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Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Druckbegrenzungsventil, mit einer elektromagnetischen Spule, durch deren Magnetkraft ein Anker axial in einem Polrohr verschiebbar ist, wobei der Anker auf ein Betätigungselement für ein Ventilelement wirkt, das in einem Ventilgehäuse axial verschiebbar geführt ist und das in einer Öffnungsstellung eine fluidführende Verbindung zwischen einem Fluideingang und einem Fluidauslaß freigibt, und in einer Sperrstellung die dahingehend fluidführende Verbindung sperrt.
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In hydraulischen Anlagen werden Druckbegrenzungsventile dazu verwendet, den Systemdruck auf eine bestimmte, vorgegebene Druckhöhe zu begrenzen. Wird dieser vorgegebene Wert erreicht, so spricht ein Druckbegrenzungsventil an und leitet den überschüssigen Volumenstrom, also den Differenzstrom zwischen einem von einer Druckmittelpumpe erzeugten Druckmittelstrom und einem für einen Verbraucher benötigten Druckmittelstrom, zu einer Tankseite hin gerichtet zurück. Neben vorgesteuerten Druckbegrenzungsventilen, auf die an dieser Stelle nicht mehr näher eingegangen werden soll, gibt es auch sog. direkt gesteuerte Druckbegrenzungsventile, die von der dynamischen Seite her gesehen wie ein Feder-Masse-System wirken, das in Bewegung gesetzt Schwingungen ausführt. Diese Schwingungen wirken sich auf den anstehenden Fluiddruck aus und müssen durch eine Dämpfung entsprechend kompensiert werden. Dabei werden die Impulskräfte des Fluidstromes dazu genutzt, dass die Zunahme der Federkraft im Betrieb des Ventils nahezu ausgeglichen ist.
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Um über den gesamten Druckbereich eine flache Δp-Q-Kennlinie zu erhalten (möglichst geringe Druckerhöhung bei zunehmendem Volumenstrom), kann der gesamte Druckbereich in Druckstufen unterteilt sein. Der maximal einstellbare Druck an dem Druckbegrenzungsventil ergibt sich dabei aus der maximalen Magnetkraft und der druckwirksamen Fläche des Ventilsitzes. Es ist bei einer Vielzahl von Ausführungsformen dahingehender Ventile im Stand der Technik bekannt, zur Ansteuerung des Ventilelementes ein elektrisch ansteuerbares Magnetsystem mit Betätigungsspule vorzusehen.
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Bei einer Art an bekannten Lösungen, wie sie auf dem Markt angeboten werden, erfolgt eine direkte Anbindung des Ventilelementes in Form eines Schließkeils mit beispielsweise konisch zulaufendem Schließkegel an das meist stangenförmige Betätigungsteil des Magnetsystems, was jedoch im Betrieb des Ventils zu Instabilitäten führen kann aufgrund der Massenträgheit des Magnetankers in Form des Betätigungsteils. Darüber hinaus führt die entstehende Reibung zwischen Betätigungsteil und Ventil-Schließelement zu erhöhter Hysterese beim Betrieb des Ventils. Zudem weisen die bekannten Druckbegrenzungsventile eine nicht minimierte Anzahl an Bauteilen auf, so dass sie in Bezug auf Herstellung und Montage nicht optimiert sind.
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Aus der
DE 41 41 546 A1 geht ein Elektromagnetventil hervor, bei dem eine Ventilnadel mit einem Magnetanker gekoppelt ist.
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Die
DE 10 2007 000 205 A1 zeigt ein elektromagnetisches Antriebsgerät auf, bei dem ein Ventilelement und der Anker einstückig ausgeführt sind. Das Ventilelement ist in einer Führung gehalten. Der Anker ist endseitig von einer Druckfeder beaufschlagt.
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Die
DE 196 00 790 A1 offenbart ein Elektromagnetventil, bei dem zwischen einem Hülsenkörper und einem Magnetanker eine Druckfeder vorgesehen ist, um ein Ventilschließglied in eine Schließstellung zu drücken, wenn der Magnet nicht bestromt ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ventillösungen dahingehend weiter zu verbessern, dass zum einen ein stabiles Steuerverhalten gewährleistet sowie ein niedriger Herstell- und Montageaufwand erforderlich ist.
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Eine dahingehende Aufgabe löst ein Ventil mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
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Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 das Ventilelement und das Betätigungselement einstückig ausgebildet sind, ist ein Druckbegrenzungsventil vorgeschlagen, das konstruktiv sehr einfach aufbaut und aufgrund seiner geringen Teilezahl einen geringen Herstell- und Montageaufwand erfordert. Das von dem Anker betätigte Betätigungselement, welches axial unter der Wirkung der Magnetkraft der elektromagnetischen Spule des Ventils verschoben werden kann, ist derart verlängert und geformt, dass es gleichzeitig das die jeweilige Schaltstellung des Ventils bestimmende Ventilelement ist. Es ergibt sich dadurch zudem ein Ausschluß der Reibung zwischen dem Betätigungselement und dem Ventilelement, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Das Ventil ist in Sitzbauweise ausgebildet, indem das Betätigungselement, das gleichzeitig Ventilelement ist, an seinem, dem Anker gegenüberliegenden Ende ein Schließteil aufweist, das mit einer Anlagefläche an dem Fluideingang des Ventils anliegt. Vorzugsweise ist dieses Schließteil oder dieser eine Schließfunktion des Ventils übernehmende Teil des Betätigungselementes als konisch zulaufende Spitze ausgebildet. Das Betätigungselement läßt sich besonders einfach als Stift mit gleichbleibendem Außendurchmesser ausbilden. Es kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Ventils mit einem Führungselement in dem Ventilgehäuse ausgeführt sein. Das Führungselement ist dabei in einem Bereich des Ventilgehäuses angeordnet, der keine fluidführende Funktion aufweist, jedoch so nahe als möglich an der Anlagefläche an dem Fluideingang liegt. Dadurch sind dynamische Effekte auf den zu steuernden Druckmittelstrom, hervorgerufen durch Schwingungen des Ventilelements, vermieden.
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Durch die geringe Masse des Betätigungselementes, das die Funktion des Ventilelementes mit übernimmt, ist die Funktion in deutlich geringerem Maße von der Massenträgheit des Magnetankers und des Betätigungselementes, welche in ihrer Gesamtheit die Steuerung des Ventils übernehmen, beeinflußt als bei den bekannten, beschriebenen Lösungen.
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Es ist eine Druckfeder vorgesehen, die als Kraftspeicher dient, um das Betätigungselement entgegen der Kraft des Ankers bei Fluideintritt über den Fluideinlaß sicher abzuheben. Ein sicheres Abheben des Schließteils oder Schließbereiches des Betätigungselementes ist dadurch ermöglicht. Eine entsprechende Spielpassung zwischen dem Führungselement und dem Ventilgehäuse trägt zu einem sicheren Abheben des Schließbereichs des Betätigungselementes zudem mit bei. Das Führungselement ist zur Vereinfachung der Montage des Ventils formschlüssig lösbar mit dem Betätigungselement verbunden, stellt also insoweit ein eigenständiges Bauteil des Ventils dar.
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Das Druckbegrenzungsventil kann in einem Wegeventil, insbesondere in einem 2/2-Wegeventil integriert sein. Dabei übernimmt das Betätigungselement sowohl die Aufgabe der Darstellung der Schaltstellung des Wegeventils als auch die Druckbegrenzungsfunktion.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Ventil als Proportional-Druckbegrenzungsventil ausgebildet.
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Im folgenden wird das erfindungsgemäße Ventil anhand eines Ausführungsbeispiels nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die einzige Figur einen Längsschnitt durch ein Ventil in Form eines Proportional-Druckbegrenzungsventils als 2/2-Wegeventil und den Gegenstand der Figur in gängigen Ventilschaltsymbolen.
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In der Figur ist in einem schematischen Längsschnitt ein als 2/2-Wegeventil
18 ausgebildetes Ventil
1 gezeigt, in das eine Druckbegrenzungsfunktion integriert ist. Das Ventil
1 mit direkt gesteuerter Proportional-Druckbegrenzungsfunktion in Sitzausführung weist eine elektromagnetische Spule
2 auf, die einen kolbenförmigen Anker
3 in der Lage ist axial in einem Polrohr
4 zu verschieben. Dahingehende Magnetsysteme zum Ansteuern von Ventilen sind im Stand der Technik (
DE-AS 25 28 873 ) hinreichend bekannt und beschrieben. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das derart gebildete Magnetsystem als sog. drückender Magnet ausgebildet, der im bestromten Zustand den Anker
3 und ein mit dem Anker
3 verbundenes, stangenförmiges Betätigungselement
5 in Blickrichtung auf die Figur gesehen nach unten drückt. Im unbestromten Zustand wird der Anker
3 und das Betätigungselement
5 durch einen Kraftspeicher
16 in Form einer Druckfeder wieder zurückgestellt, wobei der dahingehende Funktionsablauf im Folgenden noch näher beschrieben wird.
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Das Gehäuse 19 des Magnetsystems ist in der Art einer Einschraubpatrone ausgeführt und weist entlang der Längsachse 20 des Ventils 1 eine Bohrung 21 auf, die von dem Betätigungselement 5 durchragt wird. Die Bohrung 21 erweitert sich in einem Durchmessersprung und weist ein Innengewinde 22, beginnend mit dem Durchmessersprung auf. in das Innengewinde 22 ist ein zylinderartiges Ventilgehäuse 7 mit seinem Außengewinde eingeschraubt. Das Betätigungselement 5 ist weitestgehend durch das Ventilgehäuse 7 geführt und endet mit seinem, dem Anker 3 abgewandten, gegenüberliegenden Ende in ein spitzkonisch sich verjüngendes Schließteil 12. Das Schließteil 12 hat die Funktion eines Ventilelementes 6, wie es im Stand der Technik bei Sitzventilen bereits hinreichend beschrieben ist, und ist einstückig mit dem Betätigungselement 5 ausgeführt.
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Bei bestromter elektromagnetischer Spule 2 kommt es zur dichtenden Anlage an einer in der Art eines Einlaufkonus ausgebildeten Anlagefläche 13 an einem fluideingangsseitigen Ende des Ventilgehäuses 7. Der Einlaufkonus schließt dabei einen zentral mittig in dem Ventilgehäuse 7 angeordneten Fluideingang 9. Ein Fluidauslaß 10 ist in der Art einer Querbohrung ausgebildet, die die Ventilgehäusewandung des Ventilgehäuses 7 durchgreift. Der Fluidauslaß 10 ist beidseitig in die Ventilgehäusewandung eingelassen und die Längsachse 23 des Auslasses 10 steht quer zu der Längsachse 20 des Ventilgehäuses 7. Das Betätigungselement 5 steuert somit zum einen in Abhängigkeit von der Stärke der Bestromung der elektromagnetischen Spule 2 den Öffnungsdruck an dem Fluideingang 9 und zum anderen kann es als Steuerkolben dienen und die fluidführende Verbindung 8 zwischen dem Fluideingang 9 und den beiden diametral zur Längsachse 20 einander gegenüberliegend angeordneten Fluidauslässen 10 steuern, indem eine Sperrstellung oder eine zunehmend geöffnete Stellung eingenommen wird.
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Somit ist das Ventil 1 als 2/2-Wegeventil mit integrierter Druckbegrenzungsfunktion anzusehen. Das Betätigungselement 5, das in der Art einer Stange mit im wesentlichen konstantem Außendurchmesser A über seine axiale Länge L gebildet ist, ist mit Hilfe eines Führungselementes 15 an der Innenwand des Ventilgehäuses 7 radial geführt. Das Führungselement 15 ist in der Art einer zylindrischen Hülse ausgebildet und mit Spielpassung um das Betätigungselement 5 herum angeordnet. Ferner ist es mit einer Spielpassung in dem Ventilgehäuse 7 geführt, so dass es drucklos gelagert ist, da auch seine Rückseite, die dem Anker 3 zugewandt ist, von Fluid umströmt sein kann.
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Zwischen einer die Anlagefläche 13 für das Schließteil 12 des Ventilgehäuses 7 bildenden Abschlußplatte 24 und dem Führungselement 15 ist eine, den Kraftspeicher 6 bildende Druckfeder 17 angeordnet. Die Druckfeder 17 ist bevorzugt als zylindrische Schraubendruckfeder ausgebildet und gewährleistet mit ihrer gegen den drückend wirkenden im Sinne von die fluidführende Verbindung 8 schließenden Anker 3 gerichteten Federkraft ein sicheres Abheben des Schließteils 12 oder des Schließbereiches des Betätigungselementes 5 von der genannten Anlagefläche 13 des Ventilgehäuses 7. Somit ist ein Sitzventil 14 gebildet, das ohne Hemmnisse im Betrieb eine Druckbegrenzungsfunktion und eine Schaltfunktion imstande ist auszuführen. Die Druckfeder 17 ist von ihrer Steigung her und vom Drahtdurchmesser derart gewählt, dass sie selbst bei fast vollständigem Verschluß der fluidführenden Verbindung 8 vom Fluideingang 9 zum Fluidauslaß 10 und umgekehrt gut durchströmbar ist.
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Das Führungselement 15 für das Betätigungselement 5 wird von der Druckfeder 17 gegen einen Sprengring 25 gedrückt und gehalten. Der Sprengring 25 dient als Axialanschlag und ist in eine Umfangsnut 26 in dem Betätigungselement 5 eingespannt. Auf diese Weise ergibt sich eine Doppelfunktion der Druckfeder 17 nämlich zum einen als Halteelement für das Führungselement 15 und zum anderen zur Sicherstellung einer feineinstellbaren Schaltstellung des Betätigungselementes 5 als Steuerkolben des Ventils 1. Dies stellt eine weitere konstruktive Maßnahme zur Vereinfachung des Aufbaues des Ventils dar.
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Eine ähnliche Sprengringverbindung ist zwischen dem Betätigungselement 5 und dem Anker 3 vorgesehen. Der Anker 3 weist hierfür eine Sacklochbohrung 27 auf, die axial mittig im Anker 3 angeordnet mit einer Öffnung zu dem Betätigungselement 5 weist. Die Sacklochbohrung 27 weist wiederum eine Innenumfangsnut 28 auf, in die ein Sprengring 29 eingelegt ist. Der Sprengring 29 ragt radial in die Sacklochbohrung 27 hinein und in eine Außenumfangsnut 30 des Betätigungselementes 5. Die Außenumfangsnut 30 weist eine etwa 3-fach so große axiale Erstreckung wie die Dicke des Sprengringes 29 auf, so dass das Betätigungselement 5 mit dem Anker 3 in einer Art Totgangkupplung mit axialem Freiheitsgrad verbunden ist.
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In der in der Figur gezeigten voll geöffneten Schaltstellung des Ventils 1 liegt der Sprengring 29 an einer unteren Flanke 31 der Außenumfangsnut 30 an dem Betätigungselement 5 durch die Federkraft der Druckfeder 17 an. Bei einer Betätigung der elektromagnetischen Spule 2 ist der Anker 3 somit in der Lage, seine drückende Kraft unmittelbar über den Sprengring 29 auf das Betätigungselement 5 auszuüben. Es lassen sich mit dem Anker 3 in Abhängigkeit von der Stärke des elektrischen Stromes an der Spule 2 über eine Direktansteuerung Druckwerte vorgeben. Bei einem Überschreiten der Druckwerte an dem Sitzventil 14 entgegen der Kraft des Magnetsystems hebt das Schließteil 12 von der Anlagefläche 13 ab und die fluidführende Verbindung 8 von dem Fluideingang 9 zu dem Fluidauslaß 10 wird zusehends freigegeben. In umgekehrter Kraftrichtung kann dann bei abfallendem Fluiddruck am Fluideingang 9 das Ventil 1 über das Schließteil 12 wieder geschlossen werden.
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Das Gesamtventil 1 ist in konstruktiver Sicht gesehen schlank aufbauend, was insbesondere auch durch den Wegfall eines von dem Betätigungselement 5 überlicherweise getrennt ausgebildeten Ventilelementes hervorgerufen ist. Eine Buchse 32 zur Anbindung an einen nicht näher gezeigten Stecker ist an dem dem Ventilgehäuse 7 abliegend gegenüberliegenden Ende des Ventils 1 ausgebildet. Die Radialerstreckung der Buchse 32 ist in etwa so groß wie der größte Durchmesser des Ventils 1. Die Buchse 32 dient zur Zufuhr von gesteuerter Spannung zu der elektromagnetischen Spule 2. Das Ventilgehäuse 7 weist zwei beabstandete Dichtelemente 33 in Form von O-Ringen auf. Die O-Ringe sind in Umfangsnuten am Außenumfang des Ventilgehäuses 7 angeordnet, wobei das Ventilgehäuse 7 an der dem Fluideingang 9 nächstliegenden Außenumfangsnut einen geringen Außendurchmesser aufweist als an der beabstandeten, zweiten Außenumfangsnut.
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Das erfindungsgemäße Ventil 1 arbeitet sehr funktionssicher, baut konstruktiv klein auf und kommt mit wenig Bauteilen aus, was die Herstellungskosten senkt. Das Ventil 1 läßt sich zeitlich lang andauernd einsetzen, so dass nur ein geringer Wartungsaufwand nötig ist. Das Ventil 1 eignet sich insbesondere für kleinere Volumenströme. Es läßt sich zur Direktsteuerung von Verbrauchern einsetzen und zudem für Vorsteueraufgaben in vorgesteuerten Druckbegrenzungs- und Druckregelsystemen.
