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Die Erfindung betrifft ein Gasventil, insbesondere für ein Brenngas, mit mindestens einer Ventileinheit, die einen mit einer Gasquelle verbindbaren oder verbundenen Einlassraum und einen mit einem Gasverbraucher verbindbaren oder verbundenen Auslassraum aufweist, wobei diese Räume durch eine von einem Ventilglied gesteuerte Überströmöffnung miteinander verbunden sind, und mit mindestens einem mit der Atmosphäre kommunizierenden Antriebsraum, in dem antriebsmäßig mit dem Ventilglied zusammenwirkende, mindestens einen elektrisch aktivierbaren Aktuator aufweisende Antriebsmittel angeordnet sind und der durch eine zumindest teilweise von einem flexiblen Membranelement gebildete und mit dem Ventilglied bewegungsgekoppelte Abschlusswand gasdicht von dem Auslassraum abgeschottet ist, wobei der Antriebsraum zusätzlich zu der Abschlusswand durch mindestens eine zu der Abschlusswand in Reihe geschaltete und gemeinsam mit der Abschlusswand eine Zwischenkammer begrenzende Trennwand von dem Auslassraum abgetrennt ist.
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Ein aus der
DE 10 2007 040 698 A1 bekanntes Gasventil ist zur Verwendung in Haushaltskochgeräten vorgesehen und verfügt über ein bewegliches Ventilglied, das die Verbindung und somit den Durchfluss zwischen einem mit einer Gasquelle verbundenen Einlassraum und einem mit einem Gasverbraucher in Gestalt eines Gasbrenners verbundenen Auslassraum steuert. Betätigt wird das Ventilglied durch einen Piezoaktuator, der in einem mit der Atmosphäre verbundenen Antriebsraum angeordnet ist, wobei dieser Antriebsraum durch eine als Membran ausgebildete Abschlusswand gasdicht von dem Auslassraum abgeschottet ist. Die Membran ist mit dem Ventilglied bewegungsgekoppelt und macht somit dessen Bewegung mit, so dass eine absolut dichte und verschleißfreie statische Abdichtung zwischen dem Auslassraum und dem Antriebsraum realisierbar ist.
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Bei diesem bekannten Gasventil fehlen Sicherheitsmaßnahmen, um durch Undichtigkeiten der Membran hervorgerufene Beeinträchtigungen zu verhindern. Tritt in der Membran beispielsweise ein Riss auf, kann das Brenngas ungehindert zur Atmosphäre ausströmen und sich dort zu einem zündfähigen Volumen ansammeln.
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Aus der
US 2 222 990 A geht ein Gasventil der eingangs genannten Art hervor, das einen von einer haubenförmigen Abdeckung begrenzten Antriebsraum aufweist, in dem ein Elektromotor untergebracht ist, der zum Öffnen des Ventils auf ein Ventilglied einwirken kann, das durch eine Feder in eine Schließstellung gedrückt wird. Ein Ventilstößel des Ventilgliedes durchsetzt gleitverschieblich eine Führungshülse, die an einer Trennwand fixiert ist, die einen Auslassraum des Ventils von einer Zwischenkammer abtrennt, die auf der entgegengesetzten Seite von einer Membran begrenzt ist, durch die wiederum die Zwischenkammer von dem Antriebsraum abgetrennt ist.
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Die
CH 416 996 A beschreibt ein Gasventil, dessen Ventilglied durch ein aufheizbares Bimetall aktivierbar ist, das in einem zur Umgebung hin abgeschlossenen, in einem Gehäuse ausgebildeten Antriebsraum untergebracht ist. Ein Ventilstößel des Ventilgliedes durchsetzt eine Trennwand des Ventilgehäuses und taucht in den Antriebsraum ein.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gasventil der eingangs genannten Art mit Sicherheitsmaßnahmen auszustatten, durch die schädigende Folgen einer Undichtigkeit der Abschlusswand ausgeschlossen werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass die Zwischenkammer mit dem sich auf der der Abschlusswand entgegengesetzten Seite an die Trennwand anschließenden Auslassraum oder Antriebsraum über lediglich mindestens eine eine Leckageströmung begrenzten Durchsatzes ermöglichende Leckageöffnung ständig fluidisch kommunizierend verbunden ist, wobei der mindestens eine elektrisch aktivierbare Aktuator als Piezoaktuator ausgebildet ist und in dem Antriebsraum auch eine für die Betätigung der Antriebsmittel genutzte Steuerelektronik angeordnet ist.
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Im störungsfreien Normalbetrieb des Gasventils ist der Antriebsraum durch die zumindest partiell als flexibles Membranelement ausgebildete Abschlusswand absolut dicht von der Auslasskammer abgeschirmt, so dass eine Medientrennung vorliegt, die einen direkten Kontakt der Antriebsmittel mit dem Brenngas verhindern. Durch die mindestens eine Leckageöffnung wird gewährleistet, dass in einem Fall, bei dem das Membranelement seiner Abdichtfunktion nicht mehr nachkommen kann, der Volumenstrom des in den Antriebsraum austretenden Brenngases in einem unkritisch niedrigen Bereich liegt.
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Um diese Wirkung zu erzielen, ist die bewegliche Abschlusswand auf wenigstens einer Seite von einer zusätzlichen Trennwand flankiert, die gemeinsam mit der Abschlusswand eine Zwischenkammer definiert. Diese Zwischenkammer steht über die mindestens eine Leckageöffnung in ständiger Fluidverbindung mit demjenigen Raum, also entweder dem Auslassraum oder dem Antriebsraum, der durch die Trennwand von der Zwischenkammer abgetrennt ist. Eine Trennwand befindet sich entweder zwischen dem Antriebsraum und der Abschlusswand oder zwischen dem Auslassraum und der Abschlusswand. Möglich ist aber auch eine Mehrfachanordnung von Trennwänden insbesondere dahingehend, dass die bewegliche Abschlusswand zwischen zwei Trennwänden angeordnet ist und somit zwei Zwischenkammern definiert werden, von denen die eine über mindestens eine Leckageöffnung ständig mit dem Antriebsraum und die andere über mindestens eine weitere Leckageöffnung ständig mit dem Auslassraum kommuniziert.
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Die Antriebsmittel sind elektrisch aktivierbar und enthalten mindestens einen Piezoaktuator. Die Verwendung der Piezotechnik auf der Aktuatorseite hat unter anderem den Vorteil einer relativ geringen Energieaufnahme, so dass bei einem Stromausfall auch ein hilfsweiser Batterie- bzw. Akkubetrieb für eine gewisse Zeit möglich ist. Vorteilhaft ist auch die sehr geringe Wärmeentwicklung eines Piezoaktuators, selbst bei mehrfachem Vorhandensein.
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Direkt in dem Antriebsraum und somit in unmittelbarer Nähe zu den Antriebsmitteln ist eine für die Betätigung der Antriebsmittel genutzte Steuerelektronik angeordnet. Dies ist möglich, weil durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen auch unter ungünstigen Bedingungen keine Explosionsgefahr in dem Antriebsraum auftreten kann. Besonders vorteilhaft ist dies auch dann, wenn außer einer rein elektrischen Verbindung noch andere Interaktionen zwischen den Antriebsmitteln und der Steuerelektronik gewünscht sind, beispielsweise Maßnahmen zur bei der Stellungsregelung der Antriebsmittel genutzten Positionsüberwachung.
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Ein mit der Erfindung verbundener wesentlicher Effekt besteht darin, dass im Falle einer Undichtigkeit des die bewegliche Abschlusswand ganz oder teilweise bildenden Membranelementes ein uneingeschränkter Gasübertritt aus dem Auslassraum in den Antriebsraum verhindert wird. Lediglich eine als Leckageströmung bezeichnete Gasströmung mit sehr begrenztem Durchsatz kann durch die mindestens eine Leckageöffnung hindurch in den Antriebsraum übertreten. Eine solche Leckageströmung, deren Strömungsrate beispielsweise bezogen auf einen Gasdruck von 150 mbar bei etwa 70 Litern pro Stunde liegt, kann sich relativ rasch aus dem Antriebsraum verflüchtigen, so dass sich dort kein zündfähiges Gasvolumen aufstauen kann. Selbst wenn in dem Antriebsraum Funken oder statische Aufladungen auftreten, beispielsweise bedingt durch die Aktivierung der Antriebsmittel und/oder durch eine in dem Antriebsraum untergebrachte Steuerelektronik, können Explosionen oder Brände ausgeschlossen werden.
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Zweckmäßigerweise wird man auch den Antriebsraum zur unmittelbaren Umgebung hin abschirmen, um unerwünschte Zugriffe zu vermeiden. Hierzu kann der Antriebsraum ringsum von entsprechend geformten Wandabschnitten des Gasventils umschlossen sein. Allerdings wird man in diesem Fall vorzugsweise mindestens eine Entlastungsöffnung vorsehen, die eine ständige Verbindung des Antriebsraumes mit der umgebenden Atmosphäre bereitstellt und deren Gesamtquerschnitt größer ist als der Gesamtquerschnitt der mindestens einen Leckageöffnung, so dass sich in dem Antriebsraum kein Brenngas stauen kann, das ansonsten möglicherweise eine Explosion verursachen könnte.
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Das flexible Membranelement kann im Übrigen auch dazu beitragen, die für die Regelung des Gasdurchsatzes durch die Überströmöffnung verantwortliche Regelungskennlinie zu linearisieren, da die Verformungskennlinie des Membranelementes derjenigen der Antriebsmittel, beispielsweise ein Piezoaktuator, quasi überlagert wird.
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Obgleich sich das Gasventil für beliebige, eine Steuerung von Gasströmungen bezweckende Anwendungen eignet, ist es vor allem für den Einsatz in zum Kochen und Backen dienenden Haushaltsgeräten prädestiniert, wo die Möglichkeit besteht, Anwendungsfelder und Komfortfunktionen zu erschließen und zu realisieren, die bisher nur mit Elektrogeräten zu erreichen waren.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Besonders einfach lässt sich die Leckageöffnung realisieren, wenn sie unmittelbar in der Trennwand ausgebildet ist. In diesem Zusammenhang kann in der Trennwand eine Durchgriffsöffnung ausgebildet sein, die von einem Betätigungsabschnitt des Ventilgliedes durchgriffen wird, über das dem Ventilglied die Stellkraft der Antriebsmittel auferlegt wird. Der Betätigungsabschnitt ist insbesondere stößelförmig ausgebildet.
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Vorzugsweise bildet die Durchgriffsöffnung unmittelbar selbst die Leckageöffnung, indem ihr Querschnitt geringfügig größer als derjenige des Betätigungsabschnittes gewählt wird, so dass sich um den Betätigungsabschnitt herum ein insbesondere ringförmiger Spalt ausbildet, der als Leckageöffnung fungiert und gleichzeitig eine reibungsarme oder reibungsfreie Bewegung des Betätigungsabschnittes gewährleistet.
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Die Abschlusswand kann prinzipiell teils flexibel und teils starr ausgebildet sein. Als besonders vorteilhaft wird jedoch eine Bauform angesehen, bei der die Abschlusswand in ihrer Gesamtheit aus einem flexiblen Membranelement besteht. Dieses Membranelement ist dann zweckmäßigerweise im Bereich seines Außenumfanges unter Abdichtung ortsfest fixiert, während es im Bereich seiner Innenumfanges unter Abdichtung am Ventilglied befestigt ist, so dass es dessen Steuerbewegung mitmachen kann.
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Zur Abdichtung der Überströmöffnung verfügt das Ventilglied zweckmäßigerweise über einen im Einlassraum angeordneten Ventilteller, der mit einem ihm zugewandten, die Überströmöffnung umrahmenden und axial orientierten Ventilsitz zusammenwirken kann. Es ist möglich, den Ventilteller und den oben erwähnten Betätigungsabschnitt fest und insbesondere einstückig miteinander zu verbinden. Vorteilhafter wird allerdings eine Entkopplung diese Komponenten dahingehend angesehen, dass es sich bei dem Ventilteller und dem Betätigungsabschnitt um gesonderte Bauteile des Ventilgliedes handelt, die lediglich lose aneinander anliegen, so dass zwischen ihnen keine Zugkräfte, sondern ausschließlich drückende Kräfte übertragbar sind. Diese Entkopplung gestattet es dem Ventilteller, sich unabhängig von etwaigen Lageabweichungen des Betätigungsabschnittes zuverlässig an den Ventilsitz anzulegen. Der Ventilteller hat praktisch die Möglichkeit zum allseitigen Verkippen relativ zum Betätigungsabschnitt.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Längenabmessungen des Betätigungsabschnittes geringfügig kleiner sind als der in der Schließstellung des Ventilgliedes zwischen dem Ventilteller und den Antriebsmitteln vorhandene Abstand. Dadurch liegt ein Spalt vor, der eine unerwünschte Betätigung des Ventiltellers verhindert, falls die Antriebsmittel, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen, minimalen Lageabweichungen ausgesetzt sein sollten.
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Zweckmäßigerweise ist das Ventilglied durch eine Federeinrichtung in eine die Überströmöffnung verschließende Schließstellung vorgespannt. Diese Federeinrichtung befindet sich zweckmäßigerweise in dem Einlassraum, so dass sie direkt auf das Ventilglied einwirken kann.
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Befindet sich die zusätzliche Trennwand zwischen der beweglichen Abschlusswand und dem Antriebsraum, herrscht in der entsprechenden Zwischenkammer normalerweise der gleiche Druck wie im Antriebsraum, das heißt atmosphärischer Druck. Tritt im Falle einer Undichtigkeit des Membranelementes Brenngas aus dem Auslassraum in die Zwischenkammer ein, erhöht dies dort zwar den Druck, gleichwohl wird jedoch durch die Leckageöffnung die Strömungsrate des in den Arbeitsraum übertretenden Brenngases auf einem unkritisch niedrigen Niveau gehalten.
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Im Normalbetrieb des Gasventils kann die Leckageöffnung bei Bedarf als Atmungsöffnung fungieren, so dass ein einwandfreies Verformen des Membranelementes gewährleistet ist und die zum Steuern der Überströmöffnung erforderliche Bewegung des Ventilgliedes durch das Membranelement nicht beeinträchtigt wird.
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Ist die Trennwand zwischen dem Auslassraum und der beweglichen Abschlusswand plaziert, herrscht im störungsfreien Normalbetrieb des Gasventils innerhalb der Zwischenkammer stets im Wesentlichen der gleiche Druck wie im Auslassraum. Im Falle einer Schädigung des Membranelementes wird aber auch hier durch die als Drosselöffnung fungierende Leckageöffnung verhindert, dass ein unerwünscht hoher Brenngasvolumenstrom aus dem Auslassraum in die Zwischenkammer und von dort in den Antriebsraum ausströmt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist damit verbunden, wenn die mindestens eine Ventileinheit eine nach Art einer Baugruppe fest zusammengefügte Ventilpatrone aufweist, die wesentliche Komponenten der Ventileinheit umfasst und die als Baueinheit in einem Grundkörper des Gasventils installierbar ist. Ihr besonderer Vorteil besteht darin, dass eine Funktionsprüfung vor der Endmontage möglich ist und eventuelle Fehlfunktionen schon in einem früheren Stadium ermittelt werden können, in dem noch eine kostengünstige Störungsbehebung möglich ist.
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Die Ventilpatrone umfasst insbesondere ein hülsenförmiges Patronengehäuse, in dem der Einlassraum, der Auslassraum und die mindestens eine Zwischenkammer ausgebildet sind, wobei zweckmäßigerweise auch das Ventilglied einen Bestandteil dieser Ventilpatrone darstellt.
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Das Gasventil kann als Einzelventil mit nur einer Ventileinheit ausgeführt sein, eröffnet jedoch auch die vorteilhafte Möglichkeit der Integration mehrerer Ventileinheiten zum Erhalt eines batterieartigen Aufbaus.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 ein mit nur einer Ventileinheit ausgestattetes Gasventil eines bevorzugten ersten Aufbaus in einem Längsschnitt und bei Einnahme einer Offenstellung,
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2 ein ebenfalls mit nur einer Ventileinheit ausgestattetes Gasventil einer möglichen zweiten Ausführungsform in ebenfalls einer Längsschnittdarstellung, wobei hier die Schließstellung gezeigt ist, und
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3 in einem Längsschnitt ein mit einer Mehrzahl von Ventileinheiten ausgestattetes Gasventil, wobei die Ventileinheiten dem anhand 2 erläuterten Typ entsprechen und wobei die in der linken Bildhälfte abgebildete Ventileinheit die Schließstellung und die in der rechten Bildhälfte abgebildete Ventileinheit eine Offenstellung einnimmt.
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Das insgesamt mit Bezugsziffer 1 bezeichnet Gasventil ist bei den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 mit jeweils nur einer einzigen Ventileinheit 2 ausgestattet, während es in der Ausführungsform der 3 über mehrere individuell betreibbare Ventileinheiten 2 verfügt, die innerhalb des Gasventils 1 batterieartig zusammengefasst sind.
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Soweit im Folgenden keine anderslautenden Angaben gemacht werden, gilt die nachfolgende Beschreibung gemeinsam für alle Ausführungsbeispiele. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die bei dem Gasventil der 3 vorhandenen Ventileinheiten nicht nur wie abgebildet der in 2 gezeigten Bauform entsprechen können, sondern auch der Bauform gemäß 1, wobei selbstverständlich auch gleichzeitig Ventileinheiten unterschiedlicher Bauformen eingesetzt sein können.
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Das Gasventil 1 verfügt über einen beispielsweise block- oder plattenförmigen Grundkörper 3, der die jeweils wenigstens eine Ventileinheit 2 aufnimmt. Gemäß 3 kann ein einstückiger Grundkörper 3 mit gleichzeitig mehreren Ventileinheiten 2 bestückt sein. Allerdings ist auch ein segmentierter Aufbau des Grundkörpers möglich, so dass jeder Ventileinheit ein eigenes Grundkörpersegment spezifisch zugeordnet ist. Gemäß 3 sind die mehreren Ventileinheiten 2 zweckmäßigerweise in Achsrichtung einer insbesondere mit der Längsachse des Grundkörpers 3 zusammenfallenden Aufreihungsachse 4 aneinandergereiht.
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Jede Ventileinheit 2 verfügt über einen Einlassraum 5, der über einen in dem Grundkörper 3 verlaufenden Einlasskanal 6 mit einer nur schematisch angedeuteten Gasquelle 7 verbindbar ist. Bei dem Gasventil der 3 sind die Einlassräume 5 mehrerer und insbesondere sämtlicher Ventileinheiten 2 an einen gemeinsamen Einlasskanal 6 angeschlossen. Auf diese Weise können sämtliche Einlassräume 5 gemeinsam und gleichzeitig mit dem Gas versorgt werden.
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Bei dem durch das Gasventil 1 zu steuernden Gas handelt es sich vorzugsweise um ein Brenngas, beispielsweise Erdgas, wie es in Haushaltsgeräten zur Wärmeerzeugung eingesetzt wird. Alternativ könnte das Gasventil 1 aber auch für die Steuerung anderer Gase eingesetzt werden, beispielsweise auch zu Steuerung von Druckluft.
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Jede Ventileinheit 2 ist mit einem Auslassraum 12 ausgestattet, von dem ein individueller Auslasskanal 13 abgeht, der zu einer Außenfläche des Grundkörpers 3 ausmündet. An jeden Auslasskanal 13 können ein oder mehrere Gasverbraucher 14 angeschlossen werden, beispielsweise Gasbrenner, die beispielsweise in einem nicht weiter abgebildeten Kochfeld eines Herdes zusammengefasst sein können.
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Innerhalb jeder Ventileinheit 2 ist der Einlassraum 2 mittels einer Überströmöffnung 16 mit dem Auslassraum 12 verbunden. Der Überströmöffnung 16 ist ein zu einer vorzugsweise linearen Steuerbewegung 17 antreibbares Ventilglied 18 zugeordnet, das den Fluiddurchgang durch die Überströmöffnung 16 steuert. In einer aus 2 ersichtlichen Schließstellung ist die Überströmöffnung 16 durch das Ventilglied 18 abgesperrt und die Verbindung zwischen Einlassraum 5 und Auslassraum 12 unterbrochen. In einer in 1 exemplarisch gezeigten Offenstellung ist diese Verbindung freigegeben, wobei zu erwähnen ist, dass unterschiedliche Offenstellungen möglich sind, die sich in der Größe des jeweils freigegebenen Strömungsquerschnittes voneinander unterscheiden. Jede Ventileinheit 2 lässt sich nach Art eines Stetigventils oder Proportionalventils betreiben und ermöglicht außer der Schließstellung die stufenlose Vorgabe von Offenstellungen mit voneinander abweichenden Strömungsquerschnitten der Überströmöffnung 16.
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Das bei den Ventileinheiten 2 angewandte Ventilkonzept ist dasjenige eines Sitzventils. Das Ventilglied 2 verfügt über einen Ventilteller 22, der einem die Überströmöffnung 16 umrahmenden Ventilsitz 23 axial gegenüberliegt, wobei er in der Schließstellung an dem Ventilsitz 23 dichtend anliegt und in den Offenstellungen mehr oder weniger weit von dem Ventilsitz 23 abgehoben ist.
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Prinzipiell könnte der Grundkörper 3 unmittelbar das Ventilgehäuse jeder Ventileinheit 2 bilden. Es ist jedoch zweckmäßig, wenn jede Ventileinheit 2 eine in dem Grundkörper 3 angeordnete eigenständige Baugruppe darstellt, die nach Art einer Patrone in den Grundkörper 3 eingesetzt ist und die deshalb im Folgenden auch als Ventilpatrone 65 bezeichnet wird.
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Die Ventilpatrone 65 verfügt zweckmäßigerweise über ein bezüglich dem Grundkörper 3 separates hülsenförmiges Ventilgehäuse 24, das unter Zwischenschaltung einer oder mehrerer es umschließenden ringförmigen Dichtungen 25 in eine als Ausnehmung ausgebildete Aufnahme 15 des Grundkörpers 3 axial eingesetzt ist. Das Ventilgehäuse 24 beinhaltet in axialer Aufeinanderfolge sowohl den Einlassraum 5 als auch den Auslassraum 12, wobei der Einlassraum 5 einer dem Grund der Aufnahme 15 zugewandten Rückseite des Ventilgehäuses 24 zugeordnet ist und über eine rückseitige Öffnung 8 des Ventilgehäuses 24 mit dem Einlasskanal 6 in Verbindung steht.
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Genauer gesagt durchsetzt die Öffnung 8 beim Ausführungsbeispiel eine stirnseitige Rückwand 9 des Ventilgehäuses 24, der mit axialem Abstand zur in der Zeichnung nach oben weisenden Vorderseite hin eine vom Ventilgehäuse 24 umschlossene Zwischenwand 10 mit Abstand vorgelagert ist. Die Zwischenwand 10 hat zweckmäßigerweise die Form einer Ringscheibe und weist eine bevorzugt zentral plazierte axiale Durchbrechung auf, die die Überströmöffnung 16 bildet.
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An der Zwischenwand 16 ist an der dem Einlassraum 5 zugewandten Seite der schon erwähnte Ventilsitz 23 angeordnet, der die Überströmöffnung 16 umrahmt und der Rückwand 9 zugewandt ist. Ihm liegt der Ventilteller 22 axial gegenüber, der beispielsweise scheibenförmig ausgebildet ist und der insbesondere über einen scheiben- oder plattenförmigen Tellerkörper 19 verfügt, der an der dem Ventilsitz 23 gegenüberliegenden Seite mit einem Elastomermaterial 22 beschichtet sein kann. Der Ventilteller 22 befindet sich in dem Einlassraum 5.
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Die Zwischenwand 10 trennt der Einlassraum 5 von dem axial beabstandet angeordneten, ebenfalls von dem Ventilgehäuse 24 umschlossenen Auslassraum 12 ab. Mit dem Auslassraum 12 kommuniziert ein die Seitenwand 29 des Ventilgehäuses 24 durchsetzender Querkanal 30, der eine ständige Verbindung zu dem im Grundkörper 3 verlaufenden Auslasskanal 13 herstellt.
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Auf der der Rückwand 9 axial entgegengesetzten Seite der Zwischenwand 10 ist mit Abstand zu dieser Zwischenwand 10 eine Abschlusswand 28 vorhanden, durch die der Auslassraum 12 ständig gasdicht von einem Antriebsraum 38 abgeschottet ist, in dem sich antriebsmäßig mit dem Ventilglied 18 zusammenwirkende Antriebsmittel 41 befinden. Die Antriebsmittel 41 sind elektrisch aktivierbarer Art und bestehen zweckmäßigerweise aus mindestens einem Piezoaktuator 42.
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Der Antriebsraum 38 schließt sich an der in der Zeichnung nach oben weisenden Vorderseite an das Ventilgehäuse 24 an und ist zum einen begrenzt durch den Grundkörper 3 sowie zum anderen durch eine Abdeckung 57, die den Antriebsraum 38 zur benachbarten Umgebung hin abschirmt. Auf diese Weise ist der Antriebsraum 38 ringsum von Wandabschnitten 3, 57 des Gasventils 1 umschlossen. Allerdings liegt keine gasdichte Begrenzung des Antriebsraumes 38 vor. Vielmehr steht der Antriebsraum 38 mittels einer oder mehreren Entlastungsöffnungen 55 in ständiger Verbindung mit der Atmosphäre, so dass innerhalb des Antriebsraumes 38 Atmosphärenbedingungen herrschen. Es ist ein stetiger Luftaustausch zwischen dem Antriebsraum 38 und der diesen umgebenden Atmosphäre möglich, wobei der Gesamtquerschnitt der Entlastungsöffnungen 55 ausreichend groß ist, um jeglichen Luftstau innerhalb des Antriebsraumes 38 zu verhindern.
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Exemplarisch sind mehrere Entlastungsöffnungen 55 unmittelbar als Wanddurchbrechungen der Abdeckung 57 ausgeführt. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens eine Entlastungsöffnung 55 auch durch mindestens einen zwischen der Abdeckung 57 und dem Grundkörper 3 vorhandenen Zwischenraum gebildet sein.
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Die Abschlusswand 28 besteht vorzugsweise in ihrer Gesamtheit aus einem ringförmigen Membranelement 34, das über flexible und insbesondere elastische Eigenschaften verfügt. Beispielsweise besteht es aus einem dünnen Metall oder vorzugsweise aus einem Material mit gummielastischen Eigenschaften. Das Membranelement 34 ist vollständig gasdicht.
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Das Membranelement 34 ist zweckmäßigerweise innerhalb des Ventilgehäuses 24 angeordnet, wobei es im Bereich seines Außenumfanges radial innen an der bevorzugt kreisförmig konturierten Seitenwand 29 des Ventilgehäuses 24 unter Abdichtung befestigt ist. Hierzu verwendete Befestigungsmittel, beispielsweise ein Klemmring, sind bei 39 angedeutet.
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Radial innen, im Bereich seines Innenumfanges 40, ist das ringförmig ausgebildete flexiblem Membranelement 34 an dem Ventilglied 18 befestigt, so dass es dessen Steuerbewegung 17 mitmacht.
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Abweichend vom Ausführungsbeispiel wäre es auch denkbar, die mit dem Ventilglied 18 bewegungsgekoppelte Abschlusswand 28 nur teilweise als flexibles Membranelement auszubilden und im Übrigen durch mindestens eine starre Komponente zu realisieren. Beispielsweise könnte die Abschlusswand 28 einen zwischen dem Innenumfang 40 und das Ventilglied 18 eingegliederten starren Wandabschnitt aufweisen, der dann aber ebenfalls gasundurchlässig ausgebildet ist.
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Bezogen auf eine mit der Längsachse der Überströmöffnung 16 zusammenfallende und beim Ausführungsbeispiel gleichzeitig die Längsachse der Ventileinheit 2 darstellenden Hauptachse 35, erstreckt sich das ringförmige Membranelement 34 im Wesentlichen in einer zu der genannten Hauptachse 35 rechtwinkeligen Membranebene. Zwischen ihrem Innenumfang und ihrem Außenumfang besitzt das Membranelement zweckmäßigerweise mindestens einen im Querschnitt gesehen ausgewölbten Wandabschnitt, wobei die Auswölbung vorzugsweise von dem Auslassraum 12 wegweist.
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Der radial nach außen orientierte ringförmige Außenbereich 37 des Membranelementes 34 bildet einen bezüglich des Grundkörpers 3 ortsfesten Abschnitt. Im Übrigen ist die Abschlusswand 2 wie erwähnt aufgrund der Flexibilität des Membranelementes 34 entsprechend der Steuerbewegung 17 des Ventilgliedes 18 in die eine oder andere axiale Richtung verformbar.
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Durch eine zweckmäßigerweise vorhandene Federeinrichtung 43 ist das Ventilglied 18 ständig in Richtung der Schließstellung beaufschlagt. Bei deaktivierten Antriebsmitteln 41 drückt die Federeinrichtung 43 den Ventilteller 22 dichtend gegen den Ventilsitz 23. Auf diese Weise ist auch sichergestellt, dass bei einem Funktionsausfall der Antriebsmittel 41 das Ventilglied 18 sicherheitshalber in die Schließstellung bewegt wird.
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Die Federeinrichtung 43 ist vorzugsweise im Innern des Einlassraumes 5 angeordnet. Hier stützt sie sich einenends an dem Ventilteller 22 und andernends an der Rückwand 9 ab.
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Zweckmäßigerweise kooperieren die Antriebsmittel 41 seitens des Ventilgliedes 18 mit einem Betätigungsabschnitt 44 desselben. Dieser Betätigungsabschnitt 44 kann prinzipiell mit dem Ventilteller 22 in einem einzigen Bauteil zusammengefasst sein, ist jedoch beim Ausführungsbeispiel in vorteilhafter Weise ein bezüglich dem Ventilteller 22 separates Bauteil.
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Der bevorzugt nach Art eines Stößels ausgebildete Betätigungsabschnitt 44 durchgreift ausgehend von dem Ventilteller 22 die Überströmöffnung 16 und anschließend die bewegliche Abschlusswand 28, um letztlich mit seinem dem Ventilteller 22 entgegengesetzten Endabschnitt 49 derart in den Antriebsraum 38 hineinzuragen, dass dieser Endabschnitt 49 im Einflussbereich der Antriebsmittel 41 zu liegen kommt.
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Der beim Ausführungsbeispiel die Antriebsmittel 41 bildende Piezoaktuator 42, der zweckmäßigerweise als Piezo-Biegewandler ausgebildet ist, stützt sich an dem Grundkörper 3 ab, wobei eine nur einseitige Fixierung oder, wie beim Ausführungsbeispiel auch eine zweiseitige Fixierung an axial beabstandeten Abstützstellen 50 möglich ist. Der Piezoaktuator 42 überspannt die Aufnahme 15 insbesondere stegartig, wobei er sich auch über den Endabschnitt 49 des Betätigungsabschnitten 44 hinweg erstreckt.
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Im deaktivierten Zustand gemäß 2 nimmt der Piezoaktuator 42 eine im Wesentlichen ungekrümmte Strecklage ein und ermöglicht es auf diese Weise dem Ventilglied 18, sich bis zur Anlage des Ventiltellers 22 an dem Ventilsitz 23 zu verlagern. Auf diese Weise liegt die Schließstellung vor.
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Bei elektrischer Aktivierung biegt sich der Piezoaktuator 42 gemäß 1 durch und drückt auf den Endabschnitt 49, so dass das Ventilglied 18 unter Ausführung einer Steuerbewegung 17 in eine Offenstellung bewegt wird. Je größer die an den Piezoaktuator 42 angelegte Ansteuerspannung ist, um so mehr biegt sich der Piezoaktuator 42 durch und um so weiter hebt das Ventilglied 18 vom Ventilsitz 23 ab. Folglich kann durch Vorgabe der Ansteuerspannung der freigegebene Strömungsquerschnitt und folglich der in der Offenstellung mögliche Gasdurchsatz eingestellt werden.
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Die elektrische Aktivierung des Piezoaktuator 42 wird durch eine an den Piezoaktuator 42 angeschlossene Steuerelektronik 53 bewirkt, die zweckmäßigerweise auch in dem Antriebsraum 38 untergebracht ist. Die Steuerelektronik 53 ist über ein nur schematisch angedeutetes externes Bedienfeld 54 ansteuerbar, über das manuell der angestrebte Betriebszustand eingegeben werden kann.
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Die Steuerelektronik 53 kann in Form mindestens einer Platine aufgebaut sein, die sich in einer zu dem Piezoaktuator 42 parallelen Ebene erstreckt.
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Aufgrund der getrennten Ausgestaltung von Betätigungsabschnitt 44 und Ventilteller 22 liegen diese beiden Komponenten in einem Kontaktbereich 68 nur lose aneinander an. Auf diese Weise können ausschließlich drückende Kräfte zwischen diesen beiden Komponenten übertragen werden. Der Kontaktbereich 68 befindet sich zweckmäßigerweise an einer Außenfläche des Ventiltellers 22.
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Auch zwischen dem entgegengesetzten Endabschnitt 49 des Betätigungsabschnittes 44 und den Antriebsmitteln 41 liegt zweckmäßigerweise ein nur loser Kontakt vor, der entsprechende Kontaktbereich ist bei 69 ausgewiesen.
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Der nur lose Kontakt ermöglicht relative Querbewegungen zwischen den Antriebsmitteln 41, dem Betätigungsabschnitt 44 und dem Ventilteller 22 quer zu der Hauptachse 35, so dass sich diese Komponeten nicht nachteilig beeinflussen können. Beispielsweise ist es dem Ventilteller 22 möglich, sich unabhängig vom Betätigungsabschnitt 44 bezüglich dem Ventilsitz 23 auszurichten und daran in der Schließstellung voll umfänglich dichtend anzuliegen.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn die Längenabmessungen des Betätigungsabschnittes 44 geringer sind als der bei den Kontaktbereichen 68, 69 gemessene lichte Abstand zwischen dem Ventilteller 22 und den Antriebsmitteln 41 im deaktivierten Zustand der Antriebsmittel 41. Dementsprechend liegt bei deaktivierten Antriebsmitteln 41 ein geringfügiges Bewegungsspiel des Betätigungsabschnittes 44 in der Richtung der Steuerbewegung 17 vor bzw. mit anderen Worten ein Luftspalt zwischen einerseits dem Betätigungsabschnitt 44 und andererseits dem Ventilteller 22 und/oder den Antriebsmitteln 41. Diese Maßnahme hat unter anderem den Effekt, dass sich temperaturbedingte und/oder relaxationsbedingte Verformungen der insbesondere als Piezoaktuator 42 ausgebildeten Antriebsmittel 41 nicht unmittelbar in einer auf den Ventilteller 22 ausgeübten Stellkraft äußern und mithin eine die genannte mögliche Verformung kompensierende Entkopplung gegeben ist.
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Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass der Antriebsraum 38 nicht nur von der hermetisch dichten, zumindest teilweise aus einem flexiblen Membranelement 34 bestehenden Abschlusswand 28 von dem Auslassraum 12 abgetrennt ist, sondern zusätzlich auch noch durch eine Trennwand 46, die zu der Abschlusswand 28 in Achsrichtung der Hauptachse 35 in Reihe geschaltet ist. Die Trennwand 46 ist bezüglich dem Grundkörper 3 und dem gegebenenfalls vorhandenen Ventilgehäuse 24 ortsfest angeordnet und bevorzugt insgesamt starr ausgebildet. Die erwähnte Reihenschaltung bedeutet, dass zwischen dem Auslassraum 12 und dem Antriebsraum 38 in der Richtung der Steuerbewegung 17 aufeinanderfolgend die Abschlusswand 28 und die Trennwand 46 angeordnet sind.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 und 2 unterscheiden sich allerdings in der Reihenfolge der Anordnung der Abschlusswand 28 und der Trennwand 46. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 befindet sich die Trennwand 46 zwischen dem Antriebsraum 38 und der beweglichen Abschlusswand 28. Beim Ausführungsbeispiel der 2 befindet sich die Trennwand 46 zwischen der beweglichen Abschlusswand 28 und dem Auslassraum 12.
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In beiden Fallen sind die Trennwand 46 und die bewegliche Abschlusswand 28 in der Richtung der Steuerbewegung 17 mit Abstand zueinander angeordnet, so dass zwischen ihnen eine Kammer ausgebildet ist, die als Zwischenkammer 47 bezeichnet sei. Gemäß 1 ist die Zwischenkammer 47 axial auf der einen Seite durch die Trennwand 46 vom Antriebsraum 38 abgetrennt und axial auf der anderen Seite durch die Abschlusswand 28 vom Auslassraum 12. Beim Ausführungsbeispiel der 2 ist die Zwischenkammer 47 axial einerseits durch die Abschlusswand 28 vom Antriebsraum 38 abgetrennt und axial andererseits durch die Trennwand 46 vom Auslassraum 12.
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Wesentlich bei dieser Anordnung ist, dass die Zwischenkammer 47 in ständiger Fluidverbindung mit demjenigen Raum – also entweder dem Antriebsraum 38 oder der Auslassraum 12 – steht, der durch die Trennwand 46 unmittelbar von der Zwischenkammer 47 abgetrennt ist, sich also auf der der Abschlusswand 28 entgegengesetzten Seite an die Trennwand 46 anschließt. Diese ständig kommunizierende Verbindung zwischen der Zwischenkammer 47 und dem Antriebsraum 38 (beim Ausführungsbeispiel der 1) oder dem Auslassraum 12 (beim Ausführungsbeispiel der 2) wird durch mindestens eine im Folgenden als Leckageöffnung 56 bezeichnete Öffnung gewährleistet, wobei der Begriff Leckageöffnung gewählt wurde, um deutlich zu machen, dass besagte Öffnung einen nur verhältnismäßig geringen Gasdurchsatz zulässt also quasi die Funktion einer Drosselöffnung hat. Die ermöglichte Strömung begrenzten Durchsatzes sei im Folgenden als Leckageströmung bezeichnet.
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Prinzipiell ist die Plazierung der mindestens einen Leckageöffnung 56 beliebig. Besonders vorteilhaft ist jedoch die bei den Ausführungsbeispielen realisierte Ausbildung unmittelbar in der Trennwand 46, so dass durch die Trennwand 46 hindurch eine ständige Fluidverbindung zwischen der Zwischenkammer 47 und dem auf der anderen Seite der Trennkammer 46 liegenden Antriebsraum 38 oder Auslassraum 12 besteht.
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In besonders kostengünstiger Weise ist bei den Ausführungsbeispielen stets nur eine einzige Leckageöffnung 56 vorhanden, die von einem ringförmigen Spalt 58 gebildet ist, der sich konzentrisch um den Betätigungsabschnitt 44 herum zwischen diesem und der Trennwand erstreckt.
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Um mit den Antriebsmitteln 41 kooperieren zu können, durchsetzt der Betätigungsabschnitt 44 gleitverschieblich eine insbesondere zentral angeordnete Durchgriffsöffnung 45 der Trennwand 46. Der Querschnitt der Durchgriffsöffnung 45 ist etwas größer als der Querschnitt des Betätigungsgliedes 44 in dem die Durchgriffsöffnung 45 durchsetzenden Längenabschnitt, so dass sich der erwähnte ringförmige Spalt 58 mit seiner Funktion als Leckageöffnung 56 einstellt.
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Dieser Luftspalt hat nebenbei auch den Vorteil, dass eine äußerst leichtgängige Beweglichkeit des Betätigungsabschnittes 44 in Achsrichtung der Hauptachse 35 gewährleistet ist, unter gleichzeitiger Vermeidung jedweder anhaftender Effekte, die sich nachteilig auf das Ansprechverhalten des Ventilgliedes 18 bei Betätigung durch die Antriebsmittel 41 auswirken könnten.
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Abweichend vom Ausführungsbeispiel könnte jede Ventileinheit auch mehrere Leckageöffnung 56 aufweisen, deren Gesamtquerschnitt dann aber insgesamt so gering ist, dass lediglich die schön erwähnt Leckageströmung begrenzten Durchsatzes möglich ist.
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Der Gesamtquerschnitt der mindestens einen Leckageöffnung 56 ist derart gering bemessen, dass im Falle einer Undichtigkeit des insbesondere aus einem gummielastischen Material bestehenden Membranelementes 34 ein nur geringer Volumenstrom an Gas aus dem Auslassraum 12 in den Antriebsraum 38 übertreten kann. Die Leckageöffnung 56 bildet also einen Strömungsbegrenzer. Der durch sie maximal zugelassene Volumenstrom ist insbesondere wesentlich geringer als die bei maximal freigegebener Überströmöffnung 16 aus dem Einlassraum 5 in den Auslassraum 12 pro Zeiteinheit überströmende Gasmenge. Somit fungiert die Leckageöffnung 56 als Durchflussbegrenzer bzw. Drosselöffnung. Beispielsweise beträgt der Gesamtquerschnitt der mindestens einen Leckageöffnung 56 ein Maß, das bei einem in dem Auslassraum 12 herrschenden Gasdruck von 150 mbar einen maximalen Durchsatz von etwa 70 Litern Gas pro Stunde zulässt. Der vorgenannte Gasdruck ist insbesondere der herrschende maximale Eingangsdruck. Im Zusammenhang mit der Leckageöffnung ist zu bemerken, dass der gesamte Querschnitt der mindestens einen Entlastungsöffnung 55 erheblich größer als der gesamte Querschnitt der mindestens einen Leckageöffnung 56 ist. Dies hat zur Folge, dass bei einer Undichtigkeit der Abschlusswand 28 die pro Zeiteinheit in den Antriebsraum 38 überströmende Gasmenge wesentlich geringer ist als diejenige Gasmenge, die in der gleichen Zeiteinheit aus dem Antriebsraum 38 zur umgebenden Atmosphäre auströmen kann. Somit kann sich innerhalb des Antriebsraumes 38 zu keiner Zeit ein unerwünschtes, in Verbindung mit Brenngas möglicherweise zündfähiges Gasvolumen ansammeln.
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Die Trennwand 46 ist zweckmäßigerweise vergleichbar der Zwischenwand 10 im Innern des Ventilgehäuses 24 angeordnet und innen an der Seitenwand 29 befestigt. Die Durchgriffsöffnung 45 ist hierbei koaxial zu der Überströmöffnung 16 ausgerichtet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ist die Zwischenkammer 47 normalerweise durch die Abschlusswand 28 hermetisch dicht vom benachbarten Auslassraum 12 abgetrennt. Bedingt durch die aufgrund der Leckageöffnung 56 vorhandende ständige Fluidverbindung zwischen der Zwischenkammer 47 und dem Antriebsraum 38, herrscht in der Zwischenkammer 47 normalerweise der gleiche Druck wie im Antriebsraum 38, was üblicherweise der atmosphärische Druck ist. Im Falle einer Undichtigkeit der Abschlusswand 28 kann das Gas aus dem Auslassraum 12 ungehindert in die Zwischenkammer 47 überströmen, wird dann jedoch von der Trennwand 46 größtenteils zurückgehalten und kann nur mit einem unbedenklichen Volumenstrom durch die Leckageöffnung 56 hindurch in den Antriebsraum 38 übertreten.
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Beim Ausführungsbeispiel der 2 liegt durch die Leckageöffnung 56 eine ständige fluidische Verbindung zwischen dem Auslassraum 12 und der Zwischenkammer 48 vor. Somit herrscht normalerweise in der Zwischenkammer 48 der gleiche Druck wie im Auslassraum 12. Im Falle einer Undichtigkeit der Abschlusswand 28 entleert sich zunächst das Gasvolumen aus der Zwischenkammer 48 in den Antriebsraum 38, was jedoch unbedenklich ist, weil das Aufnahmevolumen der Zwischenkammer wesentlich geringer ist als dasjenige des Antriebsraumes 38, so dass die sich in letzterem aufbauende Gaskonzentration unproblematisch ist. Anschließend sorgt die Leckageöffnung 56 dafür, dass aus dem Auslassraum 12 ein nur begrenzter Volumenstrom in die sich anschließende Zwischenkammer 48 und somit auch den aufgrund der beschädigten Abschlusswand 28 mit der Zwischenkammer verbundenen Antriebsraum 38 nachströmen kann.
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Bei den beiden Ausführungsbeispielen ist jeweils nur eine Trennwand 46 mit zugeordneter Leckageöffnung 56 vorhanden. Es ist jedoch prinzipiell möglich, ein und dieselbe Ventileinheit 2 mit gleichzeitig mehreren Trennwänden zu versehen, insbesondere in der in 1 strichpunktiert angedeuteten Weise, bei der die Abschlusswand 28 beidseits von jeweils einer Trennwand 46 flankiert ist und somit quasi eine Kombination der aus 1 und 2 ersichtlichen Bauformen gegeben ist.
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Im Zuge der Realisierung eines mehrere Ventileinheiten 2 aufweisenden Gasventils 1 kann gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 allen Ventileinheiten 2 ein Antriebsraum 38 gemeinsam zugeordnet sein, der sich über sämtliche Ventileinheiten 2 hinweg erstreckt. Dementsprechend kann dann auch eine einzige, beispielsweise wannenförmig gestaltete Abdeckung 57 vorhanden sein, die an dem Grundkörper 3 fixiert ist.
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Wie schon erwähnt, sind zweckmäßigerweise wesentliche Komponenten der jeweiligen Ventileinheit 2 zu einer als Ventilpatrone 65 bezeichneten Baugruppe zusammengefasst, die sich als Einheit in der zugeordneten Aufnahme 15 des Grundkörpers 3 montieren lässt.
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Bestandteile der Ventilpatrone 65 sind bei den Ausführungsbeispielen zumindest das Ventilgehäuse 24, die Zwischenwand 10, die Abschlusswand 28, die mindestens eine Trennwand 46, das Ventilglied 18 und – sofern vorhanden – die Federeinrichtung 43. Somit beinhaltet die Ventilpatrone 65 jedenfalls auch den Einlassraum 5, den Auslassraum 12 und die mindestens eine Zwischenkammer 48.
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Zur Fixierung im Grundkörper 3 kann die Ventilpatrone 65 mit ihrem Ventilgehäuse 24 in die Aufnahme 15 eingepresst sein oder aber durch andere, aus der Zeichnung nicht weiter ersichtliche Mittel, befestigt sein.
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Die Ventilpatrone 65 kann vor dem Einsetzen in den Grundkörper 3 hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit geprüft werden und ermöglicht somit bei festgestellten Fehlern einen wesentlich einfacheren und kostengünstigeren Austausch, als wenn ein Fehler erst nach dem Einbau in den Grundkörper festgestellt würde.
