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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zum Steuern einer Fluidströmung.
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Eine Ventileinrichtung kann bspw. zwei relativ zueinander in einer Axialrichtung verstellbare Ventilkörper aufweisen, von denen der eine als Sitzkörper ausgestaltet ist, während der andere als Steuerkörper ausgestaltet ist. Derartige axiale Sitzventile steuern üblicherweise einen kreisförmigen axialen Strömungsquerschnitt. Bei einem axialen Öffnungshub zwischen Sitzkörper und Steuerkörper wird dabei axial zwischen dem Steuerelement und dem Ventilsitz ein ringförmiger, radialer Strömungsquerschnitt geöffnet. Dieser ist zu Beginn der Öffnungsbewegung, also bei kleinem Öffnungshub deutlich kleiner als der an sich mit der Ventileinrichtung zu steuernde axiale Strömungsquerschnitt. Insoweit wirkt die Ventileinrichtung als Drossel. Für eine ungedrosselte Öffnung des axialen Strömungsquerschnitts ist ein vergleichsweise großer Öffnungshub erforderlich, der entsprechend viel Stellzeit benötigt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ventileinrichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen reduzierten Durchströmungswiderstand auch bei kleinem Öffnungshub zwischen Sitzkörper und Steuerkörper auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Sitzkörper mit einem ringförmigen Ventilsitz auszustatten, der einen ringförmigen axialen Strömungsquerschnitt besitzt. Bei einem Öffnungshub zwischen Sitzkörper und Steuerkörper öffnet ein dem Ventilsitz zugeordnetes Steuerelement des Steuerkörpers beim Abheben vom Ventilsitz sowohl den ringförmigen axialen Strömungsquerschnitt sowie einen ringförmigen radialen Strömungsquerschnitt, der sich beim Abheben des Steuerelements vom Ventilsitz zwischen dem Steuerelement und dem Ventilsitz ausbildet. Da der axiale Strömungsquerschnitt ringförmig ausgestaltet ist, also insbesondere keine Kreisfläche ist, erreicht der mit dem Öffnungshub anwachsende radiale Strömungsquerschnitt schon nach einem vergleichsweise kleinen Öffnungshub eine mit dem zu steuernden axialen Strömungsquerschnitt vergleichbare Größe. Dementsprechend wird der Durchströmungswiderstand der Ventileinrichtung, der wesentlich durch das Verhältnis des axialen Strömungsquerschnitts zum radialen Strömungsquerschnitt bestimmt ist, signifikant reduziert. Schon nach einem vergleichsweise kleinen Hub arbeitet die Ventileinrichtung nahezu ungedrosselt.
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Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der Sitzkörper zumindest zwei ringförmige Ventilsitze mit jeweils einem ringförmigen axialen Strömungsquerschnitt aufweisen, die zueinander koaxial und axial versetzt angeordnet sind. Der zugehörige Steuerkörper weist dann zumindest zwei Steuerelemente auf, von denen zumindest eines ringförmig ausgestaltet ist und die zueinander koaxial und axial versetzt angeordnet sind. Durch die beiden ringförmigen axialen Strömungsquerschnitte wird der mit Hilfe der Ventileinrichtung steuerbare Strömungsquerschnitt deutlich vergrößert, ohne dass der Querschnitt der Ventileinrichtung verändert werden muss. Durch den axialen Versatz wird erreicht, dass beim Öffnungshub zumindest zwei ringförmige radiale Strömungsquerschnitte parallel geöffnet werden, so dass auch hier schon nach einem kleinen Öffnungshub in Radialrichtung ein Gesamtströmungsquerschnitt erreicht werden kann, der dem in Axialrichtung vorliegenden Gesamtströmungsquerschnitt entspricht. Diese Kaskade von ringförmigen axialen Strömungsquerschnitten mit Hilfe entsprechender ringförmiger Ventilsitze, die axial zueinander versetzt angeordnet sind, kann auf drei oder mehr Ventilsitze ausgeweitet werden. Hierdurch kann bei gegebenem zu steuernden Strömungsquerschnitt der Öffnungshub, der in radialer Richtung zu einem vergleichbaren Strömungsquerschnitt führt, weiter reduziert werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform, die alternativ oder kumulativ realisierbar ist, kann der Sitzkörper einen zylindrischen Ventilsitz mit axialem Strömungsquerschnitt aufweisen, der zum wenigstens einen ringförmigen Ventilsitz koaxial und axial versetzt angeordnet ist. Der Steuerkörper weist in diesem Fall ein dem zylindrischen Ventilsitz zugeordnetes, scheibenförmiges Steuerelement sowie zumindest ein dem wenigstens einen ringförmigen Ventilsitz zugeordnetes ringförmiges Steuerelement auf, wobei diese Steuerelemente zueinander koaxial und axial versetzt angeordnet sind. Der zylindrische Ventilsitz ist zentral angeordnet und nutzt den zentralen Bereich der Ventileinrichtung zum Steuern eines entsprechenden zentralen axialen Strömungsquerschnitts. Nur dieser innere zentrale Bereich arbeitet wie ein herkömmliches axiales Sitzventil. Da diesem zentralen Bereich jedoch nur noch ein vergleichsweise kleiner axialer Strömungsquerschnitt zugeordnet ist, kann auch hier bei einem kleinen Öffnungshub ein vergleichbarer radialer Strömungsquerschnitt realisiert werden, so dass auch hier ein vergleichsweise kleiner Strömungswiderstand realisierbar ist.
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Die vorstehend genannten Ausführungsformen lassen sich bspw. dahingehend kombinieren, dass der Sitzkörper die zumindest zwei ringförmigen Ventilsitze und den zylindrischen Ventilsitz aufweist, die zueinander koaxial und axial versetzt angeordnet sind. Der Steuerkörper besitzt dann die zumindest zwei ringförmigen Steuerelemente und das scheibenförmige Steuerelement, die ebenfalls zueinander koaxial und axial versetzt angeordnet sind.
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Bei einer anderen Ausführungsform können die Ventilsitze und die Steuerelemente so aufeinander abgestimmt sein, dass sie bei einem Öffnungshub zwischen Sitzkörper und Steuerkörper den jeweiligen axialen Strömungsquerschnitt und den jeweiligen radialen Strömungsquerschnitt gleichzeitig öffnen. Hierdurch wird eine Ventileinrichtung geschaffen, die schon bei einem kleinen Öffnungshub den zu steuernden Strömungsquerschnitt vollständig öffnet.
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Zweckmäßig kann der jeweilige ringförmige Ventilsitz radial innen und radial außen je eine ringförmige Sitzkontur aufweisen, an welcher das zugehörige Steuerelement in der Schließstellung axial anliegt. Hierdurch wird für die Schließstellung eine definierte Relativlage zwischen Sitzkörper und Steuerkörper gewährleistet. Besonders zweckmäßig ist es dabei, das jeweilige Steuerelement mit zwei ringförmigen Dichtungen auszustatten, die in der Schließstellung jeweils mit einer der genannten Sitzkonturen zusammenwirken. Hierdurch wird für die Schließstellung eine ausreichende Abdichtung des zu verschließenden Strömungsquerschnitts realisiert.
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Zwischen Steuerkörper und Sitzkörper kann gemäß einer anderen Ausführungsform eine Vorspannfeder angeordnet sein, welche die beiden Ventilkörper in die Schließstellung oder in die Offenstellung vorspannt. Je nach gewünschter Fail-Safe-Auslegung kann die Ventileinrichtung bei Ausfall eines Stellantriebs selbsttätig die Schließstellung oder die Offenstellung einnehmen. Ebenso ist es mit Hilfe einer derartigen Vorspannfeder möglich, die jeweilige Ventileinrichtung als Druckregelventil zu verwenden, da es abhängig von der daran angreifenden Druckdifferenz öffnet.
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Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei der das jeweilige ringförmige Steuerelement radial innen an einer Außenseite einer zylindrischen Wand axial geführt ist, die radial zwischen zwei benachbarten axialen Strömungsquerschnitten angeordnet ist. Hierdurch wird der Steuerkörper im Bereich seines Steuerelements am Sitzkörper, nämlich an besagter Wand axial geführt, was die Funktionssicherheit der Ventileinrichtung verbessert.
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Der Steuerkörper kann bspw. als hubverstellbarer Kolben ausgestaltet sein, der in einem Ventilgehäuse hubverstellbar angeordnet ist, in dem der Sitzkörper ortsfest angeordnet ist. Durch diese Bauweise kann die Ventileinrichtung besonders einfach in eine die Fluidströmung führende Leitung eingebaut werden.
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Folgende Merkmale können außerdem zusätzlich oder alternativ zu den vorstehend genannten Merkmalen realisiert werden. Die ringförmigen Steuerelemente können über axiale Stege miteinander verbunden sein. Die jeweilige radial innere Sitzkontur kann an einer der axialen Führungswände integral ausgeformt sein. Für die Positionierung und Abstützung der Vorspannfeder kann ein Käfig mit Stützring vorgesehen sein, der bspw. am Steuerkörper oder am Sitzkörper ausgebildet ist. Der Steuerkörper kann eine Druckausgleichsöffnung besitzen, die auch in der Schließstellung einen vorbestimmten Mindestströmungsquerschnitt freigibt. Der Steuerkörper kann abgesehen von Dichtungen integral aus einem Stück hergestellt sein, z. Bsp. durch Spritzguss. Der Sitzkörper kann integral aus einem Stück hergestellt sein, z. Bsp. durch Spritzguss.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 ein halber Längsschnitt einer Ventileinrichtung,
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2 eine längs geschnittene isometrische Teilansicht der Ventileinrichtung,
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3 eine isometrische Ansicht eines Steuerkörpers der Ventileinrichtung,
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4 eine isometrische Ansicht eines Ventilkörpers der Ventileinrichtung.
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Entsprechend den 1 bis 4 umfasst eine Ventileinrichtung 1, mit deren Hilfe eine durch Pfeile angedeutete Fluidströmung 2 gesteuert werden kann, zwei Ventilkörper 3, 4, die in einer parallel zu einer Längsmittelachse 5 der Ventileinrichtung 1 verlaufenden Axialrichtung 6 zueinander verstellbar sind. Der eine Ventilkörper 3 ist dabei als Sitzkörper ausgestaltet, der im Folgenden als Sitzkörper 3 bezeichnet wird. Der andere Ventilkörper 4 ist als Steuerkörper ausgestaltet, der im Folgenden als Steuerkörper 4 bezeichnet wird.
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Der Sitzkörper 3 weist koaxial zur Axialrichtung 6 zumindest einen ringförmigen Ventilsitz 7 auf, der einen ringförmigen axialen Strömungsquerschnitt 8 umschließt. Bei der gezeigten Ausführungsform sind zwei derartige ringförmige Ventilsitze 7 mit ringförmigem axialen Strömungsquerschnitt 8 vorgesehen. Der Steuerkörper 4 weist zum Verschließen und Öffnen des jeweiligen axialen Strömungsquerschnitts 8 zumindest ein Steuerelement 9 auf, das mit dem jeweiligen Ventilsitz 7 zusammenwirkt. Bei einem Öffnungshub parallel zur Axialrichtung 6 zwischen Sitzkörper 3 und Steuerkörper 4 hebt das jeweilige Steuerelement 9 vom jeweiligen Ventilsitz 7 ab und öffnet dadurch den jeweiligen axialen Strömungsquerschnitt 8 sowie einen ringförmigen radialen Strömungsquerschnitt 10, der sich axial zwischen dem jeweiligen Steuerelement 9 und dem jeweiligen Ventilsitz 7 ausbildet. Den beiden ringförmigen axialen Strömungsquerschnitten 8 sind hier somit zwei ringförmigen radialen Strömungsquerschnitten 10 zugeordnet. Schon bei einem in den 1 und 2 wiedergegebenen, relativ kleinen axialen Öffnungshub erreichen die radialen Strömungsquerschnitte 10 eine durchströmbare Gesamtquerschnittsfläche, die im Wesentlichen gleich groß ist wie die Gesamtströmungsfläche der beiden ringförmigen axialen Strömungsquerschnitte 8. Insoweit kommt es innerhalb der Ventileinrichtung 1 in der gezeigten Offenstellung zu keinem Strömungswiderstand, der auf eine Querschnittsdifferenz zwischen axialem Strömungsquerschnitt und radialem Strömungsquerschnitt zurückgeht. Bemerkenswert ist dabei, dass dieser Zustand bereits nach einem vergleichsweise kleinen Öffnungshub erreicht werden kann.
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Im gezeigten Beispiel sind zwei ringförmige Ventilsitze 7 mit ringförmigen axialen Strömungsquerschnitten 8 vorgesehen. Diese sind zum einen zueinander koaxial angeordnet und zum anderen zueinander axial versetzt angeordnet. Es ist klar, dass auch mehr als zwei derartige ringförmige Ventilsitze 7 mit ringförmigen axialen Strömungsquerschnitten 8 vorgesehen sein können, die zueinander koaxial und axial versetzt angeordnet sein können.
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Der Steuerkörper 4 weist für jeden ringförmigen Ventilsitz 7 ein Steuerelement 9 auf, von denen zumindest eines ringförmig ausgestaltet ist. Im hier gezeigten Beispiel sind beide Steuerelemente 9 ringförmig ausgestaltet. Ferner sind die Steuerelemente 9 zueinander koaxial und axial versetzt angeordnet.
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Beim hier gezeigten Beispiel ist der Sitzkörper 3 außerdem mit einem zylindrischen Ventilsitz 11 ausgestattet, der einen weiteren axialen Strömungsquerschnitt 12 umschließt bzw. begrenzt. Dieser weitere axiale Strömungsquerschnitt 12 ist vollflächig, also nicht ringförmig. Bei einem kreiszylindrischen Ventilsitz 11 ist dieser weitere axiale Strömungsquerschnitt 12 kreisförmig. Zur Unterscheidung von den ringförmigen axialen Strömungsquerschnitten 8 wird dieser weitere axiale Strömungsquerschnitt 12 im Folgenden auch als kreisförmiger axialer Strömungsquerschnitt 12 bezeichnet, ohne dass er zwingend kreisförmig sein muss. Der zylindrische Ventilsitz 11 ist nun zum jeweiligen ringförmigen Ventilsitz 7 koaxial und axial versetzt angeordnet. Passend dazu weist der Steuerkörper 4 ein dem zylindrischen Ventilsitz 11 zugeordnetes, scheibenförmiges Steuerelement 13 auf, das zum jeweiligen ringförmigen Steuerelement 9 koaxial und axial versetzt angeordnet ist.
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Auch bei dieser Konfiguration ist es so, dass das scheibenförmige Steuerelement 13 bei einem Öffnungshub zwischen Sitzkörper 3 und Steuerkörper 4 vom zylindrischen Ventilsitz 11 abhebt und dabei den zugehörigen axialen Strömungsquerschnitt 12 sowie einen ringförmigen radialen Strömungsquerschnitt 14 öffnet, der sich während des Öffnungshubs axial zwischen dem scheibenförmigen Steuerelement 13 und dem zylindrischen Ventilsitz 11 ausbildet.
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Bei der hier gezeigten Ausführungsform sind somit insgesamt drei Ventilsitze 7, 11 und drei Steuerelemente 9, 13 vorgesehen, die zueinander koaxial angeordnet sind und außerdem zueinander axial versetzt angeordnet sind, so dass insgesamt eine gestufte Anordnung oder Kaskade von drei benachbarten Ventilsitz-Steuerelement-Paaren 7–9 bzw. 11–13 realisiert ist. Bei anderen Ausführungsformen können auch mehr als zwei ringförmige Ventilsitz-Steuerelement-Paarungen 7–9 vorgesehen sein. Bei einer weiteren Ausführungsform kann auch nur eine einzige solche ringförmige Ventilsitz-Steuerelement-Paarung 7–9 vorhanden sein. Bevorzugt ist jedoch die hier gezeigte Ausführungsform mit zwei ringförmigen Ventilsitz-Steuerelement-Paaren 7–9 und einem scheibenförmigen oder zylindrischen Ventilsitz-Steuerelement-Paar 11–13.
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Die am Sitzkörper 3 ausgebildeten Ventilsitze 7, 11 und die am Steuerkörper 4 ausgebildeten Steuerelemente 9, 13 sind zweckmäßig so aufeinander abgestimmt, dass die Paarungen 7–9 bzw. 11–13 bei einem Öffnungshub zwischen Sitzkörper 3 und Steuerkörper 4 den jeweiligen axialen Strömungsquerschnitt 8, 12 und den jeweiligen radialen Strömungsquerschnitt 10, 14 gleichzeitig öffnen.
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Zweckmäßig kann der jeweilige ringförmige Ventilsitz 7 radial innen und radial außen je eine ringförmige Sitzkontur 15, 16 aufweisen nämlich bezogen auf die Radialrichtung je eine äußere Sitzkontur 15 und je eine innere Sitzkontur 16. An diesen Sitzkonturen 15, 16 kommt das zugehörige ringförmige Steuerelement 9 in der Schließstellung axial zur Anlage. Beim zylindrischen Ventilsitz 11 ist nur eine einzige Sitzkontur 17 vorgesehen, an welcher das scheibenförmige Steuerelement 13 in der Schließstellung axial anliegt.
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Um nun die Dichtungswirkung für die Schließstellung zu verbessern, kann das jeweilige ringförmige Steuerelement 9 jeweils zwei ringförmige Dichtungen 18, die radial voneinander beabstandet sind, oder eine radial durchgehende Dichtung 18 aufweisen. Auch das scheibenförmige Steuerelement 13 kann mit einer derartigen, ringförmigen Dichtung 18 ausgestattet sein. In der Schließstellung können diese Dichtungen 18 dann mit den Sitzkonturen 15, 16, 17 zusammenwirken. Diese Dichtungen 18 wirken dabei axial. Bei einem aus Kunststoff hergestellten Steuerkörper 4 sind die Dichtungen 18 zweckmäßig aus einem geeigneten Dichtungsmaterial an den Steuerkörper 4 angespritzt. Somit kann der Steuerkörper 4 insbesondere zusammen mit den Dichtungen 18 bspw. in der sogenannten Zwei-Komponenten-Technik hergestellt werden, so dass die Dichtungen 18 aus einem anderen Kunststoff bestehen als z. Bsp. die Steuerelemente 9, 13 und der übrige Steuerkörper 4.
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Bei der hier gezeigten Ausführungsform umfasst die Ventileinrichtung 1 außerdem eine Vorspannfeder 19, die zwischen Steuerkörper 4 und Sitzkörper 3 angeordnet ist. Die Vorspannfeder 19 kann als Druckfeder ausgestaltet sein, um die beiden Ventilkörper 3, 4 in die gezeigte Offenstellung vorzuspannen. Ebenso ist es möglich, die Vorspannfeder 19 als Zugfeder auszugestalten, welche die beiden Ventilkörper 3, 4 in die Schließstellung vorspannt. Zum Abstützen der Vorspannfeder 19 am Sitzkörper 3 kann am Sitzkörper 3 ein Käfig 20 ausgebildet sein, der einen Stützring 21 aufweist, an dem die Vorspannfeder 19 abgestützt ist bzw. fixiert ist. Der Stützring 21 bzw. der gesamte Käfig 20 kann dabei integral am Sitzkörper 3 ausgeformt sein.
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Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist am Sitzkörper 3 jeweils zwischen zwei benachbarten axialen Strömungsquerschnitten 8, 12 jeweils eine zylindrische Wand 22 ausgebildet, insbesondere integral am Sitzkörper 3 ausgeformt. Die ringförmigen Steuerelemente 9 sind radial innen jeweils an einer Außenseite einer dieser zylindrischen Wände 22 axial geführt, wodurch letztlich der Steuerkörper 4 am Sitzkörper 3 axial geführt ist. Durch diese Maßnahme wird die Zuverlässigkeit der Ventileinrichtung 1 verbessert.
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Zur Ausbildung der äußeren ringförmigen Sitzkonturen 16 kann an der äußeren zylindrischen Wand 22 ein radial nach außen abstehender Ringkragen ausgeformt sein. Im Unterschied dazu kann die innere zylindrische Wand 22 zur Realisierung der äußeren Sitzkontur 16 eine Ringstufe besitzen.
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Gemäß 1 kann die Ventileinrichtung 1 außerdem ein Ventilgehäuse 23 aufweisen, das eine zylindrische Innenkontur 24 besitzt. Der Steuerkörper 4 ist als hubverstellbarer Kolben ausgestaltet, der in diesem Ventilgehäuse 23 hubverstellbar angeordnet ist. Im Unterschied dazu ist der Sitzkörper 3 ortsfest im Ventilgehäuse 23 angeordnet. Zur Abdichtung des Steuerkörpers 4 gegenüber dem Ventilgehäuse 23 können am Steuerkörper 4 weitere, radial wirkende Dichtungen 25 vorgesehen sein, die an der Innenkontur 24 radial anliegen.
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Im hier gezeigten Beispiel ist der Steuerkörper 4 verstellbar angeordnet, während der Sitzkörper 3 ortsfest ist. Es ist klar, dass bei einer anderen Ausführungsform auch ein stationärer Steuerkörper 4 mit einem verstellbaren Sitzkörper 3 realisierbar ist.
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Im Beispiel ist im Steuerkörper 4, insbesondere im scheibenförmigen Steuerelement 13 eine Druckausgleichsöffnung 26 vorgesehen, durch die ein erster Raum 29 mit einem zweiten Raum 30 kommuniziert. Der Steuerkörper 4 bzw. das scheibenförmige Steuerelement 13 trennt den ersten Raum 29 vom zweiten Raum 30, wobei sich der erste Raum 29 an einer den Strömungsquerschnitten 8, 12 zugewandten Seite des Steuerkörpers 4 befindet, während sich der zweite Raum 30 an einer von den Strömungsquerschnitten 8, 12 abgewandten Seite des Steuerkörpers 4 befindet. Eine derartige Druckausgleichsöffnung 26 ermöglicht es, die Betätigungskräfte zum Verstellen des Steuerkörpers 4 im geschlossenen Zustand gering zu halten und – je nach Auslegung der projizierten wirksamen Druckflächen – sogar zu unterstützen. Der zweite Raum 30 ist über die Dichtungen 25 des kolbenförmigen Steuerkörpers 4 gegenüber einem dritten Raum 31 abgedichtet, der über die mit Hilfe des Steuerkörpers 4 steuerbaren Strömungsquerschnitten 8, 12 mit dem ersten Raum 29 kommuniziert.
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Zur Positionierung der Steuerelemente 9, 13 können diese gemäß den 2 und 3 über Axialstege 27 miteinander verbunden sein. Auf entsprechende Weise kann der Käfig 20 gemäß den 2 und 4 Axialstege 28 aufweisen, mit denen der Stützring 21 mit der inneren Wand 22 des Sitzkörpers 3 verbunden ist.
