlüftungskanalausnehmung 323 verbunden,
die in der 9 mit R bezeichnet ist.
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Aus
der 10 geht hervor, in welcher Weise die in der Vollbrückenverschaltung
angeordneten Ventilelemente 301, 302, 303, 304 unterschiedliche Fluidströmungen
zwischen der Spei sekanalausnehmung 320, der Entlüftungskanalausnehmung 323 und
den Arbeitskanälen 321 und 322 beeinflussen können.
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Beim
Schaltzustand 8.1 sind alle Verbindungen gesperrt. Beim Schaltzustand
8.2 ist eine Verbindung zwischen P und Z1 freigegeben, hierdurch
kann beispielsweise eine erste Zylinderkammer eines fluidischen
Antriebszylinders mit Fluid beaufschlagt werden. Beim Schaltzustand
8.3 ist eine Verbindung zwischen P und Z2 freigegeben, hierdurch
kann beispielsweise eine zweite Zylinderkammer eines fluidischen
Antriebszylinders mit Fluid beaufschlagt werden. Beim Schaltzustand
8.4 ist eine Verbindung zwischen Z1 und R freigegeben, hierdurch
kann beispielsweise eine erste Zylinderkammer eines fluidischen
Antriebszylinders belüftet werden. Beim Schaltzustand 8.5
ist eine Verbindung zwischen Z2 und R freigegeben, hierdurch kann
beispielsweise eine zweite Zylinderkammer eines fluidischen Antriebszylinders
belüftet werden. Beim Schaltzustand 8.6 sind Verbindungen
zwischen P und Z2 sowie zwischen Z1 und R freigegeben, hierdurch
kann beispielsweise eine erste Zylinderkammer eines fluidischen
Antriebszylinders belüftet und gleichzeitig eine zweite
Zylinderkammer des fluidischen Antriebszylinders mit Fluid beaufschlagt
werden. Beim Schaltzustand 8.7 sind Verbindungen zwischen P und
Z1 sowie zwischen Z2 und R freigegeben, hierdurch kann beispielsweise
eine erste Zylinderkammer eines fluidischen Antriebszylinders mit
Fluid beaufschlagt und gleichzeitig eine zweite Zylinderkammer des
fluidischen Antriebszylinders belüftet werden. Beim Schaltzustand
8.8 sind Verbindungen zwischen Z1 und R sowie zwischen Z2 und R
freigegeben, wodurch beispielsweise eine erste und eine zweite Zylinderkammer
eines fluidischen Antriebszylinders belüftet werden können.
Beim Schaltzustand 8.9 sind Verbindungen zwischen P und Z1 sowie
zwischen P und Z2 freigegeben, wodurch beispielsweise eine erste
und eine zweite Zylinderkammer eines fluidischen Antriebszylinders
zeitgleich mit Fluid beaufschlagt werden können.
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Darüber
hinaus können die einzelnen 2/2-Wegeventile 41, 42, 45, 46 durch
getaktete Ansteuerung, insbesondere nach dem Pulsweiten-Modulationsverfahren
(PWM), jeweils in der Art von Proportionalventilen bzw. Stetigventilen
betrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1748238
B1 [0002]
- - DE 10208390 A1 [0003]
- - DE 10315460 B4 [0004]
- - EP 0391269 B1 [0005]