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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasdosierventil mit zumindest einem Ventilsitz und zumindest einem an den Ventilsitz anpressbaren Verschlussorgan, wobei das Verschlussorgan in einer maximal geöffneten Stellung vom Ventilsitz zumindest bereichsweise abgehoben und in einer maximal geschlossenen Stellung an den Ventilsitz angepresst ist, wobei das Gasdosierventil eine, mittels einer Federbelastungseinrichtung des Gasdosierventils federbelastete Verstellvorrichtung zum Verstellen des Verschlussorgans in einer Schließrichtung von der maximal geöffneten Stellung in die maximal geschlossene Stellung aufweist und die Federbelastungseinrichtung der Verstellvorrichtung zumindest zwei mechanisch in Reihe geschaltete Federkörper aufweist, wobei die Federkörper voneinander verschiedene elastische Eigenschaften aufweisen.
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Gasdosierventile kommen in der sogenannten Vakuumtechnik zum Einsatz, bei der technisch anspruchsvolle Herstellungsprozesse in einem künstlich realisierten, weitgehend gasfreien Raum ablaufen. Die Gasdosierventile werden z. B. dazu benötigt, um bei einem Herstellungs- oder Weiterverarbeitungsprozess laufend eine genau dosierte Menge eines gasförmigen Reaktionspartners zuzuführen oder den Druck im abgeschlossenen Reaktionsraum auf einem vorbestimmten Niveau zu halten. Aufgrund dieser Aufgabenstellung müssen diese Gasdosierventile zum Einen auch im Bereich sehr hohen Unterdrucks noch zuverlässig und dauerhaft metallisch abdichtend schließen und zum Anderen unter diesen Bedingungen auch noch eine Feindosierung von Gasen ermöglichen. Hieraus ergeben sich sehr hohe Anforderungen an die Präzision bei der Fertigung der Gasdosierventile.
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Ein Gasdosierventil ist z. B. aus der
US 4,903,938 A bekannt. Das dort gezeigte Ventil hat allerdings den Nachteil, dass es sehr temperaturanfällig ist.
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Aus der
DE 10 2004 028 968 A1 ist ein gattungsgemäßes Ventil für fluide, insbesondere gasförmige Medien, bekannt, mit dem Gasströme sicher freigegeben und abgesperrt werden sollen, wobei der Druckabfall über dem Ventil, wie auch der Fertigungsaufwand für das Ventil, gering gehalten sein soll.
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Die
AT 413 134 B offenbart ein Gasventil mit elektromagnetischer Betätigung sowie einer Öffnungs- und einer Schließfeder. Darüber hinaus weist die
AT 413 134 B noch eine Tellerfederanordnung auf, welche die Abstandsveränderung für die Auflageposition der Schließfeder ausgleichen soll.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Gasdosierventil zu entwickeln, welches bei einem möglichst einfachen mechanischen Aufbau zuverlässig auch unter unterschiedlichsten Rahmenbedingungen eine präzise Dosierung des Gasstroms ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem die Verstellvorrichtung beim Verstellen des Verschlussorgans in der Schließrichtung entlang eines Schließweges bewegbar ist, wobei zumindest einer der Federkörper weicher ausgebildet ist und zumindest vorrangig auf einem ersten Teilweg des Schließweges wirkt und zumindest ein anderer der Federkörper härter als der weicher ausgebildete Federkörper ausgebildet ist und zumindest vorrangig auf einem weiteren Teilweg des Schließweges wirkt.
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Es ist es somit vorgesehen, zumindest zwei Federkörper mechanisch in Reihe zu schalten, womit bewirkt wird, dass über den Schließweg jeweils angepasste aber voneinander verschiedene Federeigenschaften zur Verfügung gestellt werden können. Mechanisch in Reihe geschaltet bedeutet dabei, dass die Federn direkt oder indirekt aneinander abgestützt sind. Meist sind sie hierzu örtlich hintereinander angeordnet. Besonders bevorzugte Ausgestaltungsformen sehen vor, dass auf einem gewissen Teilweg des Schließweges immer im Wesentlichen nur einer der Federkörper wirkt bzw. seine elastischen Eigenschaften zur Wirkung kommen. Mit anderen Worten werden die federelastischen Eigenschaften der Federbelastungseinrichtung auf dem jeweiligen Teilweg im Wesentlichen von nur einem der Federkörper bestimmt bzw. von diesem dominiert.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die zumindest zwei. Federkörper in Schließrichtung gesehen mechanisch in Reihe geschaltet sind.
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Als Federkörper kommen grundsätzlich alle beim Stand der Technik bekannten elastischen Körper in Frage. Dies können grundsätzlich auch Gasdruck- oder hydraulische Federn sein. Besonders bevorzugt werden aber mechanische Federkörper wie z. B. Tellerfedern oder Schraubenfedern oder Elastomerkörper eingesetzt. Um eine hohe Temperaturbeständigkeit bis 300°C zu erreichen, werden vorzugsweise Federkörper aus Inoxstahl oder Edelstahl eingesetzt. Wichtig ist jedenfalls, dass die Federeigenschaften bzw. die elastischen Eigenschaften der eingesetzten Federkörper reproduzierbar und möglichst wenig von Umwelteinflüssen und damit insbesondere von der Temperatur abhängig sind.
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Der Schließweg ist derjenige Weg bzw. Hub der Verstellvorrichtung, den sie zurücklegt, wenn das Verschlussorgan in Schließrichtung von seiner maximal geöffneten Stellung in seine maximal geschlossene Stellung gebracht wird. Der vom Verschlussorgan dabei ausgeführte Hub muss dabei insbesondere in seiner Länge bzw. Hubhöhe nicht dem Schließweg entsprechen. In der Regel ist der Hub des Verchlussorgans zwischen seiner vollständig geöffneten Stellung und einem ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans am Ventilsitz, welcher zu einem ersten Teilweg der Verstellvorrichtung korrespondieren kann, kleiner als dieser Teilweg des Schließweges. Zwischen dem ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans und der maximal geschlossenen Stellung kann vorgesehen sein, dass dort das Verschlussorgan kaum noch einen oder gar keinen Hub mehr ausführt, sondern nur noch elastisch deformiert wird, um die angestrebte Druckfestigkeit bei der Abdichtung in der maximal geschlossenen Stellung zu erreichen. Der hierzu korrespondierende weitere Teilweg der Verstellvorrichtung ist aber in der Regel durchaus messbar und wesentlich größer als der noch vorhandene oder nicht mehr messbare Resthub des Verschlussorgans zwischen seinem ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans und seiner maximal geschlossenen Stellung. Der Vollständigkeit halber wird noch darauf hingewiesen, dass das Verschlussorgan in der vollständig geöffneten Stellung vollständig aber auch nur bereichsweise vom Ventilsitz abgehoben sein kann. Der Schließweg der Verstellvorrichtung wird günstigerweise an einer Stelle der Verstellvorrichtung gemessen, die im oder am Aktuator oder zwischen dem Aktuator der Verstellvorrichtung und dem ersten Federkörper der Federbelastungseinrichtung angeordnet ist, da dort die Messung des Schließweges noch nicht von den elastischen Eigenschaften der Federkörper überprägt ist. Unter dem ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans am Ventilsitz wird diejenige Zwischenstellung des Verschlussorgans zwischen seiner maximal geöffneten Stellung und seiner maximal geschlossenen Stellung verstanden, bei der beim Schließen des Verschlussorgans dieses das erste Mal vollständig am Ventilsitz anliegt. Zwischen der maximal geöffneten Stellung und dem ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans am Ventilsitz ist das Verschlussorgan von dem Ventilsitz zumindest bereichsweise abgehoben.
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Bei den Verstellvorrichtungen zum Verstellen des Verschlussorgans sind unterschiedlichste Varianten möglich. Z. B. kann die Verstellvorrichtung von Hand betätigt sein. Sie kann somit z. B. einen Handdrehgriff als Aktuator aufweisen, mit dem von Hand die zu dosierende Gasmenge am Gasdosierventil eingestellt werden kann. Diese Varianten sind vor allem dann günstig, wenn der Gasstrom nur relativ selten verstellt werden muss. Ist ein häufigeres Verstellen der Gasdosierung notwendig, so bieten sich z. B. auch elektrische, piezoelektrische, pneumatische oder hydraulische Aktuatoren der Verstellvorrichtung an. Diese können vor allem auch dann zum Einsatz kommen, wenn das Gas vom Dosierventil an einer von außen schwer zugänglichen Position angeordnet ist.
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Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung sehen vor, dass sich das Verschlussorgan auf dem ersten Teilweg des Schließweges in zumindest einem Zustand zwischen der maximal geöffneten Stellung und einem ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans am Ventilsitz befindet, und/oder dass sich das Verschlussorgan auf dem weiteren Teilweg des Schließweges in zumindest einem Zustand zwischen dem ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans am Ventilsitz und der maximal geschlossenen Stellung befindet.
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Im Sinne einer Feindosierung des Gasstromes ist es günstig, wenn die Federbelastungseinrichtung, vorzugsweise zumindest einer der Federkörper, auf dem ersten Teilweg des Schließweges, vorzugsweise wenn sich das Verschlussorgan in zumindest einem Zustand zwischen der maximal geöffneten Stellung und dem ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans am Ventilsitz befindet, eine Federkennlinie mit einer Steigung von höchstens 25 Newton pro Millimeter Schließweg, vorzugsweise von höchstens 20 Newton pro Millimeter Schließweg, aufweist. Im Sinne einer optimalen Dosierung des Anpressdruckes des Verschlussorgans an den Ventilsitz ist günstigerweise vorgesehen, dass die Federbelastungseinrichtung, vorzugsweise zumindest einer der Federkörper, auf einem weiteren Teilweg des Schließweges, vorzugsweise wenn sich das Verschlussorgan in zumindest einem Zustand zwischen einem ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans am Ventilsitz und der maximal geschlossenen Stellung befindet, eine Federkennlinie mit einer Steigung von 100 Newton pro Millimeter Schließweg bis 1000 Newton pro Millimeter Schließweg, vorzugsweise von 200 Newton pro Millimeter Schließweg bis 800 Newton pro Millimeter Schließweg, aufweist. Die bei diesen Angaben zu messenden Kräfte werden am Verschlussorgan bestimmt, der Schließweg bzw. dessen Teilwege sind, wie gesagt, an der Verstellvorrichtung zu messen.
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Bei der erfindungsgemäßen Reihenschaltung der verschiedenen Federkörper ist es günstig, wenn die Federeigenschaften der gesamten Federbelastungseinrichtung bei geringen Kräften von dem schwächsten Federkörper bzw. von dem weichsten Federkörper zumindest vorrangig bestimmt werden. Die härteren Federkörper wirken günstigerweise in diesem Bereich geringer Kräfte im Wesentlichen als starre Körper. Bevorzugt haben ihre Federeigenschaften bei diesen geringen Kräften kaum Einfluss auf die elastischen Eigenschaften der Federbelastungseinrichtung. Um auch bei höheren Kräften möglichst definierte elastische Eigenschaften zu haben, ist bevorzugt vorgesehen, dass die weicheren Federkörper ab einem gewissen Weg keinen Einfluss mehr auf die elastischen Eigenschaften der Federbelastungseinrichtung haben. Man könnte also sagen, dass es erstrebenswert ist, dass auf gewissen Teilwegen des Schließweges der Einfluss gewisser Federkörper ausgeschaltet ist. Dies kann erreicht werden, indem zumindest einem der, vorzugsweise jedem der, Federkörper, vorzugsweise jeweils, zumindest ein Anschlag der Verstellvorrichtung zugeordnet ist, wobei ab Erreichen des Anschlags ein weitergehendes Verstellen des Verschlussorgans in Schließrichtung von dem Federkörper, dem der Anschlag zugeordnet ist, unbeeinflusst ist. Sobald die entsprechenden Anschläge erreicht sind, hat bei diesen Ausgestaltungsformen der diesem Anschlag bzw. diesen Anschlägen zugeordnete Federkörper keinen Einfluss mehr auf die elastischen Eigenschaften der Federbelastungseinrichtung in Schließrichtung. Der Federkörper ist durch das Anliegen des Anschlags bzw. der Anschläge aneinander sozusagen kurzgeschlossen bzw. deaktiviert. Im Sinne einer schlanken Bauweise des Gasdosierventils sehen bevorzugte Ausgestaltungsformen vor, dass die Federkörper koaxial zueinander angeordnet sind. Der Schließweg verläuft in bevorzugten Ausgestaltungsformen, vorzugsweise vollständig, linear.
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Besonders bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung sehen vor, dass als Federkörper Spiralfedern und/oder Tellerfedern eingesetzt werden. Diese werden bevorzugt aus Metall, im Sinne einer hohen Temperaturbeständigkeit bevorzugt aus Inoxstahl, also nichtrostendem Stahl, oder Edelstahl gefertigt.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dass zumindest einer der Federkörper als Spiralfeder ausgebildet ist und zumindest vorrangig auf einem ersten Teilweg des Schließweges wirkt, vorzugsweise wenn sich das Verschlussorgan in zumindest einem Zustand zwischen einer maximal geöffneten Stellung und einem ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans am Ventilsitz befindet, und zumindest ein anderer der, vorzugsweise mehrere andere, Federkörper als Tellerfeder ausgebildet ist bzw. sind und zumindest vorrangig auf einem weiteren Teilweg des Schließweges wirkt bzw. wirken, vorzugsweise wenn sich das Verschlussorgan in zumindest einem Zustand zwischen dem ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans am Ventilsitz und der maximal geschlossenen Stellung befindet.
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Um der Verstellvorrichtung eine definierte Gegenkraft in Öffnungsrichtung entgegenzusetzen sehen besonders bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung vor, dass das Gasdosierventil zumindest eine Öffnungsfeder aufweist, welche das Verschlussorgan entgegen der Schließrichtung federbelastet. Die Öffnungsfeder kann im Bereich des Ventilsitzes angeordnet sein. Besonders bevorzugt befindet sie sich auf der der Verstellvorrichtung entgegengesetzten Seite des Verschlussorgans. Die Öffnungsfeder kann direkt am Verschlussorgan anliegen. Es kann sich z. B. um eine Tellerfeder handeln.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Außenansicht auf das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel eines Gasdosierventils;
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2 einen Längsschnitt durch dieses Gasdosierventil in der maximal geöffneten Stellung;
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3 einen Längsschnitt durch dieses Gasdosierventil beim ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans am Ventilsitz;
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4 den Bereich A aus 3 vergrößert;
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5 eine schematisierte Federkennlinie der Federbelastungseinrichtung des gezeigten Ausführungsbeispiels des Gasdosierventils.
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In der perspektivischen Ansicht von außen gemäß 1 ist zunächst das Gehäuse 16 des Gasdosierventils 1 zu sehen. Bei der dargestellten Variante handelt es sich um ein zweiteiliges Gehäuse 16 mit Ober- und Unterteil. Dies muss aber nicht so sein, es kann sich auch um ein einteiliges oder mehr als zweiteiliges Gehäuse handeln. Das Gehäuse 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel jedenfalls nach oben hin durch den Handdrehgriff 17 abgeschlossen, welcher als Aktuator für die Verstellvorrichtung 5 dient. Durch Drehen des Handdrehgriffs 17 relativ zum Gehäuse 16 kann die zu dosierende Gasmenge bzw. der Gasstrom eingestellt werden. Der momentan eingestellte Zustand kann an der Skala 18 abgelesen werden. Die Skala 18 gibt wieder, wo sich die Verstellvorrichtung 5 auf ihrem Schließweg 8 bzw. dem entgegengesetzten Öffnungsweg befindet. Das Gehäuse 16 weist die Gaseinströmöffnung 14 und die Gasausströmöffnung 15 auf, Mittels Verschlussorgan 3 und Ventilsitz 2 wird die durchströmende Gasmenge, also der Gasstrom zwischen der Gaseinströmöffnung 14 und Gasausströmöffnung 15 kontrolliert. Das Gas kann aber auch anders herum strömen, sodass dann die Öffnung 15 die Einströmöffnung und die Öffnung 14 die Ausströmöffnung ist. Auch in diesem Fall wird der Gasstrom mittels Verschlussorgan 3 und Ventilsitz 2 kontrolliert.
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In 2 ist ein Längsschnitt durch dieses Gasdosierventil 1 gemäß 1 gezeigt. In der in 2 dargestellten Stellung befindet sich das Verschlussorgan 3, welches hier von einer Membran gebildet wird, in der vom Ventilsitz 2 abgehobenen, maximal geöffneten Stellung, in der das Gasdosierventil 1 maximal geöffnet ist. Das durch die Gaseinströmöffnung 14 eintretende Gas strömt in dieser Stellung zwischen Ventilsitz 2 und Verschlussorgan 3 hindurch und verlässt das Gasdosierventil wieder durch die Gasausströmöffnung 15, oder umgekehrt. Das Verstellen des Gasdosierventils 1 erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel durch Drehen am Handdrehgriff 17. Am Handdrehgriff 17 ist eine Spindel 19 drehfest angebracht. Diese greift in eine Mutter 20 ein. Durch Verdrehen des Handdrehgriffes 17 und damit der Spindel 19 wird die Mutter 20 in Schließrichtung 6 oder in die Gegenschließrichtung bewegt. Damit sich die Mutter 20 beim Verdrehen der Spindel 19 nicht mitdreht, ist eine Verdrehsicherung 29 vorgesehen, welche in entsprechenden Langlöchern 30 im Gehäuse 16 geführt ist und gleichzeitig die Skala 18 bildet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel bildet die Verdrehsicherung 29 auch einen, die Endstellungen vorgebenden Längsanschlag für die Verstellvorrichtung 5. Dies verhindert eine Beschädigung des Verschlussorgans 3 durch zu weites Verstellen der Verstellvorrichtung 5. Solche, die Endstellungen vorgebenden Längsanschläge können natürlich auch anders realisiert werden.
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Der Handdrehgriff 17, die Spindel 19 und die Mutter 20 sind Bestandteile der Verstellvorrichtung 5. Weiters weist die Verstellvorrichtung 5 auch die nachfolgend beschriebene Federbelastungseinrichtung 4 auf, welche erfindungsgemäß, in Schließrichtung 6 gesehen, mehrere mechanisch in Reihe geschaltete Federkörper 7a und 7b aufweist, wobei die Federkörper 7a und 7b voneinander verschiedene elastische Eigenschaften aufweisen. im gezeigten Ausführungsbeispiel ist an der Mutter 20 als erster Federkörper 7a eine Spiral- bzw. Schraubenfeder abgestützt. Es handelt sich im gezeigten Ausführungsbeispiel dabei um den weichsten aller Federkörper 7a und 7b. Alle anderen Federkörper 7b sind in diesem Ausführungsbeispiel als Tellerfedern ausgebildet, wobei darauf hinzuweisen ist, dass die hier verwendeten sechs Tellerfedern 7b ebenfalls voneinander verschiedene elastische Eigenschaften haben, was an ihrer unterschiedlichen Dicke zu erkennen ist. Auf seinem von der Mutter 20 abgewendeten Ende stützt sich der Federkörper 7a am ersten Zwischenstück 21 ab. Zwischen dem ersten Zwischenstück 21 und dem zweiten Zwischenstück 23 befindet sich eine Abfolge der in Form der Tellerfedern ausgebildeten Federkörper 7b und der jeweils zwischen zwei benachbarten Federkörpern 7b angeordneten weiteren Zwischenstücke 24. Mittels der Stellschraube 22 kann der maximal mögliche Abstand des ersten Zwischenstücks 21 vom zweiten Zwischenstück 23 eingestellt werden. Hierdurch kann man auch die Vorspannung der Federkörper 7a und 7b einstellen. Die Härte der Federkörper 7a und 7b nimmt von der Mutter 20 aus gesehen im gezeigten Ausführungsbeispiel zum zweiten Zwischenstück 23 hin jeweils zu. Dies muss aber nicht zwingend so sein. Die geometrische Abfolge der einzelnen Federkörper 7a und 7b ist letztendlich für die Funktion des Gasdosierventils 1 von untergeordneter Bedeutung.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel bilden das zum Verschlussorgan 3 gerichtete Ende der Spindel 19 und die gegenüberliegende Fläche des ersten Zwischenstücks 21 ein erstes Paar von Anschlägen 12a. Sind diese Anschläge 12a nicht in Kontakt miteinander, so werden die elastischen Eigenschaften der gesamten Federbelastungseinrichtung 4 im Wesentlichen bzw. zumindest vorrangig von den elastischen Eigenschaften des hier als Spiral- bzw. Schraubenfeder ausgeführten Federkörpers 7a vorgegeben. Dies ist im gezeigten Ausführungsbeispiel auf einem ersten Teilweg 9 des Schließwegs 8 in Schließrichtung 6 der Fall. Dieser erste Teilweg 9 korrespondiert bei der gezeigten Variante mit den Stellungen des Verschlussorgans 3, welche dieses zwischen der maximal geöffneten Stellung gemäß 2 und dem ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans 3 am Ventilsitz 2, wie dies in 3 dargestellt ist, einnimmt. Sobald die beiden Anschläge 12a miteinander in Kontakt kommen, haben die elastischen Eigenschaften des Federkörpers 7a keinen Einfluss mehr auf die elastischen Eigenschaften der Federbelastungseinrichtung 4, da der Federkörper 7a mittels der Anschläge 12a praktisch kurzgeschlossen bzw. deaktiviert ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kommt es zu dem in 3 dargestellten ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans 3 am Ventilsitz 2, wenn die dem ersten Federkörper 7a zugeordneten Anschläge 12a miteinander in Kontakt kommen. Dies muss aber nicht zwingend so sein.
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Jedenfalls ist es im gezeigten Ausführungsbeispiel so, dass sobald durch das Anliegen der Anschläge 12a aneinander der erste Federkörper 7a keinen Einfluss mehr auf die elastischen Eigenschaften der Federbelastungseinrichtung 4 hat, diese elastischen Eigenschaften der Federbelastungseinrichtung 4 dann von dem nächsthärteren Federkörper 7b zumindest im Wesentlichen bzw. vorrangig bestimmt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um die Tellerfeder, welche direkt unterhalb des Federkörpers 7a angeordnet ist, also um die dünnwandigste Tellerfeder. Diese gibt dann beim weiteren Verstellen des Gasdosierventils 1 in Schließrichtung 6 die elastischen Eigenschaften der Federbelastungseinrichtung 4 vor, bis die dieser Tellerfeder bzw. diesem Federkörper 7b zugeordneten Anschläge 12b miteinander in Kontakt kommen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden diese Anschläge 12b von entsprechenden Flächen des ersten Zwischenstücks 21 und des in Schließrichtung 6 darauf folgenden weiteren Zwischenstückes 24 bzw. dessen Randes gebildet. Liegen diese Anschläge 12b aneinander an, so ist auch die erste Tellerfeder 7b kurzgeschlossen bzw. deaktiviert. Bei weiterem Verstellen der Verstellvorrichtung 5 in Schließrichtung 6 werden die elastischen Eigenschaften dann von der nachfolgenden nächststärkeren Tellerfeder bzw. diesem Federkörper 7b vorgegeben, bis die diesem Federkörper 7b zugeordneten Anschläge 12b wieder in Kontakt miteinander kommen. Dies setzt sich so fort, bis der letzte Teilweg 10 erreicht ist, bei welchem die elastischen Eigenschaften der Federbelastungseinrichtung 4 von dem härtesten Federkörper 7b, hier der untersten Tellerfeder vorgegeben werden. Am Ende dieses letzten Teilweges 10 hat das Verschlussorgan 3 dann die maximal geschlossene Stellung erreicht. Ein Öffnen des Gasdosierventils 1 erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel durch Drehen des Handdrehgriffes 17 in die Gegenrichtung. Die elastischen Eigenschaften der Federbelastungseinrichtung 4 werden dann in der entgegen der Schließrichtung 6 gerichteten Öffnungsrichtung nacheinander von den jeweiligen Federkörpern 7b und 7a dominiert. Um das Verschlussorgan 3 ab einer definierten Kraft vom Ventilsitz 2 abzuheben, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel die Öffnungsfeder 13 vorgesehen, welche hier ebenfalls als Tellerfeder ausgeführt ist. Die Öffnungsfeder 13 wirkt beim Schließvorgang ebenso wie beim Öffnungsvorgang der Federbelastungseinrichtung 4 mit definierten elastischen Eigenschaften entgegen.
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4 zeigt den Ausschnitt A aus 3 vergrößert, wobei sich das hier als Membran ausgebildete Verschlussorgan 3 in 4 wie in 3 in der Position befindet, in der es beim Schließvorgang zu dem genannten ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans 3 am Ventilsitz 2 kommt. Wie in 3 zu sehen ist, liegen in dieser Stellung die Anschläge 12a nicht aber die Anschläge 12b aneinander an. Dies kann, wie gesagt, in anderen Ausführungsbeispielen aber auch anders abgestimmt sein.
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In 4 ist der Bereich um den Ventilsitz 2 vergrößert dargestellt. Zu sehen ist zunächst das zweite Zwischenstück 23. Dieses weist eine Kerbe 31 auf, in der eine Ausgleichskugel 26 gelagert ist. Das Zusammenwirken von Ausgleichskugel 26 und Kerbe 31 und gerundeter Vertiefung 32 im Stützteller 27 bewirkt eine Eliminierung von Kraftkomponenten in Richtung orthogonal zur Schließrichtung 6. Mit anderen Worten sorgt die in der Führungshülse 28 gelagerte Ausgleichskugel 26 dafür, dass nur in Schließrichtung 6 bzw. in die entgegengerichtete Öffnungsrichtung wirkende Kraftkomponenten von der Verstellvorrichtung 5 auf das Verschlussorgan 3 übertragen werden.
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Wie besonders gut in 4 zu sehen ist, ist die Öffnungsfeder 13 im Bereich des Ventilsitzes 2 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt sie unmittelbar am Verschlussorgan 3 an und befindet sich auf der, der Verstellvorrichtung 5 entgegengesetzten Seite des Verschlussorgans 3.
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In 5 ist die Federkennlinie der wie beschrieben ausgebildeten Federbelastungseinrichtung 4 des beschriebenen Ausführungsbeispiels schematisiert gezeigt. Aufgetragen ist die auf das Verschlussorgan 3 in Schließrichtung 6 wirkende Kraft F gegen den Weg X der Verstellvorrichtung 5 in Schließrichtung 6, 8 zeigt dabei den gesamten Schließweg, welcher sich aus dem ersten Teilweg 9 und den weiteren Teilwegen 10 zusammensetzt. Bei dem Schließweg 8 bzw. den Teilwegen 9 und 10 handelt es sich um die Wege, die mittels der Skala 18 angezeigt werden, also um den Weg der Verstellvorrichtung 5, welcher im gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Handdrehgriff 17 eingestellt und an der Mutter 20 abgegriffen werden kann.
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Auf dem ersten Teilweg 9 werden die elastischen Eigenschaften der Federbelastungseinrichtung 4 von dem Federkörper 7a bzw. dessen Federkennlinie vorgegeben. Am Ende des ersten Teilweges 9 kommt im gezeigten Ausführungsbeispiel das Verschlussorgan 3 zur ersten Anlage bzw. zur ersten vollständigen Anlage am Ventilsitz 2. Gleichzeitig kommen die beiden Anschläge 12a miteinander in Anlage. Beim darauf in Schließrichtung folgenden Teilweg 10 werden die elastischen Eigenschaften der Federbelastungseinrichtung 4 dann von dem nächststärkeren Federkörper 7b, also im gezeigten Ausführungsbeispiel der obersten Tellerfedern bestimmt. In 5 ist dies durch ein deutliches Ansteigen der Steigung 11 der Federkennlinie zu sehen. Beim weiteren Durchlaufen der weiteren Teilwege 10 wirken dann jeweils die nächsthärteren Federkörper 7b bis jeweils die ihnen zugeordneten Anschläge 12b in Kontakt miteinander kommen. Dies wird fortgesetzt, bis es am Ende des vom stärksten Federkörper 7b dominierten letzten Teilweges 10 zur maximal geschlossenen Stellung des Verschlussorgans 3 kommt. Es ist noch darauf hinzuweisen, dass es bei den weiteren Teilwegen 10 im gezeigten Ausführungsbeispiel kaum noch zu einem Hub des Verschlussorgans 3 kommt. Es wird nur noch der auf das Verschlussorgan 3 wirkende Druck erhöht, was letztendlich in einer elastischen Verformung des Verschlussorgans 3 resultiert.
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Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung sehen vor, dass der erste Teilweg 9 zumindest 80% des gesamten Schließweges 8 beträgt, wobei auf diesem ersten Teilweg günstigerweise nur ca. 20% der Gesamtkraft F aufgebracht werden. Die Toleranz der Federkennlinie in diesem Bereich sollte klein, vorzugweise bei +/–5 Newton pro Millimeter sein. In den weiteren Teilwegen 10 wird in Summe günstigerweise maximal 20% des gesamten Schließweges 8 realisiert, wobei allerdings bevorzugt zumindest 80% der Gesamtkraft aufgebracht werden. Hier können die Toleranzen der Federkennlinien relativ groß sein z. B. bei +/–50 Newton pro Millimeter. Der gesamte Schließweg 8 kann z. B. zwischen 10 mm und 20 mm, vorzugsweise zwischen 14 mm und 18 mm betragen. Bei der gezeigten Ausführungsform handelt es sich beim gesamten Schließweg 8 um 16 mm. Das Verschlussorgan 3 dieses Ausführungsbeispiels bewegt sich auf dem ersten Teilweg 9 der Verstellvorrichtung 5 bevorzugt um einen Hub von 0,4 mm. Die Hübe des Verschlussorgans 3 liegen meist im Bereich kleiner 1 mm, vorzugsweise kleiner 0,5 mm. In den weiteren Teilwegen 10 kommt es, wie bereits geschildert, günstigerweise nur noch zu einer elastischen Verformung des Verschlussorgans 3. Der Vollständigkeit halber wird daraus hingewiesen, dass es nicht zwingend genau am Ende des ersten Teilwegs 9 zum ersten vollständigen Anliegen des Verschlussorgans 3 am Ventilsitz 2 kommen muss. Dies kann auch davor oder danach geschehen. Die von der Verstellvorrichtung 5 aufgebrachten Gesamtkräfte am Verschlussorgan 3 können beispielsweise zwischen 1.500 und 2.000 Newton, vorzugweise bei ca. 1.800 Newton liegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasdosierventil
- 2
- Ventilsitz
- 3
- Verschlussorgan
- 4
- Federbelastungseinrichtung
- 5
- Verstellvorrichtung
- 6
- Schließrichtung
- 7a, 7b
- Federkörper
- 8
- Schließweg
- 9
- erster Teilweg
- 10
- weiterer Teilweg
- 11
- Steigung
- 12a, 12b
- Anschlag
- 13
- Öffnungsfeder
- 14
- Gaseinströmöffnung
- 15
- Gasausströmöffnung
- 16
- Gehäuse
- 17
- Handdrehgriff
- 18
- Skala
- 19
- Spindel
- 20
- Mutter
- 21
- erstes Zwischenstück
- 22
- Stellschraube
- 23
- zweites Zwischenstück
- 24
- weiteres Zwischenstück
- 25
- Lager
- 26
- Ausgleichskugel
- 27
- Stützteller
- 28
- Führungshülse
- 29
- Verdrehsicherung
- 30
- Langloch
- 31
- Kerbe
- 32
- gerundete Vertiefung
