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Die Erfindung betrifft ein insbesondere als ein Druckbegrenzungsventil ausgeführtes Ventil für ein Fluid mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Einlass in einer ersten Position durch einen gegen einen Dichtungssitz mit einer ersten Fläche dichtend anliegenden Dichtkörper verschlossen ist, welcher bei Erreichen eines vorbestimmten Öffnungsdrucks entgegen der Rückstellkraft eines Federelements in eine geöffnete zweite Position beweglich ist, in welcher zusätzlich eine zweite Fläche des Dichtkörpers von dem Fluid beaufschlagt ist, sodass der Öffnungsdruck und der Schließdruck eine Druckdifferenz aufweisen.
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Die
JP 9-226342 A hat einen durch eine Federkraft in der geschlossenen Position vorgespannten Kolben mit einer ersten Kolbenfläche sowie einer radial erweiterten zweiten Kolbenfläche. Der Fluiddruck wird durch einen Nebeneinlass zunächst lediglich der ersten Kolbenfläche zugeführt, die sich bei entsprechendem Druck innerhalb des Zylinders entgegen der Federkraft verlagert. Aufgrund dieser Verlagerung wird zugleich ein Haupteinlass in der Zylinderwandfläche freigegeben, sodass das Fluid auch die zweite, erweiterte Kolbenfläche druckbeaufschlagen kann. Hierdurch wird eine Hysterese erzeugt, indem der Öffnungsdruck größer ist als der Schließdruck. Das ausschließlich durch den Haupteinlass eintretende Fluid tritt durch eine Auslassöffnung aus. Als nachteilig erweist sich dabei, dass der Haupteinlass erst nach einer erheblichen Verlagerung des Kolbens entgegen einer zunehmenden Rückstellkraft geöffnet wird. Der Auslass ist hingegen nicht verschließbar, sodass insbesondere bei einer hohen Druckbeaufschlagung entsprechende Anforderungen an die Abdichtung des Haupteinlasses erfüllt werden müssen. Das durch den Nebeneinlass auf die erste Kolbenfläche wirkende Fluid kann nicht abströmen.
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Die
DE 1 650 590 A bezieht sich auf ein Steuerventil mit Hysterese mit einem Steuerkolben, dessen Kolbenstirnfläche dem Steuerdruck ausgesetzt ist und der auf der Gegenseite durch eine Rückstellkraft belastet ist. Der Umschaltpunkt von einer Ruhe- in eine Arbeitsstellung ist dann erreicht, wenn der Steuerdruck so weit angewachsen ist, dass er den Kolben entgegen der anwachsenden Rückstellkraft einer Feder nach links zu schieben vermag. Eine geringfügige Linksbewegung des Steuerkolbens führt aufgrund der Hystereseeinrichtung zu einer vollen Öffnung des Steuerkantenpaares und verhindert gleichzeitig, dass auch eine geringfügige Rechtsbewegung erneut ein Umschalten in der anderen Richtung auslöst. Der Hystereseeffekt ist durch einen im Innern des Steuerkolbens auf der Steuerdruckseite angebrachten Hilfskolben verwirklicht. Dieser Kolben ist in Bezug auf seine relative Lage zur Achse des Steuerkolbens unabhängig. Der Druckraum des Hilfskolbens ist auf der der Steuerdruckseite abgewandten Hilfskolbenseite angeordnet. Der Stift ist derart im Steuerkolben angeordnet, dass er sich bei Druckbeaufschlagung des Hilfskolbendruckraums am Ventilgehäuse abstützen kann. Bei Erreichen der Schaltstellung des Hauptkolbens tritt die Hystereseeinrichtung in Funktion. Bei einer geringfügigen Weiterbewegung des Hauptkolbens werden der Servozylinder und der der Steuerleitung abgewandte Raum des Stifts unter Arbeitsdruck gesetzt. Dadurch wird auf den Stift eine der Differenz von Steuer- zu Arbeitsdruck proportionale Kraft ausgeübt, deren Reaktionskraft den Kolben weiterbewegt. Diese vom Hilfskolben erzeugte zusätzliche Steuerkraft ist nur in Arbeitsstellung des Steuerkolbens wirksam. Damit es also zu einer Rückschaltung von der Arbeits- zur Ruhestellung kommt, muss der Steuerdruck erst wieder um einen Betrag, welcher der Hilfskolbenkraft entspricht, unter den vorher beschriebenen Wert der Umschaltkraft gesenkt werden. Durch diese Schalthysterese wird eine Stabilisierung der Umschaltung erreicht.
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Die
DE 102 20 789 B4 bezieht sich auf eine Druckluftaufbereitungseinrichtung für Kraftfahrzeug-Druckluftanlagen mit einem Druckregler und einem Mehrkreisschutzventil, wobei das Mehrkreisschutzventil mindestens ein Magnetventil mit eigenem Entlüftungsanschluss und für jeden Kreis ein Überströmventil mit begrenzter Rückströmung beinhaltet. Jedes Überströmventil hat eine bewegliche Wand, die einen Anströmraum von einem Rückraum mit Feder abteilt, wobei das Überströmventil eine über das Magnetventil beaufschlagbare Wirkfläche aufweist. Das Magnetventil ist stromlos geöffnet. Demzufolge wirkt sich die vom Kompressor gelieferte, im Druck ansteigende Luft der Zentralbohrung druckmäßig auf die erste Wirkfläche aus. Gleichzeitig gelangt die Druckluft auf die dritte Wirkfläche. Die bewegliche Wand wird in Abhängigkeit der Differenzfläche zwischen diesen Wirkflächen geöffnet.
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Eine Druckluftaufbereitungseinrichtung ist auch aus der
DE 195 44 621 C1 bekannt. In einem gemeinsamen Gehäuse, welches auch unterteilt ausgebildet sein kann, ist ein Druckregler untergebracht. Jeder Kreis besitzt ein Überströmventil mit begrenzter Rückströmung, das eine bewegliche Wand aufweist, die auf einer Feder abgestützt ist. Auf der anderen Seite ist eine Wirkfläche vorgesehen, die anströmseitig von einem Anströmraum beaufschlagt wird, der in dauernder Verbindung zu einer Zentralbohrung für die Verteilung der ankommenden Druckluft steht. Die bewegliche Wand des Überströmventils mit begrenzter Rückströmung weist anströmseitig eine erste und eine zweite Wirkfläche auf, wobei die zweite Wirkfläche in geöffnetem Zustand hinzutritt bzw. ebenfalls beaufschlagt wird.
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Als nachteilig erweist sich beim Stand der Technik der zur Herstellung des Ventils hohe konstruktive sowie fertigungstechnische Aufwand. Beispielsweise sind zur Erzeugung des von dem Öffnungsdruck abweichenden Schließdrucks nach dem Stand der Technik mehrere Einlassöffnungen bzw. Druckzuführleitungen erforderlich. Weiterhin erfordert die beim Stand der Technik vorgesehene umfangsseitige Dichtung die Einhaltung geringer Toleranzen bei der Herstellung. Hierdurch kann insbesondere bei einer Verwendung im Kraftfahrzeug mit den dadurch stark schwankenden Umgebungsbedingungen ein Verklemmen des Dichtkörpers in seinem Zylinder nicht ausgeschlossen werden. Die radiale Abdichtung des kolbenförmigen Dichtkörpers führt außerdem zu erhöhten Reibungskräften, sodass die Öffnung des Ventils verzögert eintritt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, ein einfach zu realisierendes Ventil zu schaffen, welches eine zuverlässige Funktion und ein schnelles Ansprechverhalten aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Ventil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist also ein Ventil vorgesehen, bei dem sich aufgrund des Öffnungsdrucks bei einer Bewegung des Dichtkörpers zwischen der ersten Fläche des Dichtkörpers und dem Dichtungssitz ein das Überströmen des Fluids ermöglichender Spalt, insbesondere Ringspalt, öffnet, durch den das Fluid in eine durch die zweite Fläche begrenzte Druckkammer gelangt. Zusätzlich kann zu dem Einlass auch der Auslass von dem Dichtköper in der geschlossenen Position verschlossen oder zumindest der Durchlass auf ein Minimum entsprechend der im Betrieb auftretenden Leckagen begrenzt sein. Hierdurch wird ein zugleich einfach herstellbares sowie im Betrieb zuverlässiges Ventil geschaffen, bei dem das zugeführte Fluid durch den Spalt in die Druckkammer einströmt. Dadurch wirkt der Fluiddruck zusätzlich auch auf die insbesondere radiale Erweiterung, sodass die so beaufschlagte Fläche wesentlich vergrößert ist. Dabei kann durch die Größe der zweiten Fläche die erzielbare Druckdifferenz bestimmt werden. Aufgrund der somit vergrößerten Gesamtfläche der druckbeaufschlagten Flächen steigt die Öffnungskraft entgegen der Rückstellkraft des Federelements, sodass der Dichtkörper ohne Verzögerung mit zunehmender Geschwindigkeit in seine geöffnete Endposition verlagert wird. Dieser Effekt tritt somit bereits unmittelbar nach einer den Spalt freigebenden Verlagerung ein. Demgegenüber ist beim Stand der Technik zunächst eine Verlagerung entgegen der zunehmenden Rückstellkraft des Federelements erforderlich, sodass eine Verzögerung unvermeidlich ist. Zudem ist erfindungsgemäß nur eine einzige Dichtungsfläche erforderlich, da lediglich ein Einlass vorhanden ist. Insbesondere kann dabei auf eine radiale Abdichtung des Dichtkörpers in dem Zylinder verzichtet werden, sodass der Herstellungsaufwand vermindert ist.
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Das Ventil könnte als eine um eine Schwenkachse bewegliche Klappe, als ein Drehschieber oder dergleichen ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Abwandlung, bei welcher der Dichtkörper als ein von der ersten Position in die zweite Position axial beweglicher Kolben ausgeführt ist. Hierdurch kann auf eine schwenkbare Lagerung verzichtet und die Bauform weiter vereinfacht werden. Zudem kann so ein besonders kompaktes Ventil realisiert werden, welches auch problemlos beispielsweise in ein Gehäuse eines Verdichters integriert werden kann.
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Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn die erste Fläche an einer axialen Stirnfläche des Dichtkörpers angeordnet ist. Hierdurch wird die Dichtung zwischen der ersten, kleinen Fläche und dem Dichtungssitz wesentlich vereinfacht, weil der Dichtungssitz beispielsweise durch einen den Einlass einschließenden ebenen Rand realisiert werden kann. Selbstverständlich kann durch eine Dichtung mit einer entsprechenden Kontur auch ein zusätzlicher Formschluss erreicht und so die Dichtungswirkung verbessert werden.
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In der Praxis ist es zudem besonders Erfolg versprechend, wenn gemäß einer Weiterbildung die beiden Flächen in parallelen Ebenen quer zu einer Zuströmrichtung des Fluids angeordnet sind. Hierdurch wird ein dynamisches Verhalten des Ventils unterstützt, indem die Strömung in Bezug auf die Strömungsrichtung im Einlass zunächst auf die erste Fläche und anschließend auf die zweite Fläche trifft, wobei die Strömungsrichtung parallel zu der jeweiligen Flächennormalen orientiert ist. Die Öffnungsgeschwindigkeit wird dadurch wesentlich erhöht, sodass ein optimaler Schutz vor einem Überdruck erreicht werden kann.
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Der Dichtkörper kann insbesondere bei einer Ausgestaltung als ein Dichtungs- bzw. Hubkolben oder als Drehschieber eine beliebige Geometrie bzw. Querschnittsform aufweisen. Besonders sinnvoll ist es hingegen, wenn der Dichtkörper einen dem Einlass zugewandten ersten Zylinderabschnitt mit der stirnseitigen ersten Fläche sowie einen zweiten, gegenüber dem ersten Zylinderabschnitt radial erweiterten konzentrischen Zylinderabschnitt mit einer kreisringförmigen zweiten Fläche aufweist. Hierdurch wird ein unerwünschtes Kippmoment und die damit verbundene Gefahr einer Verklemmung innerhalb des Zylinders vermieden, indem die Flächen konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dieser Effekt wird durch einen entsprechend, beispielsweise größer als der Durchmesser der ersten Fläche, bemessenen axialen Abstand der Flächen noch weiter verstärkt.
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Grundsätzlich kann auf eine zusätzliche Abdichtung der zweiten Fläche beispielsweise gegenüber der Zylinderinnenwandfläche verzichtet werden, weil die unterstützende und der Federkraft entgegenwirkende Kraft bereits aufgrund der dynamischen Anströmung der zweiten Fläche des Dichtkörpers einsetzt. Darüber hinaus ist es sogar von besonderem Vorteil, wenn die zweite Fläche einen vorbestimmten Durchlass als Leckage gegenüber einer Innenwandfläche der Druckkammer aufweist. Hierdurch kommt es bei einem geringfügigen Überströmen des Fluids durch den Spalt in die Druckkammer, wie es beispielsweise bei einer verschleißbedingten Beeinträchtigung des Dichtungssitzes vorkommen kann, nicht zu einer Druckbeaufschlagung der zweiten Fläche und damit nicht zu einem unerwünschten vorzeitigen Öffnen des Einlasses. Vielmehr verhält sich das Ventil robust gegenüber einer geringfügigen Leckage, die an der zweiten Fläche vorbei dem Auslass zugeführt wird. Entsprechend dem Funktionsprinzip ist das Ventil so gestaltet, dass die Leckage im Ringspalt der zweiten Fläche gegenüber der Innenwandfläche der Druckkammer so groß ist, dass mögliche Leckagen der ersten Fläche des Dichtkörpers abfließen können, sodass ein anderenfalls eintretendes, unbeabsichtigtes Öffnen des Ventil vermieden wird. In der Praxis kann die Leckage bei 20 bar Druck zwischen 0,05 l/min und 1,0 l/min vorgesehen sein, wobei die maximale Leckage des Ventils bei diesem Druck deutlich kleiner bemessen ist als die Förderleistung des Kompressors, da anderenfalls das Ventil nicht mehr öffnet.
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Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Ventil nicht auf eine bestimmte Einlass- oder Auslassgeometrie beschränkt. Dennoch ist es besonders praxisnah, wenn das Ventil genau einen Einlass und genau einen Auslass aufweist, um so eine kostengünstige konstruktive Gestaltung zu erreichen, die mit vergleichsweise einfachen Mitteln realisiert werden kann.
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Bei einer anderen, ebenfalls besonders empfehlenswerten Abwandlung, bei welcher die Rückstellkraft eines Federelements einstellbar ist, kann eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Einsatzzwecke vorgenommen werden, indem beispielsweise eine von außen betätigbare Einstellschraube auf das Federelement wirkt. Hierdurch kann das Ventil auch unabhängig von einem bestimmten Anwendungsbereich als ein universell einsetzbares Ventil angeboten und kostengünstig in großer Stückzahl hergestellt werden.
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Eine besonders Erfolg versprechende Anwendung des Ventils ergibt sich dann, wenn das Ventil als ein Bestandteil eines Luftfedersystems eines Kraftfahrzeugs einem Verdichter als Druckbegrenzungsventil zugeordnet ist. Hierdurch kann bei einer Fehlfunktion des Verdichters ein großer Volumenstrom ohne Verzögerung abgeführt werden, sodass eine Beschädigung weiterer, für die Fahrsicherheit relevanter Systemkomponenten zuverlässig ausgeschlossen werden kann.
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Das erfindungsgemäße Ventil ist gleichermaßen für hydraulische und/oder pneumatische Systeme geeignet und bestimmt, wobei sich Dimensionierungen als besonders praxisnah erweisen, bei welchen der Durchmesser der ersten Fläche zwischen 3 und 7 mm, insbesondere zwischen 4 und 5 mm, und/oder der Durchmesser der zweiten Fläche zumindest 8 mm, insbesondere zwischen 10 und 12 mm, und der Öffnungsdruck ca. 20 bar und der Schließdruck maximal 10 bar betragen, um so eine in der Praxis sinnvolle Druckdifferenz von ca. 10 bar einstellen zu können.
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Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Ventils in
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1 eine geschlossene erste Position;
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2 einen geringfügig geöffneten Einlass, wobei der Auslass durch den Dichtkörper verschlossen ist;
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3 eine vollständig geöffnete zweite Position mit geöffnetem Einlass und Auslass.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ventil 1 insbesondere für Gase in einer Prinzipdarstellung. Das Ventil 1 hat ein Ventilgehäuse 2 mit einem Einlass 3 und einem Auslass 4, wobei der Einlass 3 und der Auslass 4 in der dargestellten ersten Position geschlossen sind. Zu diesem Zweck liegt ein kolbenförmiger Dichtkörper 5 mit einer stirnseitigen ersten Fläche 6 gegen einen Dichtungssitz 7 dichtend an. Der Dichtkörper 5 ist mit einer Federkraft Ff eines Federelements 8, welches mit einer variablen Stellkraft Fs einer Einstellschraube 9 belastbar ist, in der geschlossenen Position vorgespannt, in welcher der Fluiddruck Fp1 wesentlich geringer ist als der Öffnungsdruck. Dabei sind durch den Dichtkörper 5 sowohl der Einlass 3 als auch der Auslass 4 verschlossen, um so eine optimale Abdichtung zu erreichen.
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Sobald der erforderliche Öffnungsdruck erreicht ist, bewegt sich der Dichtkörper 5 unter dem Einfluss des Fluiddrucks Fp1 entgegen der Rückstellkraft Ff des Federelements 8 in die in 2 dargestellte teilweise geöffnete Position. In dieser Position ist lediglich der Auslass 4 von dem Dichtkörper 5 verschlossen. Durch den sich als Ringspalt öffnenden Spalt 10 zwischen der ersten Fläche 6 des Dichtkörpers 5 und dem Dichtungssitz 7 strömt das nicht gezeigte Fluid in eine Druckkammer 11, die durch eine Innenwandfläche 12 des Ventilgehäuses 2 und durch eine zu der ersten Fläche 6 parallele zweite Fläche 13 des Dichtkörpers 5 begrenzt ist. Dadurch wirkt das Fluid mit dem Fluiddruck Fp2 zusätzlich auch auf die als radiale Erweiterung ausgeführte, kreisringförmige zweite Fläche 13, sodass die so beaufschlagte Gesamtfläche wesentlich vergrößert ist. Somit steigt die Öffnungskraft entgegen der Rückstellkraft Ff des Federelements 8 mit der Folge, dass der Dichtkörper 5 ohne Verzögerung mit zunehmender Geschwindigkeit in seine geöffnete, in 3 gezeigte Endposition verlagert wird. Auf diese Weise wird die gewünschte Hysterese als Druckdifferenz zwischen dem Öffnungsdruck und dem Schließdruck erzeugt.
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In dieser in 3 dargestellten Endposition des Dichtkörpers 5 sind sowohl der Einlass 3 als auch der Auslass 4 vollständig geöffnet. Das durch den Einlass 3 einströmende Fluid kann dadurch ungehindert durch den Auslass 4 abgeführt werden. Die entgegengesetzte Bewegung des Dichtkörpers 5 wird mittels des Federelements 8 durch die Federkraft Ff dann eingeleitet, wenn die Summe der Fluiddrücke Fp1 und Fp2 geringer als der Schließdruck und damit wesentlich geringer als der Öffnungsdruck ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 9-226342 A [0002]
- DE 1650590 A [0003]
- DE 10220789 B4 [0004]
- DE 19544621 C1 [0005]
