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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ventil zur Steuerung eines Fluidstroms, insbesondere eines Gasstroms.
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Stand der Technik
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Ventile zur Steuerung eines Gasstroms sind bekannt. Diese werden beispielsweise in Luftentölelementen in Vakuumpumpen eingesetzt.
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Solche Ventile neigen aufgrund von Bauteiltoleranzen im Zusammenwirken mit dem teils pulsierenden Gasstrom zum Flattern und Klappern. Dies kann zu unterschiedlichen Problemen, wie beispielsweise zu einem erhöhten Verschleiß oder zu großem Lärm, führen. Um dieses Flattern oder Klappern zu vermeiden, gibt es unterschiedliche Ansätze, welche auf einem Toleranzausgleich oder Dämpfung basieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Ventil bereitzustellen, bei welchem das Flattern oder Klappern reduziert ist, ohne dass dafür zusätzliche Bauteile vorgesehen werden müssen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Ventil zur Steuerung eines Fluidstroms, insbesondere eines Gasstroms, vorgeschlagen. Das Ventil weist einen Ventilsitz, ein Ventilschließelement und eine Spiralfeder auf. Das Ventilschließelement dichtet in einer Schließstellung gegen den Ventilsitz ab oder es verschließt teilweise bis auf einen minimalen Öffnungsquerschnitt. In einer Offenstellung ist das Ventilschließelement von dem Ventilsitz beabstandet und lässt einen Fluidstrom durch das Ventil zu. Das Ventilschließelement ist zwischen der Schließstellung und der Offenstellung in axialer Richtung betätigbar. Die Spiralfeder spannt das Ventilschließelement entlang der axialen Richtung in die Schließstellung vor. Ferner drückt die Spiralfeder das Ventilschließelement in radialer Richtung gegen ein angrenzendes Element.
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Dadurch, dass die Spiralfeder das Ventilschließelement gegen das angrenzende Element drückt, entsteht Reibung, die das Flattern oder Klappern verhindert oder zumindest reduziert. Der Spiralfeder ist somit eine Doppelfunktion zugeordnet, nämlich einmal das Ventilschließelement entlang der axialen Richtung in die Schließstellung vorzuspannen und darüber hinaus das Ventilschließelement in der radialen Richtung gegen das angrenzende Element zu drücken. Zusätzliche Bauteile, um dem Flattern oder Klappern entgegenzuwirken, sind demnach nicht erforderlich. Die axiale und radiale Richtung sind senkrecht zueinander angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform liegt die Spiralfeder einerseits gegen das Ventilschließelement und andererseits gegen ein Gegenlager an, wobei eine Anlagefläche des Ventilschließelements und/oder des Gegenlagers schräg in Bezug auf die axiale Richtung angeordnet ist. „Schräg” meint vorliegend, dass die Anlagefläche mit der axialen Richtung einen Winkel zwischen 0 und 90 Grad, bevorzugt zwischen 90 und 60 Grad und weiter bevorzugt zwischen 65 und 80 Grad bildet. Die schräge Anlagefläche bewirkt, dass sich die Spiralfeder krümmt und nicht, wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, gerade erstreckt. Diese Krümmung führt zu Querkräften, welche das Ventilschließelement gegen das angrenzende Element drücken. Die schräge Anlagefläche kann an dem Ventilschließelement oder an dem Gegenlager oder auch an beiden ausgebildet sein. Allein aufgrund der schrägen Anlagefläche kann somit das Flattern oder Klappern zumindest reduziert werden, ohne dass zusätzliche Bauteile, beispielsweise eine Blattfeder, vonnöten wären.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das angrenzende Element als eine Führungshülse ausgebildet, innerhalb derer ein Ventilkegel des Ventilschließelements in der Offenstellung angeordnet ist. Bevorzugt drückt die Spiralfeder den Ventilkegel gegen eine Innenfläche der Führungshülse.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Ventilschließelement einen Ventilschaft auf, welcher innerhalb der Spiralfeder angeordnet ist. Eine Verformung der Spiralfeder, insbesondere ein Ausknicken derselben, kann so auf ein definiertes Maß beschränkt werden. Alternativ wäre es auch möglich, dass beispielsweise drei der Spiralfedern vorgesehen sind und der Ventilschaft (oder mehrere Ventilschäfte) sich außerhalb der Spiralfedern erstrecken.
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Ein Ventilschaft des Ventilschließelements kann in eine Öffnung in dem Gegenlager hineinreichen. Der Ventilschaft kann somit zumindest zu einem gewissen Grad in dem Gegenlager geführt sein. Die Öffnung kann beispielsweise einen Durchmesser aufweisen, welcher einige 100 μm größer ist als der Durchmesser des Ventilschafts. Auf diese Weise kann ein Verkippen des Ventilschafts gewährleistet werden, so dass der Ventilkegel in Anlage mit der Innenfläche der Führungshülse gelangt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die schräge Anlagefläche an einem Rand der Öffnung des Gegenlagers ausgebildet. Ein Rand ist von Haus aus vorgesehen und eignet sich besonders als Anlagefläche.
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Das Gegenlager kann in Form einer Hülse ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich um eine kreiszylindrische Hülse handeln. Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich der Rand entlang einer Schnittfläche einer schräg zur axialen Richtung orientierten Ebene. Dadurch wird die schräge Anlagefläche auf einfache Weise erzeugt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich ein ringsegmentförmiger Abschnitt in der axialen Richtung von dem Rand der Hülse. An dem ringsegmentförmigen Abschnitt können sich die Spiralfeder und/oder der Ventilschaft insbesondere abstützen. Insbesondere in der Offenstellung des Ventilkegels ist der Ventilschaft gegenüber dem Gegenlager verkippt. Diese Verkippen kann durch den ringsegmentförmigen Abschnitt begrenzt werden.
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Das Gegenlager kann mittels mehrerer Stege mit der Führungshülse verbunden sein. Zwischen den Stegen können Öffnungen für ein Hindurchströmen des Fluids hin zu oder weg von einer von dem Ventilsitz begrenzten Öffnung ausgebildet sein. Die von dem Ventilsitz begrenzte Öffnung ist die Öffnung, welche von dem Ventilkegel, wenn dieser sich in der Schließstellung befindet, verschlossen wird. Somit ergibt sich ein kompakter Aufbau.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die Stege radial weg von dem Gegenlager hin zu der Führungshülse. Beispielsweise können die Stege radial außen an die das Gegenlager ausbildende Hülse einerseits und an die Innenfläche der Führungshülse andererseits anschließen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Ventilsitz in einem Deckel des Ventils ausgebildet. Der Deckel, die Führungshülse, die Stege, das Gegenlager, der Ventilkegel und der Ventilschaft können jeweils aus Kunststoff ausgebildet sein.
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Weiterhin werden ein Luftentölelement und eine Vakuumpumpe mit dem erfindungsgemäßen Ventil bereitgestellt. Das Luftentölelement ist dabei insbesondere auswechselbar in die Vakuumpumpe einsetzbar.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden berüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen des Ventils, des Luftentölelements oder der Vakuumpumpe. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen oder abändern.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigt dabei:
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1 schematisch ein Luftentölelement, insbesondere eine Vakuumpumpe mit einem Luftentölelement, mit einem perspektivisch, ausgebrochen und in Explosionsansicht dargestellten Ventil;
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2 eine Seitenansicht des Ventils aus 1, wobei die Krümmung einer Spiralfeder illustriert ist;
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3 eine Schnittansicht III-III aus 1;
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4 ein vergrößertes Detail IV aus 3; und
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5 eine Ansicht V aus 3.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt schematisch ein Luftentölelement 1 und insbesondere eine das Luftentölelement enthaltende Vakuumpumpe 1.
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Das Luftentölelement 1 umfasst ein perspektivisch ausgebrochen und in Explosionsansicht dargestelltes Ventil 2. Das Ventil 2 ist dazu ausgebildet, einen Fluidstrom, insbesondere einen Gasstrom, zu steuern. Diese Steuerungsfunktion kann ein komplettes Absperren des Fluidstroms oder auch ein Vermindern oder Vergrößern der Durchflussmenge des Fluidstroms durch das Ventil 2 umfassen.
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Das Ventil 2 weist einen Ventilsitz 3 auf, welcher an einem Deckel 4 des Ventils 2 ausgebildet ist und eine Öffnung 6 definiert.
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Ferner umfasst das Ventil 2 ein Ventilschließelement 5, welches sich aus einem Ventilkegel 8 und einem Ventilschaft 9 zusammensetzt. Der Ventilkegel 8 befindet sich in der in 1 dargestellten Stellung in einer Schließstellung, in welcher er gegen den Ventilsitz 3 fluiddicht, insbesondere gasdicht, abdichtet und somit die Öffnung 6 verschließt. Allerdings kann der Ventilkegel 8 Nuten 7 aufweisen, welche selbst in der Schließstellung des Ventilkegels 8 einen gewissen Fluidstrom durch das Ventil 2 zulassen. Der Ventilkegel 8 ist weiterhin in einer Offenstellung positionierbar, in welcher er von dem Ventilsitz 3 beabstandet ist. In dieser Stellung ist ein Fluidstrom durch das Ventil 2 zugelassen. Je nach Abstand, kann der Fluidstrom vermindert oder vergrößert werden.
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Das Ventil 2 weist weiterhin eine Führungshülse 11 auf. Der Ventilkegel 8 ist in der in 2 gezeigten Offenstellung des Ventilkegels 8 teilweise innerhalb der Führungshülse 11 angeordnet. 2 zeigt dabei eine Seitenansicht aus 1.
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Nun zurückkehrend zu 1, ist dort eine Spiralfeder 12 gezeigt, welche ebenfalls Bestandteil des Ventils 2 ist und sich einerseits an dem Ventilkegel 8 und andererseits an einem Gegenlager 13 des Ventils 2 abstützt. Die Spiralfeder 12 spannt den Ventilkegel 8 in die Schließstellung, siehe 1, in axialer Richtung 21 vor. Der Ventilschaft 9 ist innerhalb der Spiralfeder 12 angeordnet. Die Spiralfeder 12 kann beispielsweise aus spiralförmig gebogenem Draht hergestellt sein. Der Draht kann insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
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Die Spiralfeder 12 stützt sich an dem Ventilkegel 8 an einer gestrichelt, weil verdeckt, dargestellten Anlagefläche 14 kegelseitig ab. Gegenlagerseitig stützt sich die Spiralfeder 12 an einer schrägen Anlagefläche 15 ab. „Schräg” meint hier einen Winkel 16 zwischen einer Ebene 17 (siehe 2) und der axialen Richtung 21, welcher ungleich 90° beträgt. Der Winkel 16 beträgt beispielsweise zwischen 90 und 60°, bevorzugt zwischen 65 und 80°. Die axiale Richtung 21 verläuft entgegengesetzt zur Hauptdurchflussrichtung des Fluids durch das Ventil 2. Die axiale Richtung 21 kann aber auch der Hauptdurchflussrichtung des Fluids durch das Ventil 2 entsprechen.
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Der Aufbau des Gegenhalters 13 wird nachfolgend detailliert im Zusammenhang mit den 3–5 näher erläutert, wobei 3 eine Schnittansicht III-III aus 1, 4 eine vergrößerte Ansicht IV aus 3 und 5 eine Ansicht V aus 3 zeigt.
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Aus einer Zusammenschau der 1 und 3 ist zu erkennen, dass der Gegenhalter 13 eine rohrförmige Hülse 22 mit kreisförmigem Querschnitt aufweist. Jedoch sind auch elliptische, ovale oder mehreckige Querschnitte möglich. An ihrer Außenseite schließt die Hülse 22 über mehrere Stege 23 an eine Innenfläche 24 der Führungshülse 11 an. Die Führungshülse 11, die Stege 23 und das Gegenlager 13 können als ein einstückiges Bauteil 25, welches insbesondere im Spritzgussverfahren hergestellt wird, ausgebildet sein. Der Ventilschaft 9 ist einerseits an dem Ventilkegel 8 befestigt. Andererseits, also an seinem freien Ende, ragt der Ventilschaft 9 in die Öffnung 35 der rohrförmigen Hülse 22 hinein.
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Wie anhand der 3 und 4 zu erkennen, bildet die rohrförmige Hülse 22 an ihrem einen Ende einen Rand, welcher in der Ebene 17 liegt und die schräge Anlagefläche 15 bildet. Außerdem ist an dem Rand bevorzugt ein Vorsprung 26 angeformt, siehe 4. Der Vorsprung 26 ist, wie in 5 zu erkennen, ringsegmentförmig ausgebildet. Die Wandstärke 27 (siehe 4) des Vorsprungs 26 ist gegenüber der Wandstärke 31 der rohrförmigen Hülse 22 insbesondere verjüngt oder versetzt ausgebildet. Darüber hinaus kann der Vorsprung 26 an seinem freien Ende eine Schräge 32 aufweisen.
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Anhand von 5 ist zu erkennen, wie die Stege 23 miteinander und im Zusammenspiel mit der rohrförmigen Hülse 22 und der Führungshülse 11 Öffnungen 33 zum Zu- oder Abführen von Fluid hin zu oder weg von der Öffnung 6 bilden.
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Anschließend wird noch kurz die Funktionsweise des Ventils 2 zur Reduzierung von Klappern oder Flattern erläutert:
Aufgrund der schrägen Anlagefläche 15 krümmt sich die Spiralfeder 12 weg von der axialen Richtung 21 bzw. der Längsachse des Ventilschafts 9. Das Krümmen der Spiralfeder 12 bewirkt, dass der Ventilkegel 8 in der Offenstellung an seinem Rand 36 in radialer Richtung 37 gegen die Innenfläche 24 der Führungshülse 11 gedrückt wird. Dadurch entsteht Reibung zwischen dem Ventilkegel 8 und der Führungshülse 11, welche das Flattern oder Klappern reduziert oder beseitigt. Der Vorsprung 26 dient dabei als seitliche Anlage für die Spiralfeder 12 und stützt diese abschnittsweise ab.
