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Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Durchflussregelung von flüssigen oder gasförmigen Medien, mit einem Magnetantrieb und einem darin in einer Axialrichtung bewegbar angeordneten Kern zum Öffnen und Schließen eines Ventilsitzes.
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Bei derartigen Ventilen, bei denen nicht nur eine Auf/Zu-Funktion gefragt ist, muss das Stellglied innerhalb des Maximalhubs im Kernführungsrohr zuverlässig reproduzierbar und schnell jede gewünschte Position einnehmen können. Bei diesem Vorgang ist auftretende Reibung und der daraus resultierende „Stick-Slip”-Effekt, bei größerer Haftreibung im Vergleich zur Gleitreibung, besonders störend: Eine zuverlässige Regelung des Durchflusses ist dann nicht mehr gewährleistet.
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Deshalb besteht ein Interesse an Ventilen, in denen die Stellglieder reibungsfrei mittels eines Aktors bewegt werden können. Eine bekannte Möglichkeit ist die Verwendung von Flachfedern als Führungselemente.
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Aus der
EP 1 536 169 A1 ist ein Regelventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem der Kern an seinen beiden Enden mittels zweier Flachfedern mit minimalem Radialspiel im Kernführungsrohr über den gesamten Hub berührungslos und somit reibungsfrei geführt wird.
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Mit der Elimination der Reibung geht allerdings auch eine Reduzierung der Dämpfung des schwingungsfähigen Systems Ventilanker/Flachfedern einher; dieses ist daher leichter zu Schwingungen anregbar. Solche Anregungen können z. B. von Schallwellen kommen, die bei höheren Drücken hinter dem Ventilsitz entstehen, wo sich das Gas entspannt und es in der Regel zu Verdichtungsstößen kommt. Wenn diese Schallwellen an stromabwärts (außerhalb des Ventils) befindlichen Strömungswiderständen (Drosseln, Leitungsverbindungen etc.) teilweise reflektiert werden, kann es zu Resonanzen und damit verbundener Anregung von unerwünschten Schwingungen des Kerns kommen. Eine Regelung des Durchflusses ist dann nicht mehr möglich.
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Die
DE 34 39 378 A1 zeigt ein elektromagnetisches Druckregelventil, bei dem in einem ringförmigen Spulenkörper ein Anker axial zwischen zwei vorgespannten Blattfedern angeordnet ist. Der Anker ist auf einer Achse befestigt, auf der ein Verschlussglied sitzt. Zur axialen Sicherung der ersten Blattfeder ist eine Tellerfeder vorgesehen. Durch die Vorspannung der Tellerfeder wird nicht nur die erste Blattfeder, sondern auch der Spulenkörper und die zweite Blattfeder gegen den der zweiten Blattfeder gegenüberliegenden Gehäuseteil gedrückt. Im stromlosen Zustand des Elektromagneten wird durch die Kraft der vorgespannten Blattfedern das Verschlusselement in den Ventilsitz gedrückt.
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Aus der
DE 102 22 218 A1 ist ein Magnetventil mit zwei definierten Schaltstellungen bekannt, die oszillierend mit variablen Zeitanteilen eingenommen werden. Zwei voneinander beabstandete Flachfedern dienen dazu, den Magnetanker des Ventils an der Polplatte zu halten.
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In der
DE 23 03 450 A ist ein insbesondere als Vorsteuerventil ausgelegtes Magnetventil gezeigt, bei dem zwei Flachfedern dazu dienen, den als Magnetscheibe ausgebildeten Verschlusskörper im Ventilkörper zu halten. Die beiden Flachfedern sind in definiertem Abstand voneinander angeordnet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Ventil zur Verfügung zu stellen, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist.
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Das erfindungsgemäße Ventil zur Durchflussregelung von flüssigen oder gasförmigen Medien umfasst einen Magnetantrieb und einen darin in einer Axialrichtung bewegbar angeordneten Kern zum Öffnen und Schließen eines Ventilsitzes. Zur Führung des Kerns sind an einem axialen Ende des Kerns mindestens zwei aufeinander gestapelte Flachfedern angeordnet. Die mindestens zwei Flachfedern sind sich nicht überdeckend aufeinander gestapelt, sodass eine Dämpfung erreicht wird, die einer Schwingungsanregung des Kerns entgegenwirkt.
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Die Flachfedern dienen der Kernführung und stellen dessen reibungsfreie Bewegung im Kernführungsrohr sicher. Ein Kippen des Kerns ist somit ausgeschlossen. Natürlich kann auch ein Federstapel aus mehr als zwei Flachfedern verwendet werden.
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Stapelt man identische Flachfedern sich vollständig überdeckend übereinander, so verändert die Anzahl der Federn die wirkende Federkraft. Man könnte durch entsprechende Auslegung einer Feder, zum Beispiel mit einer dickeren Flachfeder, dieselbe Kraft erzielen wie mit zwei gestapelten dünneren.
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Gemäß der Erfindung werden die mindestens zwei Flachfedern so aufeinander gestapelt, dass gerade keine vollständige Überdeckung eintritt. Diese sich nicht überdeckende Anordnung der Flachfedern zueinander bewirkt eine Dämpfung des Systems: eine unerwünschte Schwingungsanregung des Kerns kann so völlig vermieden werden.
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Eine nicht überdeckende Anordnung der Flachfedern kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass sich die Flachfedern in ihrer Gestalt und/oder Orientierung zueinander unterscheiden.
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Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weisen die mindestens zwei Flachfedern im Wesentlichen die gleiche, vorzugsweise identische Gestalt auf und sind gegeneinander verdreht. Gegeneinander Verdrehen bedeutet entweder Drehen um die in der Ebene der Feder liegende Mittelachse einer Flachfeder um 180° oder Drehen einer Flachfeder um ihre dazu senkrecht stehende Mittelachse um einen beliebigen Winkel.
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Vorteilhafterweise sind die gestapelten Flachfedern fest miteinander verbunden, so dass die gewünschte Positionierung dauerhaft fixiert ist und ein späteres Verschieben ausgeschlossen. Die Flachfedern werden vorzugsweise miteinander verpresst oder verschraubt.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die aufeinander gestapelten Flachfedern an dem axialen Ende des Kerns angeordnet, das dem Ventilsitz gegenüberliegt. Bedingt durch den üblichen Ventilaufbau, steht auf der Seite des Ventilsitzes mehr Platz zur Verfügung als auf der Seite des Ventilstopfens. Aber es ist auch denkbar, dass die aufeinander gestapelten Flachfedern auf der vom Ventilsitz abgewandten Seite des axialen Endes des Kerns angeordnet sind. Von der Wirkungsweise her betrachtet spielt es keine Rolle an welchem der beiden Kernenden die Flachfedern positioniert sind.
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Die Flachfedern stützen sich an ihren Außenrändern vorzugsweise auf einer Schulter im Fluidgehäuse ab und sind durch den Magnetantrieb, insbesondere durch ein verlängertes Kernführungsrahr, fixiert. Die Flachfedern können zwischen dem Magnetantrieb und dem Fluidgehäuse, in dem der Ventilsitz angeordnet ist, eingespannt sein. Ein verlängertes Kernführungsrohr des Magnetantriebs kann in das Fluidgehäuse ragen und die Flachfedern gegen die Schulter im Fluidgehäuse drücken. Zwischen der Schulter im Fluidgehäuse und den Flachfedern kann zusätzlich ein Einlegering angeordnet sein, so dass sich diese dann am Einlegering abstützen.
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Die Flachfedern sind vorzugsweise scheibenartig ausgebildet und weisen zwei konzentrische Ringe auf, die über Arme miteinander verbunden sind. Es können beispielsweise drei oder vier Arme als Verbindungsglieder zwischen den beiden Ringen dienen. Die Arme weisen insbesondere eine mäanderförmige Struktur auf. Die Herstellung der Flachfedern erfolgt gemäß bekannter Verfahren, wie Laserschneiden oder chemischem Nassätzen. Werden Flachfedern so aufeinander gestapelt. dass sie sich nicht überdecken, so hat das zur Folge, dass die Arme gekreuzt sind.
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Die Innenringe der Flachfedern sind bevorzugt zwischen einem Dichtungshalter, der mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und einem dem Ventilsitz gegenüberliegenden Ende des Kerns eingeklemmt. Es ist aber auch möglich, eine Dichtung ohne separaten Dichtungshalter direkt am Ende des Kerns zu befestigen und den Innenrand der Flachfedern mit dem Ende des Kerns fest zu verbinden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine weitere Flachfeder am axialen Ende des Kerns angeordnet, das vom Ventilsitz abgewandt ist. Diese Flachfeder hat, wie auch schon die anderen Flachfedern, die Aufgabe, den Kern reibungsfrei im Kernführungsrohr zu führen. Die mindestens eine weitere Flachfeder kann zusätzlich die Rückstellfunktion im Ventil übernehmen. Das hat den Vorteil, dass dann keine weitere Feder benötigt wird, die im geschlossenen Zustand des Ventils den Kern mit Dichtung auf den Ventilsitz drückt.
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Die weitere Flachfeder stützt sich vorzugsweise mit ihrem Außenrand an einer Schulter am Kern ab, und ein Innenring der weiteren Flachfeder wird mittels einer Justierschraube gehalten. Über die Justierschraube werden auf bekannte Weise die Vorspannung und der Ventilhub eingestellt.
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Bei einer anderen Ausführungsform des Ventils ist die weitere Flachfeder mit ihrem Außenrand fest mit einem Stopfen (im Inneren des Magnetantriebs) verbunden, insbesondere durch Punktschweißen und ein Innenring der weiteren Flachfeder stützt sich an einem Lagerteil am Kern ab. Lagerteil und Kern können auch einstückig ausgeführt sein.
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Je nach Anwendungsfall, das heißt je nach geforderten Leistungsdaten des Ventils, greift am Kern ein weiteres Federelement zur Rückstellung an. Das weitere Federelement ist vorzugsweise zwischen Kern und Stopfen eingesetzt. Dadurch kann die Dichtheit des Ventils auch bei höheren am Ventilsitz anstehenden Mediumsdrücken sichergestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Ventil eignet sich besonders zum Regeln von Flüssigkeiten oder Gasen. Für diese Anwendungen wird ein Magnetantrieb mit Proportionalverhalten bevorzugt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein Schnittbild durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils;
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2 ein Schnittbild durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils;
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3a ein Schnittbild eines Kerns mit Flachfedern;
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3b eine Explosionsdarstellung des Kerns und der Flachfedern von 3a; und
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3c eine Draufsicht auf den Kern mit den Flachfedern gemäß 3a und 3b.
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In 1 ist ein Schnittbild eines Ventils 10 mit einem Magnetantrieb 20 und einem Fluidgehäuse 30 dargestellt, die dicht miteinander verbunden sind. Im Magnetantrieb 20 ist ein Kernführungsrohr 40 mit einem feststehenden Stopfen 50 und einem in Axialrichtung bewegbaren Kern 60 zum Öffnen und Schließen eines Ventilsitzes 70 angeordnet. Der Ventilsitz 70 ist im Fluidgehäuse 30 am Ende des Fluideingangs 80 angeordnet und steht in fluidischer Verbindung mit mindestens einer Gehäuseausnehmung 90, die in den Fluidausgang 100 mündet.
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Mit dieser Anordnung ist eine ”Unter-Sitz-Anströmung” realisiert. Es ist aber auch möglich, dass der Ventilsitz am Ende des Fluidausgangs angeordnet ist und mit dem Fluideingang in fluidischer Verbindung steht, wodurch eine ”Über-Sitz-Anströmung” erreicht wird. Erfindungsgemäße Ventile sind für beide Betriebsarten geeignet.
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Gegenüberliegend zum Ventilsitz 70 ist die Dichtung 110 an einem Ende des Kerns 60, das in das Fluidgehäuse 30 ragt, angeordnet und kann den Ventilsitz 70 bei Bewegung des Kerns 60 freigeben oder verschließen. Die Dichtung 110 ist im Dichtungshalter 120 gehalten, der mit dem Ende des Kerns 60 fest verbunden, beispielsweise eingepresst, ist. Die Dichtung 110 kann aber auch direkt am, dem Ventilsitz 70 gegenüberliegenden, Ende des Kerns 60 angeordnet sein.
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Der Kern 60 weist an seinen beiden axialen Enden Flachfedern 130, 140 auf, mittels derer der Kern 60 reibungsfrei im Kernführungsrohr 40 geführt wird.
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Wie aus 3b ersichtlich sind die Flachfedern 130 scheibenartig ausgebildet und weisen einen Außenring 150 und einen Innenring 160 auf, die konzentrisch angeordnet sind und durch Arme 170 miteinander verbunden sind. In der dargestellten Ausführungsform weisen die Flachfedern 130 drei Arme 170 mit einer mäanderartigen Form auf. Die gezeigte Geometrie der Flachfeder 130 ist beispielhaft. Erfindungsgemäße Ventile funktionieren auch mit Flachfedern, die eine andere Geometrie oder mehr als drei Arme aufweisen.
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Am axialen Ende des Kerns 60, das dem Ventilsitz 70 gegenüberliegt, sind mindestens zwei aufeinander gestapelte, sich nicht überdeckende Flachfedern 130 angeordnet. Die so aufeinander gestapelten Flachfedern 130 bewirken eine vorteilhafte Dämpfung des Systems, so dass eine unerwünschte Anregung zu Schwingungen ausgeschlossen wird, was eine optimale Regelbarkeit der Ventile gewährleistet.
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In 3a ist ein Schnittbild eines Kerns 60 gezeigt, der an einem Ende mit Flachfedern 130 fest verbunden ist. Die Innenringe 160 der Flachfedern 130 werden zwischen einem Dichtungshalter 120 und einem axialen Ende des Kerns 60 eingeklemmt. Der Dichtungshalter 120 trägt die Dichtung 110, die im Ventil 10 den Ventilsitz 70 freigibt oder verschließt.
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In den 3a–3c werden zwei identische Flachfedern 130 aufeinander gestapelt, die um einen Winkel von 60° gegeneinander verdreht sind. Die 60° ergeben sich aus Symmetriegründen bei einer Anzahl von drei Armen 170. Bei vier Verbindungsarmen würde man einen Verdrehwinkel von 45° wählen. Der gewünschte Dämpfungseffekt, der durch sich nicht überdeckende Flachfedern erzielt wird, wird auch erreicht, wenn die Flachfedern sich in ihrer Gestalt unterscheiden, das heißt wenn nicht identische Flachfedern eingesetzt werden. Bei identischen Flachfedern kann auch eine der Flachfedern um eine Mittelachse um 180° gedreht werden, die in der Ebene der Flachfeder liegt.
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Die Flachfedern 130 werden fest miteinander verbunden, insbesondere verpresst oder verschraubt. Dadurch ist sichergestellt, dass im Ventilbetrieb, beispielsweise durch auftretende Erschütterungen, die Flachfedern ihre Position zueinander nicht verändern.
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Der Kern 60 mit aufeinander gestapelten Flachfedern 130 gemäß den 3a–3c ist im Ventil 10 im Kernführungsrohr 40 des Magnetantriebs 20 axial bewegbar angeordnet. Die Flachfedern 130 stützen sich, wie in 1 gezeigt, an ihrem Außenrand 150 auf dem Einlegering 180 ab, der im Fluidgehäuse 30 oberhalb des Ventilsitzes 70 angeordnet ist, und werden durch eine Verlängerung 190 des Kernführungsrohrs 40 im Fluidgehäuse 30 festgehalten.
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Der Einlegering 180, der zur Strömungskonditionierung des Mediums dient, ist optional. Ohne Einlegering stützen sich die Flachfedern auf einer Schulter im Fluidgehäuse 30 ab und werden dort zwischen Magnetantrieb 20 und Fluidgehäuse eingeklemmt.
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Am axialen Ende des Kerns 60, das vom Ventilsitz 70 abgewandt ist, ist eine weitere Flachfeder 140 angeordnet. Die Flachfeder 140 weist den gleichen Aufbau wie die Flachfedern 130 auf. Es können auch an diesem Ende des Kerns 60 mehrere aufeinander gestapelte Flachfedern 140 eingesetzt werden. Die Flachfeder 140 stützt sich an ihrem Außenrand 150 auf einer Schulter 200 am Kern 60 ab. Der Innenring 160 der Flachfeder 140 wird mittels der Justierschraube 210 gehalten, die den Stopfen 50 auf beiden Seiten axial durchragt. Justierschrauben sind bekannt. Damit lassen sich Vorspannung der Flachfeder 140 und Ventilhub einstellen, Die Flachfeder 140 dient vorteilhaft zur Führung des Kerns 60, und sie sorgt ebenso für seine Rückstellung. Das heißt, dass die Federkraft der Flachfeder 140 bei stromlosem Zustand des Magnetantriebs 20 ein dichtes Verschließen des Ventilsitzes 70 sicherstellt.
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2 zeigt ein Schnittbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils 10, das sehr ähnlich ist zum Ventil 10 entsprechend 1 Auch hier werden aufeinander gestapelte Flachfedern 130 verwendet, die unerwünschte Schwingungen des Kerns 60 verhindern. Die Flachfedern 130 und 140 haben beide die Aufgabe, den Kern 60 reibungsfrei im Kernführungsrohr 40 zu führen.
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Die Rückstellung des Kerns 60 übernimmt hier ein weiteres Federelement 220, insbesondere in Form einer Schraubenfeder, die innerhalb des Stopfens 50 zwischen der Justierschraube 210 und dem Kern 60 angeordnet ist. Das Federelement 220 wird vor allem dann benötigt, wenn mit dem Ventil 10 höhere Mediumsdrücke geregelt werden sollen.
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In dieser Ausführungsform ist die Flachfeder 140 an ihrem Außenrand 150 fest mit einer Schulter 230 im Stopfen 50 verbunden, insbesondere verschweißt. Der Innenring 160 stützt sich am Lagerteil 240 ab, das fest mit dem Ende des Kerns 60 verbunden ist, das vom Ventilsitz 70 abgewandt ist.
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Erfindungsgemäße Ventile 10 sind besonders für Magnetantriebe 20 mit Proportionalverhalten geeignet.
